一種小型薄片類零件精密粘接夾具的優化研究

程建軍，吳慶峰，尚振東

(中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621999)

粘接結構[1]是一種常見的連接結構，區別于焊接[2]、鉚接[3]、螺裝[4]等裝配結構，粘接結構可以實現異質材料，尤其是熱膨脹系數差異較大材料間的可靠連接，同時，粘接結構所需的零件種類少，可以在較為狹小的有限空間內實施，對操作空間的要求較低。此外，粘接結構由于分布式連接的特點，避免了鉚接和螺裝等工藝中的應力集中等不利因素，且由于粘接工藝的工藝條件相比于焊接等十分溫和，對被連接的零件及其周圍零件的影響較小[5-6]。基于上述特點，粘接工藝特別適合于精密產品和小型產品的裝配過程[7]，也適合于精密加工中零件的精確定位與裝夾[8]。

影響粘接質量[9-10]的主要因素有粘接劑(膠)、待粘接表面狀態、粘接工藝和粘接夾具，在粘接劑、待粘接表面和粘接工藝給定后，影響粘接質量的主要因素為粘接夾具。粘接夾具[11]對粘接質量的影響主要體現在：1)是否能夠保證被粘接對象間的相對位置；2)是否能夠在粘接中施加合適的粘接壓力；3)是否能夠在盡可能不影響被粘接結構的條件下釋放被粘接體。

圖1所示為由2種薄片型零件組合而成的裝配結構，其中零件1和零件2為2種不同的非金屬材料，該結構由于零件尺寸較小(2個零件的厚度均不足1 mm)，剛度較低，且需要保證裝配后零件2上表面和零件1下表面平整無變形等要求，只能采用粘接方式實現。其主要粘接工藝步驟為：清洗→涂膠→靜置→零件第一次加溫→涂第二遍膠→靜置→零件第二次加溫→零件組合→夾具定型→高溫固化。在該工藝過程中，需要通過夾具保證零件1和2之間的相對位置關系，同時由夾具在兩零件之間施加一定的壓力，保證兩粘接面的緊密貼合，因此粘接夾具是保證該粘接結構質量的關鍵。本文將針對該粘接過程，重點介紹夾具的設計與優化。

圖1 粘接結構示意圖

1 原夾具介紹及存在的問題分析

原粘接夾具如圖2所示，整個夾具主要由底座、可動托板、壓塊、壓桿、預緊彈簧、鎖緊螺母等部分組成，工作中一次性可以裝夾12組待粘零件，待粘零件通過手動調整好位置后放置于可動托板，移動可動托板至壓塊正下方，通過逐一旋轉鎖緊螺母，可以給各組待粘接零件施加所需的壓力。該夾具中，預緊彈簧的作用是通過彈簧力的緩沖，使鎖緊螺母的旋緊力能夠平穩地傳遞到壓塊上，同時在預緊螺母釋放過程中可以由彈簧狀態直觀地判斷預緊力大小。在粘接完成后，通過懸動鎖緊螺母，可依次松開壓塊施加給待粘接零件的壓力，待所有鎖緊螺母旋緊后壓桿提升，便可以通過可動托板整體取下所有粘接好的零件。

圖2 原粘接夾具結構

該夾具使用過程中面臨的主要問題如下。

1)現有粘接夾具裝夾缺少定位裝置，零件憑目測擺放至可動托板上，誤差較大(見圖3)，如果與上模(壓塊)錯位后，將導致粘接強度不夠。

圖3 原粘接夾具中由于缺乏定位裝置容易導致零件擺放位置不準

2)一次裝夾12組待粘接零件，雖然可以提高效率，但由于預緊螺母件相隔距離較近，實際操作不夠方便(見圖4)。

圖4 原粘接夾具在釋放彈簧中預緊螺母間間距過小，操作不便

3)由于粘接過程需要高溫(一般為180 ℃)固化，夾具在經歷反復的高溫過程后，預緊螺母處的螺紋容易發生銹蝕粘連，導致預緊困難。

4)原粘接夾具壓緊后狀態如圖5所示。預緊彈簧容易歪斜，導致下壓力的方向和大小發生波動，且壓裝過程中易發生壓塊與粘接體間的相對位置偏移，造成施加壓力不夠準確，都將使粘接后零件無法滿足要求。

