帶活動定位銷的負壓夾持工裝設計與研究

余 健

(嘉興南洋職業技術學院，浙江 嘉興 314003)

0 引言

高精度薄板類零件銑削加工，工件變形是影響零件加工精度的主要因素，采用高速銑削加工可較好地避免因切削力、切削熱、切削振動等因素導致的工件變形，保證了零件的加工精度[1]。然而薄板類零件由于自身的結構特點，給加工中的裝夾帶來困難，目前比較常用的有502脫水膠合裝夾、壓板裝夾和負壓夾持裝夾。

502脫水膠合裝夾，待加工完畢后，再二次使用丙酮溶去膠水，工藝施工過程復雜、加工周期較長、零件變形和零件受腐蝕情況嚴重[2]。壓板裝夾不僅對操作人員的技術要求高，而且裝夾困難，效率低，在銑削過程中受力不均衡及零件剛度的變化引起的變形無法控制，容易造成零件報廢[3]。采用負壓吸附裝夾，定位方便，裝夾效率高，工件所受夾緊力均勻分布，大大減小了因夾緊力造成的工件變形，提高了零件的加工精度[4]。本文介紹一種高效、可靠帶活動定位銷的負壓夾持工裝設計。

1 負壓夾持工裝結構及工作原理

負壓夾持工裝結構如圖1所示，其工作原理是：工件2通過活動定位銷1定位，密封板3上均布有氣孔，在工件2、密封板3和腔體5之間形成密封腔6，密封腔通過氣控回路與真空泵相聯，工作時，啟動真空泵，氣控系統控制真空泵將密封腔抽成真空，依靠大氣壓力將工件壓緊，加工完成后，氣控系統切斷密封腔與真空泵的連接，密封腔接通大氣，真空釋放，松開工件。

2 系統夾持力計算

密封板上的吸附氣孔要均勻分布在密封槽區域范圍內，以保證工件夾緊力的均勻性。孔徑太大，夾緊力和軸向銑削力在吸附氣孔位置會造成工件的局部變形；孔徑太小，吸附氣孔的分布密度相應增加，放置工件時容易在工件周邊出現個別吸附氣孔不能密封的現象，工件不易吸牢，造成工件報廢[5]，經分析研究本工裝氣孔直徑設計為8 mm，單密封腔上氣孔個數為294個。

圖1 負壓夾持工裝結構

2.1 夾緊力的計算

根據夾具的結構及工作原理，本夾具單個密封腔產生的夾緊力為：

F=(Pa-PO)A

式中，F為單個密封腔產生的夾緊力，單位N；Pa為大氣壓強，為0.1 MPa；PO為真空腔剩余壓強，一般為0.01～0.015 MPa；A為有效工作面積，單位mm2，其大小由密封板工作面積、密封板上氣孔分布密度及氣孔直徑大小所決定。

式中，AO為密封板工作面積，其大小為所加工工件的面積，單位為mm2，單密封腔夾緊，工件面積為70400 mm2；氣孔直徑d為8 mm，氣孔個數n為294個，取真空腔剩余壓強PO為0.15 MPa，計算得到單個密封腔產生的夾緊為4728 N。

2.2 吸附力的計算

F吸=F·μ

吸附力即為工件和密封板上表面間的摩擦力，其大小與夾緊力F成正比，也與工件和上密封板間摩擦系數μ的大小成正比，取鋁-鋼副間滑動摩擦系數μ=0.2，單密封腔工作所產生的最大吸附力為972 N。

2.3 切削力的計算

銑削材料為鋁合金，銑削以立銑和端面銑為主，其切削力分別為：

1)立銑時銑削力[6]

2)端面銑時銑削力[6]

式中，CF為材料切削系數；KF為切削力修正系數；ap為切削深度，單位為mm；af為每齒進給量，單位為mm；do為銑刀直徑，單位為mm；B為切削寬度，單位為mm；Z為銑刀齒數。

立銑時，選用整體式3刃硬質合金立銑刀，銑刀直徑20 mm，主軸轉速2000 r/min，切削寬度取刀具直徑的70%，切削深度0.5 mm，每齒進給量0.1 mm，經計算切削力為60.16 N。

