一種三維鈑金件激光切割柔性夾具工裝設計

黃毅

摘要：本文通過對三維鈑金件激光切割加工工藝分析，設計了一種新型柔性夾具工裝，解決了傳統夾具制作耗時，適用性差、零件質量不可控等問題，該設計對三維鈑金高效、高精度加工具有很高的工程實踐意義。

Abstract： Based on the analysis of the laser cutting processing technology of 3D sheet metal parts， this paper designs a new type of flexible fixture tooling， which solves the problems of traditional fixture production time-consuming， poor applicability， and uncontrollable part quality. The design is efficient and effective for 3D sheet metal. High-precision machining has high engineering practical significance.

關鍵詞：三維鈑金件;激光切割;工裝設計

Key words： three-dimensional sheet metal parts;laser cutting;tooling design

中圖分類號：TG485? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0071-02

0? 引言

鈑金具有重量輕、強度高、導電（能夠用于電磁屏蔽）、成本低、性能好、大規模量產的優點，在通信、醫療器械、汽車工業、電子電器等行業有著廣泛的使用。現在鈑金件的加工越來越多的應用了三維激光切割技術，比如說在進行新產品開發或者小批量生產的時候，采用三維激光切割技術既能節省模具的使用量，又能減少新產品的開發周期。在三維鈑金件激光切割過程中，工裝夾具設計制造等輔助工作所占用的時間要占整個工作周期的絕大部分。如何快速準確地定位加工零件呢？就需要對三維鈑金件激光切割加工的夾具設計問題進行全方位研究，使其可以更好地應用于企業生產。

1? 三維鈑金件加工工藝分析

三維鈑金件主要由空間曲面構成（以左右前縱梁后梁連接板為例，如圖1所示），該零件其外形極其復雜，定位裝夾特別困難。在進行激光切割加工工作時，因為沒有切削力，夾具上一般都沒有夾緊機構，所以三維激光切割加工過程中不需要夾緊力。按照現有的激光切割裝夾工藝，是在三維鈑金件沖壓成型后，以型面較復雜、自由度約束較多的地方為定位點，然后，使用石膏粉與膠水按一定比例調勻而成的粘稠物連接固定在焊接好的支撐架上，制作定位模型，待模型涼干后，把支撐桿固定在工作臺上，在切割線的地方開槽，以免在切割時由于石膏模型的阻擋而無法割透鈑金件，然后再調試加工就可以了。

雖然此種工藝對鈑金類零件進行固定裝夾有很好的效果，但是也有以下幾種缺點和技術難點：第一，在進行加工的時候，會因為產生的熱量使石膏模蒸發出水汽，零件的接觸面在遇到水氣后容易生銹;第二，假如石膏定位模型使用時間過長，模型可能會收縮變形，這樣就會造成零件定位不準確;第三，每種零件的配套石膏模型夾具都是專一使用的，適應性差，裝夾固定校正效率低，夾具制作也消耗大量的材料和時間;第四，如何確保三維鈑金件3D曲面上的孔位尺寸和形狀輪廓尺寸要求（在0.1mm以內）;第五，要解決以上問題并設計出合理有效的夾具，既能使工件快速準確定位，又能減少工件變形，進而有效保障加工零件的質量。

2? 鈑金件柔性加工夾具設計

現有的三維鈑金件激光切割裝夾夾具設計制作工藝有上述缺點和技術難點，所以要研發一種新的柔性快速裝夾夾具，以解決上述缺點和技術難點。

2.1 夾具設計思路

以圖1左右前縱梁后梁連接板為例，為確保定位的準確性和快速性，以零件的安裝曲面特征點為工藝基準實現定位。

2.2 夾具設計步驟

①首先利用三維設計軟件UG，設計柔性切換支撐柱（如圖2）;②根據三維鈑金件曲面形狀選取定位點，設計插板式定位卡板（如圖3）;③根據三維軟件UG設計好的數據，導出夾具加工工程圖;④根據夾具設計圖紙，使用平面激光切割機加工插板，然后裝配各部件完成夾具的制作。