圖5 原粘接夾具壓緊后狀態

2 新型夾具設計

針對原有夾具使用中面臨的上述問題，本文優化了原有夾具設計，主要優化如下。

1)在可動托板上增加了浮動定位銷。原夾具中，可動托板為一個較為簡單的平板結構，新設計的夾具在原平板結構基礎上，增加了浮動定位銷[12](見圖6和圖7)，定位銷利用零件1兩端的U型缺口將零件1固定(零件2與零件1之間的位置由粘接劑固定)，在零件裝夾過程中由零件1和零件2組成的粘接體在可動托板上的位置固定，避免了圖3所示的粘接體擺放位置誤差。此外，定位銷釘設計為可動結構，當托板下表面貼緊在夾具底座上時，銷釘向上彈出，可用來固定零件1，當粘接完成、將可動托板從夾具中取下時，在內部彈簧作用下，銷釘自動縮回，方便粘接好的零件從托板上順利取下。

圖6 新夾具在可動托板上增加浮動定位銷

圖7 可動托板上浮動定位內部銷結構示意圖

2)改進預緊機構。原結構預緊機構采用螺旋釋放形式，操作空間狹小，12個工位依次釋放時間耗時過長。改進后的鎖緊機構如圖8所示，采用偏心凸輪機構和杠桿原理進行鎖緊，通過手柄轉動偏心凸輪控制壓桿的上下，大大提升了壓桿下壓行程的一致性，相應地，壓緊力的一致性也同步得到提升。同時，該結構可以一次性完成所有零件的夾緊和放松，在實際使用中，上述鎖緊和放松可在2 s之內完成，極大地縮短了工件預緊時間。通過上述改進，有效化解了原夾具中逐個旋轉預緊螺母時操作空間不足和操作時間過長的問題。此外，新夾具中也優化了彈簧和壓桿之間的定位面為圓柱面，有效解決了下壓過程中彈簧容易偏斜的問題。

圖8 新夾具中的鎖緊機構示意圖

3)優化壓塊結構。原夾具中，壓塊和壓桿為2個自由體，在使用中需要手動擺放壓塊到待粘接體正上方，在懸緊預緊螺母壓裝過程中，壓塊位置容易偏移，嚴重時需要懸松預緊螺母重新操作。在新夾具中，將壓桿和壓塊設計為組合結構(見圖9)，在下壓過程中壓塊的位置由壓桿固定，有效避免了由于壓塊竄動造成的粘接失效。

a) 原結構 b) 組合前 c) 組合后

通過上述優化，最終的夾具如圖10所示，其工作原理與原夾具類似，但大大提升了易用性和使用效率，減輕了操作難度和操作強度，更加容易保證操作過程的一致性，有助于提升產品粘接質量。夾具優化前后效果對照見表1。

圖10 新夾具最終結構

表1 優化前后效果對照表(12個零件一組)

3 結語

本文介紹了一種小型薄片類零件精密粘接夾具的優化過程，首先系統分析了原有夾具在使用中的各種不便，然后有針對性地優化了夾具結構，主要是在可動托板上增加了一種浮動定位銷釘結構，解決了零件批量擺放中位置誤差大的問題；改進了鎖緊機構，利用偏心凸輪和杠桿機構，實現了快速、一致地將待粘接零件鎖緊；優化了壓緊結構，解決了下壓過程中壓塊位置偏移的問題。通過上述優化和改進，新設計的夾具可以有效提升操作便捷性，減少操作時間，同時提高了產品合格率和一致性，在實際中取得了良好的應用效果。