用負壓吸附夾具加工特殊形狀零件淺析

陳小雷

(廣東省茂名市高級技工學校，廣東 茂名 525000)

用負壓吸附夾具加工特殊形狀零件淺析

陳小雷

(廣東省茂名市高級技工學校，廣東 茂名 525000)

在實際機加工中,我們會經常碰到薄壁形狀零件、特殊零件等，由于這些零件壁薄、強度低、剛性差,在夾緊力、切削力的作用下容易產生變形。而特殊形狀的零件在加工過程中的裝夾是必須要首先解決的問題。如果工藝安排不好，裝夾出現問題，那么就不單單是影響零件尺寸精度、表面粗糙度等的問題，很可能會產生大量的廢品。如果同時存在薄壁而且形狀不是很規則，那將進一步增加加工難度。現設計了一種負壓吸附夾具，通過主軸轉動產生的離心力將氣壓塞上頂，使工件與夾具接觸面間的空氣面積增大，形成大氣壓強，在大氣壓的作用下將工件吸附在夾具上。此夾具可有效控制車削零件產生的變形與振動，并且能有效解決裝夾問題。

薄壁；特殊形狀；負壓吸附夾具；刀具；切削用量

圖1

圖1所示是我們要加工的零件圖及實體零件，其外圓弧面及孔已經加工完畢，現在我們要把內圓弧面加工出來。所以其表面質量以及裝夾定位是該零件最主要的加工難點。同時因為該零件為鋁料，所以其剛性差、強度弱，采用一般的裝夾方法，在加工中工件極易振動、變形，表面質量及尺寸精度難以保證，批量加工時效率低。針對此零件形狀特殊的特點，需設計一套專用夾具裝夾，提高工件的剛性，以保證零件的尺寸精度和形位公差達到圖紙技術要求，提高加工效率。

1 設計思路

1.1 專用夾具須包括夾具體、定位元件、夾緊裝置三個基本要素

1.2 專用夾具在生產加工中要有以下作用

（1）提高生產加工效率。（2）保證零件的加工精度。（3）改善勞動條件，降低對操作工的技術要求。

1.3 車床上的專用夾具除了要達到以上條件外，還要滿足以下要求

（1）夾具上定位裝置的結構和布置必須保證工件被加工表面軸線與車床主軸軸線重合。（2）夾緊裝置能產生足夠的夾緊力。車床夾具大多安裝在主軸上，工作時隨主軸一起旋轉產生較大離心力，因此，夾緊裝置應保證夾緊元件不松脫。

1.4 針對此碗形零件主要從以下兩點著手

（1）零件的型腔是需要我們加工的，而外形都以完成精加工。所以如果要大批量生產必須有專用夾具，而此夾具應用氣壓產生夾緊力。（2）要使夾具的真空位置完全密封，否則夾緊力不夠，導致零件脫落，容易造成安全事故。

2 夾具結構及力的計算

圖2

圖2是設計用以加工這種特殊形狀的專用夾具。該夾具由一整塊101×φ145.4的45號鋼制成，為一個整體，提高平衡度，減小振動。夾具的真空位置是本夾具的關鍵，為使夾具獲得足夠的吸附力以夾緊工件，在夾具直徑為145mm的圓面上開4個氣壓孔。同時為了形成吸附形腔，在側邊開4個螺絲孔，與夾緊面相通。

夾具的夾緊面與零件的圓弧面緊貼，為保證有足夠的吸附力，夾具的夾緊面要有凹槽，且在裝夾的時候在零件上分別墊上不超過15um的膠墊圈，以保證不能形成空氣流。在使用過程中，夾具的吸附力一定要大于切削力才可進行裝夾加工，否則工件脫落，造成安全事故。下邊就力的問題進行計算，以驗證切削力小于吸附力。

