基于真空吸附的機(jī)頂盒殼體夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)

梁柱彬，黃仲庸

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1 序言

機(jī)頂盒是一種終端裝置，其發(fā)展與電視技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)[1]。隨著電子與信息技術(shù)的迅速發(fā)展，多功能增值業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用不斷進(jìn)步，導(dǎo)致作為接入設(shè)備的機(jī)頂盒發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)材料多樣化、結(jié)構(gòu)緊湊化的特點(diǎn)，機(jī)頂盒精度要求和制造難度也隨之提高。機(jī)頂盒是現(xiàn)代生活中常用的產(chǎn)品，該類(lèi)產(chǎn)品尺寸適中，市場(chǎng)需求量大[2]。通過(guò)引進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備代替部分操作人員的工作，改進(jìn)加工方案，能降低生產(chǎn)成本，從而提高生產(chǎn)效率，并確保產(chǎn)品質(zhì)量。引入夾具是有效的手段，本文主要對(duì)夾具設(shè)計(jì)、加工工藝、夾緊結(jié)構(gòu)和達(dá)到產(chǎn)品加工合格率等幾個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)明，為薄壁殼體類(lèi)零件夾具設(shè)計(jì)提供參考。

2 產(chǎn)品的工藝分析

2.1 機(jī)頂盒工藝要求

機(jī)頂盒為批量件，材料為AL-6063，該材料屏蔽性好、防靜電、抗輻射，即使在濕度較大的環(huán)境下也不易生銹腐蝕。機(jī)頂盒結(jié)構(gòu)如圖1所示，外形尺寸96mm×96mm×13.5mm，外觀設(shè)計(jì)規(guī)則，沒(méi)有復(fù)雜曲面，要求外觀完整無(wú)破損，內(nèi)部結(jié)構(gòu)以臺(tái)階位為主，孔系多，制造精度要求高，加工工藝較多。機(jī)頂盒比較薄，加工時(shí)容易變形，周邊材料厚度為2mm，最薄處的正面薄壁厚度只有0.8mm。考慮到裝夾和外觀要求，確定機(jī)頂盒加工工序?yàn)椋簷C(jī)頂盒反面加工→機(jī)頂盒正面加工→機(jī)頂盒側(cè)面加工。

圖1 機(jī)頂盒結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)頂盒工藝難點(diǎn)

此產(chǎn)品的工藝難點(diǎn)有兩個(gè)，第一個(gè)為側(cè)面四邊的幾何公差，加工后工件的公差要求為平行度0.01mm，平面度0.01mm，垂直度0.01mm，容易超差。第二個(gè)難點(diǎn)為平板的尺寸公差，最薄處0.8mm的公差要求是上偏差+0.05mm、下偏差-0.02mm，平面允許形變要求是上偏差-0.15m m，下偏差-0.25mm，加工正面薄壁時(shí)受切削彈性變形作用，加工面整體尺寸精度產(chǎn)生超差，對(duì)產(chǎn)品整體精度和質(zhì)量造成影響。

3 夾具設(shè)計(jì)

3.1 夾具設(shè)計(jì)思路

考慮批量生產(chǎn)的要求，加工中采用氣動(dòng)夾具進(jìn)行裝夾，采用真空吸盤(pán)通過(guò)負(fù)壓吸附的原理施加夾緊力進(jìn)行固定加工。機(jī)頂盒幾何公差要求苛刻，厚度較薄，易變形。若需保證機(jī)頂盒加工后達(dá)到合格要求，則需慎重考慮吸附力對(duì)產(chǎn)品變形的影響，其影響與作用點(diǎn)和作用方向有關(guān)。先判斷設(shè)計(jì)夾具的支承點(diǎn)、定位點(diǎn)和夾緊點(diǎn)是否滿足所有的約束條件，再計(jì)算出吸附力在切削時(shí)是否滿足薄壁處允許形變要求，進(jìn)而制定一款快速裝夾的夾具。

3.2 吸附力的原理

真空吸盤(pán)使用時(shí)，切削受力情況如圖2所示。其中F0表示切削力（N），F(xiàn)1表示工件所受垂直方向壓力（N），S1為真空吸力的吸附面積（mm2），S2為工件與真空吸盤(pán)的接觸面積（mm2）。吸附力F1＝（Pa-P）S1，其中Pa為大氣壓強(qiáng)（MPa），P為真空吸盤(pán)抽空力壓強(qiáng)（MPa）。按工件與真空吸盤(pán)吸附面積S2為接觸面積考慮，由于接觸面屬于精加工面，靜摩擦系數(shù)0.15，得出摩擦力為0.15F1。工件切削時(shí)，切削力F0小于由F1產(chǎn)生的S2面上的摩擦力時(shí)，才能達(dá)到加工精度要求。當(dāng)真空吸盤(pán)的真空度達(dá)到一定程度時(shí)，吸附力的大小只取決于吸附面積S1的大小。真空吸盤(pán)在真空時(shí)，吸附力與接觸面積S2無(wú)關(guān)，因此真空吸盤(pán)設(shè)計(jì)時(shí)抽氣孔要合理均勻，使吸附面積S1＞接觸面積S2[3]。

