復(fù)合式仿形吸附實(shí)現(xiàn)異形薄壁結(jié)構(gòu)件優(yōu)質(zhì)高效加工

袁保寧

江蘇自動(dòng)化研究所 江蘇連云港 222000

特級(jí)技師 袁保寧

1 序言

某產(chǎn)品液冷的冷板如圖1所示，作為承載散熱作用的異形薄壁結(jié)構(gòu)件，對(duì)尺寸精度及變形控制量都有嚴(yán)格的要求。常規(guī)加工工藝無(wú)法確保工件的優(yōu)質(zhì)、高效加工，而采用真空吸附裝夾加工技術(shù)的通用吸盤(pán)只適用于一般平板類(lèi)工件加工，定制采購(gòu)方式則生產(chǎn)周期長(zhǎng)且價(jià)格十分昂貴[1-3]。為此，針對(duì)工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合部門(mén)現(xiàn)有條件，以真空吸附技術(shù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了復(fù)合式仿形吸附工藝方案。

圖1 冷板

2 復(fù)合式仿形吸附實(shí)施方案

2.1 真空吸附裝置的確定

根據(jù)部門(mén)實(shí)際情況設(shè)計(jì)完成的真空吸附裝置工作流程如圖2所示。該裝置主要由真空發(fā)生器、自制復(fù)合式仿形真空吸盤(pán)、真空負(fù)壓表以及連接控制管路等部分組成。后續(xù)對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，選取使用壓力范圍適合車(chē)間機(jī)床工位端壓力值的真空發(fā)生器，從而取消過(guò)濾減壓閥；利用帽形消聲器取代真空過(guò)濾器并直接安裝于真空吸盤(pán)，實(shí)現(xiàn)了真空吸附裝置的簡(jiǎn)潔化、集成化。

圖2 真空吸附裝置工作流程

（1）真空發(fā)生器型號(hào)確定 與真空泵相比，真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格低且安裝方便，與配套件復(fù)合化容易，真空的產(chǎn)生和解除較快，適用于所有可提供壓縮空氣的場(chǎng)所。結(jié)合車(chē)間現(xiàn)有壓縮空氣的性能指標(biāo)以及實(shí)際加工狀況，最終確定真空發(fā)生器型號(hào)，該型號(hào)產(chǎn)品主要性能參數(shù)見(jiàn)表1，組合實(shí)物如圖3所示。

表1 性能參數(shù)及組合實(shí)物

圖3 真空發(fā)生器組合實(shí)物

（2）真空負(fù)壓表及連接方式 工件加工時(shí)工作區(qū)域環(huán)境惡劣，為保證對(duì)吸盤(pán)抽真空情況的有效監(jiān)控，并便于實(shí)時(shí)掌握真空負(fù)壓狀態(tài)，將真空負(fù)壓表以外置連接方式安裝于機(jī)床正面防護(hù)門(mén)內(nèi)側(cè)，解決了市場(chǎng)上常規(guī)吸盤(pán)無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)計(jì)弊端。真空負(fù)壓表工作實(shí)景及選用的各類(lèi)氣動(dòng)元件分別如圖4、圖5所示。

圖4 真空負(fù)壓表工作實(shí)景

圖5 各類(lèi)氣動(dòng)元件

（3）真空吸盤(pán)及附件 根據(jù)工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依托車(chē)間生產(chǎn)加工能力，決定采用自制仿形真空吸盤(pán)。

為實(shí)現(xiàn)真空吸附裝置的簡(jiǎn)潔化，定購(gòu)了外螺紋為G1/2、G3/8兩種規(guī)格的帽形銅金屬消聲器，直接安裝于抽真空孔中，利用其具備的過(guò)濾氣動(dòng)元件的功能，替代真空過(guò)濾器，達(dá)到真空過(guò)濾目的，避免加工產(chǎn)生的廢棄物對(duì)真空發(fā)生器的損害。消聲器及截面φ3.5mm密封硅膠圓條如圖6所示。

圖6 帽形消聲器及密封硅膠圓條

（4）仿形真空吸盤(pán)制作方案 具體方案如下。

1）材料：合金鋁板2A12H112。綜合考慮材料成本及加工效率，確定吸盤(pán)制作材料為合金鋁板2A12H112。

2）類(lèi)型：自制專(zhuān)用仿形。針對(duì)冷板加工面的不同結(jié)構(gòu)，加工制作對(duì)應(yīng)的專(zhuān)用仿形真空吸盤(pán)，確保真空吸附效果最大化并直接限制工件X、Y方向自由度。