2.1 體積的計算

先計算出V1、V2、V3的體積。V1為圓弧面的凹槽，其體積計算公式為：V1=2×π×h×l×r

其中h=0.1為型腔的深度，l=18.28為其長度，r=113.36為其半徑。這些參數都為已知參數，可以直接讀取。計算得：V1=1301.35mm3

V2為氣壓孔與夾具圓弧面之間的通孔體積。因為有4個這樣的通孔，所以其計算公式為：

其中r=1為空的半徑，h=8為空的長度。計算得：

V2=100.48mm3

V3為多個形狀的組合體積，同樣有4個，所以其計算公式為：

計算可得：V3=2141.2 mm3

所以夾具型腔的大約總體積為V總= V1+ V2+V3=5583.75 mm3

如果氣壓孔中的膠墊上升5mm，則夾具體的體積變化為V曾=4×π×r2×h1，計算可得：V曾=2260.8 mm3

由此可以計算出型腔中增大的體積可以產生多大的吸附力，與切削力比較可知夾具可不可用。

2.2 吸力的計算

體積增加前的壓強為：P0V0=nRT

公式中右邊為定量，P0為1個大氣壓。

體積增加后的壓強為：PV曾=nRT

所以P0V0= P V曾。由此可計算出體積增加后的壓強：P=0.712 P0

所以壓強差為：P差=P0-P1=0.288 P0

由公式F=P×S可計算出吸附力，其中S為夾具與工件接觸面的凹槽的面積，為S=2×π×l×r=130.135mm2由此可得：夾具型腔體積增大后的吸附力為F=P差×S=3747.89N。

2.3 切削力的計算

車床在車削加工過程中，切削力受背吃刀量、進給量、進給速度、車刀角度、溫度，材料硬度等各個因素的影響都會產生變化，所以采用切削力計算的經驗公式。而在實際加工過程中我的加工參數選擇為：被吃刀量ap=1mm，進給速度為0.2mm/r。由公式F=?b×S其中?b為我們使用的型號為LY12的鋁合金的剪切應力極限系數，S為切削時刀具與工件的瞬時接觸面。S=ap×f，ap為背吃刀量，f為進給速度。查表可知?b最大值為427MPa，由此計算可得：F=42.7N。

比較吸附力和切削力可知，吸附力遠大于切削力，所以本夾具完全可以吸附夾緊零件。

3 夾具的技術要求及加工方案

設計本套夾具需要解決以下幾個問題。（1）夾具夾緊面的圓弧與零件的圓弧面結合時不能有過大的誤差，否則對真空空間的形成產生影響。（2）夾具夾緊面要開有凹槽，可以有效的形成真空，提高夾緊力。（3）裝夾時夾具裝夾面的墊圈。要在凹槽的上下各一個，可以防止由于夾具與零件的配合間隙產生的空氣流通。（4）氣壓塞的位置要有兩個膠墊，其中一個為導向作用，一個為密封作用。（5）螺絲位要使用密封膠，有利于形成密閉空間。

4 定位裝夾與加工

把夾具直接用三抓卡盤夾緊，零件放入夾具中，使接觸面完全接觸，調整好膠墊圈的位置，放入零件，旋轉頂塞，抽動氣壓塞，使零件預緊，轉動主軸，夾緊工件。經過多次驗證，四個氣壓孔完全可以提供足夠的夾緊力。在加工過程中合理選擇刀具和加工參數有利于提高零件的加工精度。因此刀具的選擇非常重要。粗車時選用刀尖圓弧半徑為0.8mm的車刀，半精車加工時選用刀尖圓弧半徑為0.4mm的車刀，精車時選用刀尖圓弧半徑為0.2mm的鋒利車刀，將切削力降到最低。同時也要合理的選擇加工參數。主軸轉速盡量采用高轉速，一是可以提供更大的吸附力，使零件裝夾的更緊，還可以降低切削力。同時采用小切削量高進給來加工，這樣既可以保證零件的加工質量又可以保證零件的加工效率。

5 使用效果

經實際使用檢驗，本夾具具有以下優點：（1）夾具開敞，待加工表面充分暴露在外，便于編程，加工方便安全。（2）夾具的剛性和穩定性好。（3）工人使用操作方便，加工效率高。（4）保證碗形零件質量穩定，產品合格率98%以上。

[1]胡建新主編.數控加工工藝與刀具夾具[M].機械工業出版社，2010年4月第一版.

[2]徐鴻本主編.機床夾具設計手冊[M].遼寧科學技術出版社，2004年3月第一版.

TG751

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1671-0711（2017）12（上）-0118-02