鋁擠型散熱片薄壁件加工工藝分析與夾具設(shè)計(jì)

肖建章

摘 要：本文主要講述了鋁擠型散熱片薄壁件在CNC加工中的夾具設(shè)計(jì)。在高精度、易變形的鋁擠型散熱片的加工中，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、精度的前提下，利用氣動(dòng)夾具裝夾零件，操作方便，能大大地減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。氣動(dòng)反應(yīng)速度快，可以一次裝夾多個(gè)零件，因而在生產(chǎn)過程中能縮短裝夾、對(duì)零、拆卸工件等輔助工前時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)際生產(chǎn)中還可以實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)，節(jié)省投資成本，實(shí)現(xiàn)快速盈利。大批量的生產(chǎn)活動(dòng)中還可以采用氣動(dòng)夾具通過電磁閥等電子元器件實(shí)現(xiàn)與設(shè)備聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，進(jìn)一步縮短加工過程中的輔助時(shí)間，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)較大的盈利。

關(guān)鍵詞：鋁擠型散熱片 夾具設(shè)計(jì) 氣動(dòng)裝夾

鋁擠型散熱片由于熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)﹑密度小﹑價(jià)格便宜，所以得到了各大廠商的青睞，普遍裝載在電腦CPU、易發(fā)熱電子元件的散熱裝置上，用途廣泛。

圖1所示為廣州吉川機(jī)電裝備有限公司加工的鋁擠型散熱片薄壁件，零件材料為AL6063鑄件薄體，加工量為5000個(gè)。該零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要是由很多薄壁片組成，散熱片厚度為1mm，高度為6mm，散熱片不均勻地分布在最薄僅為2mm厚的底板上，而且需要多面體加工，加工難度高。按此加工本零件假如采用通用裝夾的方式就容易出現(xiàn)變形、彎曲現(xiàn)象，且不能滿足日常生產(chǎn)的效率。為了解決此難題，本文結(jié)合企業(yè)大批量生產(chǎn)的加工要求，分析并設(shè)計(jì)一套基于數(shù)控加工工序分散的工藝方案及二道加工工序氣動(dòng)快速裝置，從而有效提高工件的生產(chǎn)效率和加工精度，應(yīng)用效果良好。

一、工藝分析

1.零件加工工藝分析

此散熱片在購買時(shí)外形尺寸是為213.5mm× 117.5mm，因此需要經(jīng)過多個(gè)工序來完成。

工序一：裁剖，工序圖如圖2左圖所示，采用普通夾具夾持即可。

工序二：CNC銑裁切邊，工序圖如圖2右圖所示，采用普通夾具夾持即可。

工序三：CNC銑背面及鉆孔，工序圖如圖3所示。經(jīng)過工序一和工序二的加工，零件外形尺寸為精料。為了批量生產(chǎn)和提高效率，這里設(shè)計(jì)了簡單的工裝定位裝夾，如圖4所示。依靠固定鉗口及側(cè)面定位，采用通用平口鉗裝夾，剛好是散熱片的縱向（薄片的受力方向），裝夾穩(wěn)定可靠、方便、快速且經(jīng)濟(jì)。

工序四：CNC銑正面避位，工序圖如圖5所示。

工序五：堿洗。

工序六：拋光背面。

工序七：素檢，平面度四周塞規(guī)全檢，中心反面檢一次。

工序八：電鍍。

工序九：打鉚釘。

通過對(duì)工序四的圖紙分析可知，圖中標(biāo)注粗實(shí)線部位為該工序所加工的部位。從其結(jié)構(gòu)可分析出，要完成這些加工部位會(huì)存在以下兩個(gè)問題。

第一，散熱片屬薄壁零件、剛性差，如果還是采用工序三的裝夾方式會(huì)存在夾緊力不好掌握的問題，夾緊力大了散熱片會(huì)產(chǎn)生變形，留下壓痕。夾緊力過小則會(huì)裝夾不穩(wěn)，加工時(shí)工件會(huì)產(chǎn)生位移。

