自制真空夾具及應用

■ 航空工業航宇救生裝備有限公司 （湖北襄陽 441000） 王立東

鋁板、聚氨酯板、聚四氟乙烯板和膠木板等薄板類零件在我公司的數控加工中應用廣泛，需要加工平面、外輪廓、內腔、長槽和階梯孔等，傳統的加工方法是采用工作臺面壓平、多次換壓的方法。由此造成以下問題：①此種加工方法所必需的生產準備和加工停頓時間過長，切削加工不能夠連續進行，嚴重影響生產效率。②壓板不恰當的作用力使工件存在被壓傷的可能性，壓緊力的不均衡容易造成鋁板加工后產生較大變形，多次更換壓緊位置的輕微位移可能造成工件接刀痕跡明顯，影響加工精度及外觀質量。③聚氨酯是一種有機高分子材料，板材軟且彈性大，壓板壓到的位置稍稍用力就會產生塌陷變形，壓不到的位置切削時極易隨著刀具切削力翻起產生嚴重過切，尺寸控制非常困難。

工件在夾具上的安裝和夾緊，是影響加工精度的重要因素。資料顯示，25%～50%的加工誤差是由于工件的安裝精度不夠和夾具的選擇不當所引起的。因此，能夠解決上述加工問題，滿足工藝技術要求，并且有效地提高產品的加工精度和生產效率，改革工裝夾具是重要途徑。

本文主要闡述一種經過摸索與實踐，能夠解決此類問題的自制夾具——真空吸盤。

1. 夾具用途

一種通用型夾具，主要應用于加工中心、銑床和平面磨床。能夠對鋁板、銅板及塑料板等非磁性板類零件的上表面、側面在一次安裝下完成所有加工，達到提質增效的目的。尤其對于易變形類零件，運用此夾具安裝，能夠更加容易控制零件的平行度、平面度等幾何公差，獲得更加優秀的加工質量。對于安裝困難的工件，在該夾具上的裝卸過程快捷方便，能夠大幅地提高生產效率。在自制吸盤平面精度能夠滿足要求的情況下，也可用于研磨作業。

2. 夾具的工作原理

依靠真空吸力吸附零件進行切削加工，操縱手扳閥控制氣流的進出達到工件的吸附和釋放。具體是對工件與吸盤接觸表面進行密封，通過真空發生裝置將工件與吸盤密封區域內的空氣抽出，使其達到真空負壓狀態。工件在真空的作用下，上、下兩個面所產生的壓力差，使工件產生了一個向著吸盤的力。切削加工時，在切削力的作用下，產生的這個力作用于工件與吸盤的接觸界面形成摩擦力，當摩擦力大于切削力時，工件能夠牢固的吸附在吸盤表面，滿足工作需要。

3. 夾具結構

（1）主體結構 如圖1～圖3所示，夾具主體結構的吸盤和底座可使用45鋼制作，在粗加工后需進行調質處理，使硬度達32～38HRC，精加工時精磨加工各個平面，保證各處平面度、平行度以及相鄰兩面的垂直度≤0.02mm。裝配完成后，再次精磨主體結構上下平面，保證上下平面的平行度、平面度≤0.01mm，精加工主體結構上表面的密封槽，保證槽底與主體上表面的平行度≤0.02mm。最后，對主體結構進行表面發藍處理，對吸盤上平面進行滲氮處理，增加其防腐和表面的硬度及耐磨性。

圖1 主體頂部示意

圖2 主體底部示意

本夾具主體結構主要包括吸盤、底座、蓋板和防護罩。吸盤與底座通過螺栓、定位銷聯接定位，底座與蓋板通過螺釘8聯接固定。吸盤、底座和蓋板之間形成的封閉腔體結構，可安裝固定真空回路元件和管線。底座的側面加工有安裝孔A和安裝孔B，用以聯接固定真空回路的控制元件和真空表。防護罩使用螺釘1固定在底座側面的適合位置，防護控制元件和真空表不被切削及切削液等損壞。吸盤上表面加工有縱橫均布的密封槽，密封膠條可根據所加工的大小不同、形狀各異的工件外輪廓在密封槽內任意圍合，形成密閉區域。在密閉區域內的密封槽可以通過真空孔聯接真空元件，形成完整的真空回路，實現工件在吸盤上的吸附和釋放。

（2）基本的氣動系統 如圖4所示，基本的真空夾具氣動結構主要由提供氣源的空壓站、穩定氣壓的儲氣罐、控制元件——氣動控制閥、產生負壓的真空發生器以及消聲器、過濾器和真空表等組成，這些設備和元器件通過導氣管和氣動管接頭聯接形成可控的真空回路。