圖2 機(jī)頂盒切削受力情況

3.3 吸附力的計(jì)算

根據(jù)吸附力的計(jì)算公式，結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際情況，得到公式

其中F0為100N，Pa為1.01MPa，d為吸附孔的直徑3mm，n為孔的數(shù)量150。將數(shù)值代入公式，計(jì)算可得理想吸附壓強(qiáng)P為0.38MPa。

3.4 夾具優(yōu)化

產(chǎn)品加工后的幾何公差沒(méi)有達(dá)到要求，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，無(wú)論改變加工方法，還是改變切削量范圍，都無(wú)法達(dá)到要求。既然切削力無(wú)誤，則考慮吸附力出現(xiàn)誤差的可能性。由于產(chǎn)品反面特征的原因，真空吸盤(pán)的孔位無(wú)法均勻分布。夾具優(yōu)化前是采用4個(gè)氣缸使吸附力均勻吸附工件，如圖3a所示，加工中出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象[4]。夾具優(yōu)化后是以中心位為真空吸盤(pán)抽空力作用點(diǎn)，以此來(lái)解決加工中出現(xiàn)擺動(dòng)的問(wèn)題，優(yōu)化后產(chǎn)品（見(jiàn)圖3b）達(dá)到合格要求，見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化前后公差對(duì)比 （單位：mm）

圖3 機(jī)頂盒夾具

夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)中既要考慮減少企業(yè)額外設(shè)備投入的需求，也要滿足批量生產(chǎn)高效率的需要[5]。由于產(chǎn)品的反面特征復(fù)雜，幾何公差要求高，為了達(dá)到加工要求，真空吸盤(pán)加工要求也相對(duì)高[6]?？紤]到真空吸盤(pán)的加工將使企業(yè)增加成本，因此第二工序與第三工序進(jìn)行夾具共用優(yōu)化，如圖3b所示。優(yōu)化后，裝卸工件時(shí)十分簡(jiǎn)單方便，真空吸盤(pán)停止工作后，接觸面形成“分子黏著”現(xiàn)象，利用壓縮空氣“出”與“入”防止工件劃傷的情況。

3.5 夾具結(jié)構(gòu)

夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用了吸附力的方式來(lái)解決薄壁處加工后變形情況[7]，如圖4所示。

圖4 機(jī)頂盒夾具示意

夾具主要由兩大部分組成，分別是吸緊部分、定位部分，包括連接板、真空吸盤(pán)、螺母、橡膠圈、4軸裝夾板和T形塊組。真空吸盤(pán)是工件定位部分，真空吸盤(pán)、橡膠圈是工件加工時(shí)用來(lái)減少變形量的，屬于吸緊部分，連接板、螺母和4軸裝夾板是輔助功能部件，4軸裝夾板是為了三工序操作方便穩(wěn)定、減少調(diào)試工序、提高裝夾速度、降低生產(chǎn)成本及降低勞動(dòng)強(qiáng)度[8]。

3.6 夾具的定位與裝夾

工件與夾具外形貼合面進(jìn)行快速定位裝夾，利用吸附力保證定位的穩(wěn)定性，有足夠的承載能力，通過(guò)壓力的大小來(lái)控制夾持力度（依據(jù)“基準(zhǔn)重合”原則[9]）。如圖5所示，工件與真空吸盤(pán)通過(guò)氣管口控制吸附力大小來(lái)實(shí)現(xiàn)完全定位，滿足工件加工的定位原則[10]。因工件較薄，易變形，所以在真空吸盤(pán)、連接板位置上通過(guò)橡膠圈的密封狀態(tài)控制吸附力，減少變形量。夾具優(yōu)化后，工序二和工序三的裝夾方式一樣，工序三通過(guò)4軸裝夾板與第4軸進(jìn)行安裝，控制氣管和真空吸盤(pán)可快速方便裝卸工件[11]。

圖5 夾具安裝示意

4 生產(chǎn)和檢測(cè)

優(yōu)化夾具后再多次檢驗(yàn)和測(cè)試生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品，在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和仿形檢具的檢測(cè)下，工件尺寸和幾何公差滿足精度要求，檢測(cè)方式和結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)吸附力控制，定位裝夾準(zhǔn)確快速，降低了制造成本，減少了調(diào)試工序時(shí)間并提高了生產(chǎn)效率[12]。

表2 檢具清單和檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，采用真空吸附的方式能有效地解決薄壁類(lèi)零件變形的問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率，適用于多數(shù)的薄壁類(lèi)產(chǎn)品有針對(duì)性地設(shè)計(jì)夾具。真空吸盤(pán)工作原理簡(jiǎn)單、性能可靠，既能滿足工藝要求，又能滿足薄壁殼類(lèi)零件應(yīng)用要求。應(yīng)用真空吸盤(pán)的夾具優(yōu)化，無(wú)論在柔性制造大批量生產(chǎn)中，還是在單獨(dú)機(jī)臺(tái)量產(chǎn)時(shí)，都可以縮短調(diào)試周期、降低生產(chǎn)成本。