2.3 夾具設計說明

①柔性裝夾夾具分為柔性切換支撐柱（圖2）和定位卡板（圖3）兩部分。柔性切換支撐柱由固定底板（圖2）、支撐板和鎖緊螺釘組成。柔性切換支撐柱固定底板做有4個U形固定槽，能將支撐立柱整體定位固定在三維激光切割機的工作臺上，支撐板上開有三維鈑金件定位卡板固定槽、固定螺紋孔，用以定位固定定位卡板。通過設計軟件UG使用投影功能，把平行線條投影至鈑金件定位的3D曲面上，然后拉伸成型，使定位卡板3D型面與鈑金件3D型面輪廓相吻合，從而達到定位支撐鈑金件的目的。

②柔性裝夾夾具組裝流程：支撐板通過卡板槽相互穿插定位，然后與固定底板通過焊接連接裝配成所述柔性切換支撐柱（圖2）;3D型面定位卡板通過卡板槽相互穿插定位，然后通過焊接連接裝配成所述的定位卡板（圖3）;根據定位卡板的特點合理選擇柔性切換支撐柱的數量，使之與定位卡板相配合通過定位卡槽、固定螺釘裝配成所述的柔性裝夾夾具（圖4），柔性裝夾夾具通過固定U槽與三維激光切割機工作臺上的螺紋孔連接固定;定位卡板的異形輪廓通過與零件3D型面貼合實現定位裝夾（圖5）。

3? 柔性裝夾夾具的主要功能和優點

①碳鋼板作為夾具的用材，取材比較方便，一些零件切割下來的邊角料，正好可以用來制作夾具。制作過程也比較簡單，利用平面激光切割機切割形狀和焊機點焊拼裝就可以，支撐柱使用數量根據零件大小來決定，夾具每塊鈑金重量約一到二公斤，單個立柱重量約十到十二公斤，這個重量正常成人均可抬起，方便裝拆。因為大部分夾具采用卡槽定位的形式，穿插即可，所以組裝方便，機動性好，適用面廣，大批量地生產有利于降低夾具制作成本。

②夾具裝夾零件效率高，通過鈑金件的3D型面設計切割成形的定位卡板輪廓，能夠快速裝夾定位，激光切割零件的質量有很好的可控性。

③夾具的適用性高，大多數激光三維切割零件都能夠適用，定位卡板為零件的主定位，支撐柱、固定卡板為輔助定位。這種夾具還能根據零件大小的不同來合理選擇支撐柱的使用數量;而且零件型面不同，只需簡單修改定位卡板與零件型面貼合部分（即異形輪廓），就能讓夾具能同時固定定位數個相同或不同的零件，提高零件固定裝夾與切割效率的同時還減少了工裝夾具成本。

4? 新型激光切割工裝的優勢

①對比傳統定位工裝的制作方案、制作工藝，新工藝主要優勢有三點：一是由于新型工裝使用了交叉拼接、一體焊接的形式，穩固性好，輕易不會發生變形，重復定位的時候精度較高，需要調整的地方少：二是新型工裝采用正向設計思路，運用三維數模軟件設計支撐截面、裝配插槽及工裝定位;三是可以組合應用，在一定情況下可以根據工序件的實際大小，分別設計多個小單元進行組合應用，這樣的組合應用使一體大型工裝不易存放、移動等缺點得到了解決。

②對比傳統定位工裝的激光切割工藝流程，新工藝流程主要優勢為：第一，在基準樣件的使用上，新型工裝切割樣件可以不用，這樣數控加工中心的輔助工作就會減少很多。而且整個工裝都由薄板制成，大大節省了生產成本的投入;第二，對比傳統模式，現在的新型工裝設計、制作，程序的編寫均可在模具設計后進行，試制件生產流程的改動起到了縮短生產周期，提高生產效率的作用。

5? 結論

本文通過對比傳統與新型定位工裝的制作方案，得出新型工裝采用正向設計，不易變形，重復定位精度高，修整量小。通過對比傳統與新型定位工裝的激光切割工藝流程，得出新型定位工裝制作成本低，生產周期大幅縮短，生產效率也得到了很大提高。在實踐過程中，利用該快速裝夾夾具進行了不同零件的加工，經過測量，所有尺寸都符合零件圖紙設計要求，質量可控性均得到有效保障，夾具的整體結構使用壽命不受影響。

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