4. 夾具的使用

分析工件受力情況，制訂夾具使用流程，具體如下所述。

（1）工件受力分析 工件在自制吸盤吸附下，工作時的受力情況如圖5所示。

圖3 主體結構

圖4 基本氣動結構示意

圖5 工件受力示意

自制吸盤吸附的工件，在其底面與吸盤真空槽之間形成的真空吸合區域內（真空吸合面積S1，單位cm2），產生了真空負壓，大氣壓力P1（N）作用在工件頂面。切削加工時，被吸附的工件受到切削力P2（N）的作用，作用于工件頂面的大氣壓力在工件與吸盤的接觸界面（接觸面積S2區域內，S2單位cm2），形成了抵抗切削力的摩擦力F（N）。

1）P1所示的大氣壓力，就是自制真空夾具對工件產生的吸合力。計算公式：吸合力P1＝氣壓P×吸合面積S。式中氣壓P為真空吸盤工作時產生的負壓（N/cm2），大小由自制夾具所能夠達到的真空度（kPa）決定。公式中的吸合面積S（cm2）是工件與吸盤之間形成真空吸力的吸合面積S1。S1是在密封條圍合的密封范圍內，工件底面與吸盤之間能夠形成真空的所有真空槽的面積總和。

由此可見，在真空度一定的情況下，自制吸盤吸合力的大小由S1決定，即P1＝P×S1。增大吸力P1的方法，是增大工件與吸盤之間形成真空的吸合面積S1。

2）銑削力（N）（即圖5中P2）的計算公式：

式中，FZ（P2）是銑削力（N）；CF是高速鋼銑刀加工不同材料的切削系數，其值查表；kF是高速鋼銑刀銑削力的修正系數，其數值根據銑刀的幾何角度查表；ae是切削層公稱寬度（mm）；af是每齒進給量（mm/z）；d0是銑刀直徑（mm）；z是銑刀齒數；ap是銑削深度（mm）。

理想的銑削力是在保證工件吸附牢固、加工安全的前提下，能夠獲得更高的生產效率和更好的加工質量。分析銑削力的計算公式及其各參數定義，在切削系數CF和修正系數kF確定的情況下，決定銑削力FZ大小的關鍵因素是刀具直徑、齒數的選擇以及切削用量的確定。可以通過選擇直徑較小、切削鋒利的刀具來減小扭矩和工件受力，從而增加工件吸附的安全可靠性。可以在機床性能允許的情況下，選擇高的主軸轉速、大的切削速度、小的進給量和切削深度，來達到減小切削力、提高生產效率和加工質量的目的。

3）摩擦力（N），圖5所示的S2是工件與吸盤之間的接觸面積。切削加工被吸盤吸附的工件時，在大氣壓力P1的作用下，接觸界面S2會形成摩擦力F來抵抗工件所受到的切削力，其大小可根據公式F＝μ×P1（μ為摩擦界面的靜摩擦因數，其數值可根據構成摩擦界面的材料配對查表）計算。摩擦力F的大小與接觸面積S2大小無關，工件在切削過程中，只有當切削力P2小于大氣壓力P1產生于S2面的摩擦力F時，工件才能保持穩定。反之，工件就會開始滑動甚至脫離吸盤飛出。

綜上所述，利用自制真空吸盤吸附工件進行切削加工，必須滿足的基本條件是：切削力小于摩擦力，即P2＜μ×P1。這是判斷自制真空吸盤使用性能的重要指標。一方面，關系到夾具使用過程中，必須時刻放在首要位置的安全可靠性。另一方面，在保證加工過程絕對安全可靠的情況下，能夠指導使用者綜合機床性能，對使用的加工刀具和切削參數進行優化調整，達到充分提高生產效率和加工精度、深入挖掘自制夾具使用潛力的目標。

（2）夾具使用流程 圖6是我公司某零件示意圖，材料為聚氨酯，采用數控加工，使用自制真空吸盤裝夾，工作流程大致如下所述。

圖6 某聚氨酯加工件示意

1）將自制夾具固定在數控機床工作臺面，聯接氣源。

2）把工件毛坯擺放在真空吸盤臺面上（見圖7），工件底面與吸盤表面用發泡膠條在密封槽內圍合密封，圍合的范圍應略小于工件外輪廓。要求毛坯底面平整光潔，以保證吸附的真空密封性。