端銑時，選用主偏角為45度的6刃機夾式面銑刀，銑刀直徑64 mm，主軸轉速1000 r/min，切削寬度取刀具直徑的60%，切削深度1 mm，每齒進給量0.1 mm，經計算切削力為92.21 N。

2.4 可靠性分析

為保證零件能被吸緊，在銑削加工中不會發生移動，必須使零件所受到的吸附力即零件與密封板上表面間的摩擦力遠大于銑削力。上述切削力計算中，所選用的加工參數已是本工件在銑削加工工藝設計中所能產生的最大銑削力，立銑時切削力為60.16 N，端銑時切削力為92.21 N，其值已遠小于單密封腔夾緊所產生的吸附力972 N，理論上完全能滿足本工件的加工裝夾要求。

3 負壓夾持工裝設計要點

3.1 活動定位銷設計

活動定位銷結構如圖2所示，主要由復位彈簧、緊定螺栓、活動銷和密封套組成，定位機構與腔體及上密封板間構成為封閉區域并通過腔體壁上小孔與真空腔相連，啟動真空泵，密封腔內被抽成真空后，在大氣壓力作用下，活動定位銷沉入密封板中，不干涉零件輪廓的加工，當加工完成，真空釋放后，在復位彈簧作用下活動銷被彈出，恢復定位功能。緊定螺栓對活動定位銷起限位作用，密封套設計為可拆卸式，當磨損后方便更換。

3.2 密封腔及密封結構設計

密封腔設計成雙腔結構如圖3所示，可通過氣控回路實現兩個密封腔的獨立控制，因此對于小型工件可一次裝夾兩個，大型工件由兩密封腔共同作用完成裝夾，擴大了夾具的裝夾尺寸范圍。密封板與腔體間由定位銷定位，并通過16顆內六角螺栓相連，腔體與密封板接觸的表面上開設有U型槽，內裝密封圈6。密封板上表面也開設有U型槽，O型密封圈7置于其中，真空泵開啟，工件在大氣壓力作用下將O型密封圈7壓入到密封板上表面的U型槽中，保證了工件與上密封板間的密封效果，當密封圈因老化、磨損、腐蝕等影響真空腔的密封效果時，需及時更換。

圖3 密封腔結構圖

3.3 真空控制系統設計

真空系統根據真空發生裝置可分為真空泵系統和真空發生器系統兩種，本工裝采用真空泵系統，真空泵是吸入口形成負壓，排氣口直接通大氣，兩端壓力比很大的抽除氣體的機械[7]，工裝氣路原理如圖4所示。

真空腔8和真空腔13分別由二位三通電磁換向閥6和15控制，兩真空腔既可同時工作也可單獨工作。粗加工、半精加工及精加工時，工件所受銑削力相差較大，可通過調壓閥4調節氣路中真空度壓力值。二位三通電磁換向閥6和15通電，真空泵開始對真空腔8和13抽真空，當真空度達到真空壓力開關16所設定的壓力值時，發出信號，可以進行銑削加工。過濾器安裝在真空腔和二位三通電磁換向閥之間，可阻止油液、鐵削、粉塵等物質進入氣路，防止真空系統中的元件受到污染而發生故障。

圖4 氣路原理圖

真空壓力表用來檢測氣路的壓力值，當真空泵因故障停止工作，回路中真空度下降，單向閥2可快速切斷回路，穩壓罐3起保壓作用，延長真空度下降的時間，以防止因吸附力突然減小工件位置發生偏移，給操機人員采取補救措施預留出足夠的時間。

銑削完成后二位三通電磁換向閥6和15斷電，真空腔8和13與真空泵斷開，大氣通過真空破壞電磁調速閥進入真空腔，破壞真空，工件所受吸附力消失。真空破壞電磁調速閥可調節進氣速度，其進氣口連接有消聲器，可降低進氣噪聲。

4 結論

此真空吸附工裝，性能可靠，定位方便，裝夾迅速，在提高裝夾效率的同時能有效減小因裝夾力造成的工件變形。夾具通用性強，活動定位銷既能實現零件的快速定位，又不干涉零件輪廓的加工，對板類零件裝夾提供了一個新的解決方案，具有很大的推廣意義。