第二，對(duì)于薄壁零件的加工，切削用量受到限制，切削深度和進(jìn)給速度過大，散熱片則會(huì)產(chǎn)生彎曲變形或產(chǎn)生“讓刀”現(xiàn)象，切削深度和進(jìn)給量過于小，則會(huì)影響生產(chǎn)效率。

2.確定零件加工工序四的裝夾方案

對(duì)鋁擠型散熱片的綜合分析比較得知，面對(duì)零件的外觀和變形都有較嚴(yán)格的要求時(shí)，需制作專用夾具，來實(shí)現(xiàn)該零件的裝夾并提高生產(chǎn)效益。

二、夾具設(shè)計(jì)

根據(jù)鋁擠型散熱片工序四的加工工藝分析可知，設(shè)計(jì)專用夾具可解決上述問題，夾具設(shè)計(jì)如圖6所示。

1.定位元件設(shè)計(jì)

在工序三完成后，零件底面的孔已經(jīng)加工完成，就是利用該零件上已加工的孔和定位板上表面實(shí)現(xiàn)“一面兩銷”定位。在定位板上設(shè)計(jì)六個(gè)圓柱，雖然屬于重復(fù)定位，但為了保證剛度，所以需要重復(fù)定位（孔位置和加工部位重合，因此孔的深度較淺，孔和銷的間隙較大）。同時(shí)，為防止壓緊時(shí)產(chǎn)生過行程，壓壞工件，根據(jù)工件的厚度，在定位塊上特意設(shè)計(jì)出四個(gè)行程限制凸臺(tái)。定位板最終設(shè)計(jì)如圖7左圖所示。

2.夾緊裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)工序四工藝分析，為解決夾緊力引起變形的問題，為保證夾緊時(shí)不把散熱片壓變形，盡量增大夾持面積，本夾具的方法是采用垂直向下壓緊零件，以平面的形式和散熱片頂面進(jìn)行全面接觸壓緊；又為防止壓傷工件，特在壓緊板的下面沾上防壓傷膠墊，設(shè)計(jì)如圖8所示。

針對(duì)夾緊力設(shè)計(jì)時(shí)采用氣動(dòng)夾緊，這樣就可以實(shí)現(xiàn)夾緊力可調(diào)并穩(wěn)定，可以把夾緊力調(diào)到合適的大小。因此，在壓緊板上設(shè)計(jì)四個(gè)帶腰形通槽安裝氣缸，可快速安裝零件并鎖緊，大大提高人工裝夾效率。

3.夾具體設(shè)計(jì)

夾具體是連接機(jī)床的本體元件，同時(shí)起著支撐定位元件的作用。根據(jù)夾具的設(shè)計(jì)要便于拆卸、通用性的原則，本夾具的夾具體采用較為簡單的長方體底板，底板兩邊設(shè)計(jì)兩塊支撐板連接定位板，四個(gè)氣缸根據(jù)對(duì)應(yīng)位置放置在底板上，最后用壓板壓緊在機(jī)床的工作臺(tái)上，結(jié)果如圖6所示。

4.輔助元件設(shè)計(jì)

為了保證壓緊板定位和重復(fù)定位精度，同時(shí)為了消除因氣缸申縮時(shí)引起的振動(dòng)，在定位板上設(shè)計(jì)安裝輔助定位桿，在壓緊板設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的限位槽，結(jié)果如圖6所示。

5.夾具的使用

夾具元件按夾具裝配圖裝配好后，需要再次校正進(jìn)行檢查夾具的平行，定位板上的所有凸臺(tái)最好是采用配做。檢查無誤后，把零件按照6個(gè)圓柱銷進(jìn)行定位放置，再把壓緊板放入氣缸伸縮桿的臺(tái)階位，推動(dòng)壓緊板到腰形通槽極限位置，撥動(dòng)氣壓閥的撥桿，氣缸伸縮桿回縮實(shí)現(xiàn)快速壓緊工件的目的。工件完成后按安裝相反步驟拿出壓緊板，最后取出工件完成產(chǎn)品的加工，如圖9所示。