圖7 毛坯安裝示意

3）工件受力計算與切削條件驗證：大氣壓力（吸合力）P1經計算，圖6所示工件面積為514.2cm2，圖7所示的加工前毛坯面積為677cm2，自制吸盤真空壓強P＝－85kPa，有效真空吸合面積S1＝265 cm2。

則吸合力P1＝P×S1＝－85×265＝2 207.45（N）。

摩擦力F：按照聚氨酯-鋼配對，查表得到靜摩擦因數μ為0.18。

則摩擦力F＝μ×P1＝0.18×2207.45＝397.34（N）。

銑削力P2：銑削此零件使用高速鋼立銑刀，主軸轉速5 000r/min，切削速度3 000mm/min，根據被加工材料和選用的高速鋼銑刀幾何角度查表得到系數CF＝167，kF＝0.92，切削參數預設ae＝16mm，af＝0.2mm/z，d0＝16mm，z＝3，ap＝1mm。

根據公式計算，銑削力P2（FZ）＝144.5N。

切削條件驗證：根據計算，銑削力P2（144.5N）＜μ×P1（2 207.45N），完全滿足該零件利用自制吸盤吸附加工的切削條件。

4）操縱手扳閥，打開真空回路，工件牢固地吸附在吸盤表面。觀察真空表，負壓顯示－85kPa，壓力穩定可以開始加工。

5）工作中，注意觀察真空表的負壓值是否穩定在正常范圍內（正常范圍數據可參考上述切削條件驗證方法進行計算）。

6）如圖8所示，聚氨酯毛坯在自制吸盤的吸附下，通過一次安裝可以完成此工件的所有加工，解決了傳統加工聚氨酯板存在的各種困難。加工精度能夠滿足工藝技術要求，生產效率可以提高40%左右。

圖8 加工完成示意

7）加工完成后，將夾具上的切屑及切削液等清理擦拭干凈。操縱手扳閥，關閉真空回路，取下從吸盤釋放的工件。

5. 夾具的經濟適用性

夾具的經濟適用性如下所述。

1）本夾具適用于有穩定氣源的任何場所。

2）夾具自身工作中所需的能源消耗低，用電量小。使用過程環保無污染，沒有光、熱和電磁等產生。

3）當通用型吸盤不能夠完全滿足于特殊產品的生產需求時，可針對該產品的加工特點，柔性化地設計、制作專用吸盤。

6. 夾具的安全可靠性

通過自制真空夾具并實際應用，單件或者批量加工上述鋁板和聚氨酯板等零件，得出以下結論：

1）聯接本公司集中供氣的空壓站，空壓站供壓為0.7～0.8MPa。安裝工件并合理密封底面，操縱手扳閥，使真空發生器達到工作狀態，真空表數值顯示負壓0.085MPa，負壓數值穩定。

2）工件底面與吸盤表面快速達到真空狀態后，貼合緊密且牢固。

3）根據不同的加工材料合理選擇加工刀具與切削用量，盡量選擇以高的主軸轉速、大的切削速度、小的進給量和切削深度切削加工以減小切削力，提高工件吸附的安全可靠性。

4）加工不同材質的工件通過運用不同的工藝方案，工件加工精度高、表面粗糙度好，完全滿足了工藝技術要求。加工平面平行度實測≤0.02mm。

5）氣源提供壓力的大小是決定真空夾具與工件之間真空度的重要因素，嚴重影響工件加工的安全可靠性。因此，夾具使用過程中，必須嚴格控制氣源的穩定和可靠。

6）突然的斷電和氣源故障等小概率事件，可能會使正在加工的工件產生滑動或者飛出而造成報廢，利用空壓站儲氣罐的緩沖作用可以延遲其突然性。因此，加工中應嚴密監測真空表數據變化，發現異常及時采取措施。

7. 夾具的綜合性能

夾具的綜合性能如下所述。

1）制作、使用和維護成本相對低廉，應用范圍廣泛。

2）解決傳統加工方法中的多次安裝夾緊以及壓變形、壓傷等問題。通過固定工件底面，一次性完成其他面的加工。工件裝卸快捷方便，加工精度高，提質增效效果明顯。

3）對于單件生產或者批量生產都能達到降低生產成本、減輕勞動強度的目的，能夠促進企業的節能降耗。

4）經濟適用性高，安全可靠性好。

8. 結語

本文所述的自制真空夾具結構簡單，通用性強。經過實踐驗證，使用方便，安全可靠，能夠很好地滿足生產需要。利用該真空吸附夾具高速銑削本文所述薄板類零件，有效地解決了傳統加工中存在的困難，有效地提高了加工質量和生產效率，為企業生產取得了良好的經濟效益。