6.夾緊力計(jì)算

在工作中，工件受切削力，所以要求夾具裝置產(chǎn)生的夾緊力足夠且自鎖性能可靠，同時(shí)要綜合考慮夾緊力不使工件或夾具變形。

本工件材料為AL6061鑄件殼體，σb=370MPa，所有部位均采用成形刀加工，齒數(shù)為4齒，直徑8mm，每齒進(jìn)給量fz=0.2mm，切削寬度等于毛坯余量ae=0.8mm，則銑削力。

其中：CF——銑削力系數(shù)，查表取294；xFC——銑削寬度ae的指數(shù)，查表取1；yFC——每齒進(jìn)給量fz的指數(shù)，查表取0.65；zFC——銑刀直徑d的指數(shù)，查表取-0.83；ap——背吃刀量為0.8mm；Ze——同時(shí)工作齒數(shù)4。

則FC=294×0.5×0.20.65×8-0.83×0.8×4=58N

在計(jì)算切削力時(shí)應(yīng)考慮安全系數(shù)。

安全系數(shù)K=K0·K1·K2·K3=1.7×1×1.4×1.2=2.856

其中：K0——基本安全系數(shù)，粗加工取大值1.5；K1——加工性質(zhì)系數(shù)，粗加工取1.2；K2——刀具鈍化系數(shù)，取1.2；K3——切削特點(diǎn)系數(shù)，連續(xù)切削取1.0。

則F=KFC=164.411N≈166kg。

根據(jù)氣缸所需夾緊力公式：

Q=F/（i·η·n）

其中：η——?dú)飧啄Σ料到y(tǒng)，取0.8；i——壓板與工件的摩擦系統(tǒng)，取0.8；n——夾緊氣缸個(gè)數(shù)，本夾具為4。

因此，氣缸所需夾緊力為：Q=F/（i·η·n）=165/（0.8×0.8×4）=64kg。

7.氣缸的選擇

根據(jù)夾緊裝置結(jié)構(gòu)可知，氣缸使用時(shí)是利用氣缸的拉力作為其夾緊力。根據(jù)氣缸輸出力（氣缸拉力）公式：

Q=P·（πD2/4）·η

其中：p——壓縮空氣壓力=6MAP=6kg/cm2；D——?dú)飧字睆剑╟m）；η——?dú)飧啄Σ料到y(tǒng)，取0.8。

根據(jù)氣缸伸出力（氣缸拉力）公式可知：

=4.12mm

通過以上理論計(jì)算，可以選擇直徑為6mm的氣缸。但是，考慮到由于銑削過程中每個(gè)刀齒的不連續(xù)切削，作用于每個(gè)刀齒的切削力大小及方向隨時(shí)都在變化，致使在銑削過程中產(chǎn)生較大的振動(dòng)，因此，夾具需有足夠的夾緊力。此外，考慮到工廠所供壓縮空氣壓力不穩(wěn)定、工件加工余量發(fā)生變化、零件材料缺陷，以及其他不可預(yù)見性因素的影響，為安全可靠起見，選擇直徑為10mm的氣缸，夾緊力是遠(yuǎn)大于切削力，所以該夾緊方案穩(wěn)定可靠。

三、小結(jié)

本夾具的設(shè)計(jì)遵循簡單化、制作方便、拆裝容易、便于品種更換的設(shè)計(jì)原則，保證零件在加工過程中不會(huì)產(chǎn)生彎曲變形、不壓傷，質(zhì)量得到保證。為了進(jìn)一步提高效率，還設(shè)計(jì)出一次裝夾加工多個(gè)零件，如圖10所示。

經(jīng)過大批量的生產(chǎn)證實(shí)，所確定的加工步驟和設(shè)計(jì)的夾具是合理的，能確保精度，從而減少加工成本。同時(shí)，此夾具的設(shè)計(jì)和原理可作為眾多易變形零件的參考，也希望得到更多工程師們的指點(diǎn)，達(dá)到共同進(jìn)步的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓鴻鸞.數(shù)控加工工藝學(xué)（第三版）[M].北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2011.

[2]李存霞，姬瑞海.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3]宋寶玉.簡明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4]王茂元.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[5]附利金.氣動(dòng)夾具于銑銷加工中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2011（5）.

（作者單位：廣東省高級(jí)技工學(xué)校）