3）吸附面結(jié)構(gòu)：需要設(shè)計(jì)密封槽、氣道、抽真空孔和吸附面布局。

根據(jù)選用密封繩規(guī)格，確定密封槽寬度尺寸為3mm，深度為2.5m。為使布線圓滑、順暢，保證密封效果，內(nèi)圓角半徑R≥3mm。

氣道設(shè)計(jì)槽寬3m m，兼顧抽氣效果和吸盤(pán)加工效率，槽深確定為0.6mm（通用吸盤(pán)則全部采用3mm×2.5mm尺寸規(guī)格）。

抽真空孔設(shè)計(jì)加工為孔口G3/8或G1/2管螺紋結(jié)構(gòu)，在吸附面與氣道相連，既作為抽真空通氣孔，同時(shí)也用于安裝對(duì)應(yīng)規(guī)格的外螺紋帽形消聲器。

根據(jù)工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，吸盤(pán)吸附面布局設(shè)計(jì)為分區(qū)域獨(dú)立分布，以并聯(lián)的方式接入主管路，確保真空吸附效果最優(yōu)化。

4）聯(lián)接方式：管螺紋聯(lián)接。吸盤(pán)側(cè)面相應(yīng)位置根據(jù)吸附面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)情況加工若干G3/8內(nèi)螺紋，以管螺紋聯(lián)接方式通過(guò)快速接頭與氣動(dòng)管路聯(lián)接，將整個(gè)真空吸附裝置串聯(lián)成一體。

5）吸盤(pán)固定方式：虎鉗夾持。工件外形尺寸較大，寬度方向更是達(dá)到452mm，車(chē)間配置的通用精密組合虎鉗夾持范圍只有400mm。為實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)的快速精準(zhǔn)固定，設(shè)計(jì)了截面如圖7所示T形結(jié)構(gòu)的吸盤(pán)架構(gòu)，充分利用機(jī)床現(xiàn)有型號(hào)虎鉗，實(shí)現(xiàn)了吸盤(pán)最廣泛的快速高效夾持，大大拓展了虎鉗夾持后的實(shí)際加工范圍。

圖7 T形吸盤(pán)架構(gòu)截面

6）加工工件輔助固定方式：夾持、壓緊。冷板存在大量通孔及各類(lèi)不同高度的凸臺(tái)，因此造成單位面積吸附力受到較大影響。在此狀態(tài)下，工件加工時(shí)承受的切削力不能過(guò)大，否則容易產(chǎn)生吸力不足、夾持不穩(wěn)的“飛活”事故，使普通加工中心的批產(chǎn)加工效率受到極大影響。為此，針對(duì)工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)增加了工件輔助固定方式。

吸盤(pán)外形尺寸比工件外形小0.04mm，在其4個(gè)側(cè)面分別加工共計(jì)6個(gè)M10深20mm的螺紋孔。同時(shí)制作對(duì)應(yīng)數(shù)量的起定位、鎖緊作用的擋塊。通過(guò)M10螺釘夾緊作用，直接有效限制了工件X、Y方向的平移和旋轉(zhuǎn)自由度。在吸附空白區(qū)域設(shè)計(jì)增加螺紋孔，通過(guò)螺釘，將工件直接固定在吸盤(pán)上，有效增加工件Z向固定效果。

經(jīng)過(guò)以上兩個(gè)方面的改進(jìn)，以吸附方式為基礎(chǔ)，有效集成了虎鉗夾持、壓板固定的優(yōu)勢(shì)，將工件有效夾持固定在吸盤(pán)中，解決了常規(guī)真空吸盤(pán)不適應(yīng)粗加工或半精加工需要大切削量的難題，為實(shí)現(xiàn)其高效加工提供了保證。使用復(fù)合式仿形吸盤(pán)制作方案完成的某型號(hào)真空吸盤(pán)實(shí)物如圖8所示。

圖8 某型號(hào)真空吸盤(pán)實(shí)物

至此，除去吸盤(pán)的材料及加工費(fèi)用，只需要花費(fèi)200多元即可建立一套有效集成、具有廣泛適用性的真空吸附裝置。優(yōu)異的匹配效果使整套裝置實(shí)際加工時(shí)真空度足夠高，確保了工件固定的穩(wěn)定可靠。

2.2 冷板數(shù)銑加工工藝

（1）工步一 冷板正面加工。根據(jù)復(fù)合式仿形吸附方案完成的冷板正面加工仿形吸盤(pán)如圖9所示，整個(gè)吸盤(pán)分為兩個(gè)獨(dú)立的真空吸附區(qū)域，以并聯(lián)方式接入主管路，側(cè)面6個(gè)擋塊用于定位及輔助夾緊。

圖9 冷板正面加工吸盤(pán)

加工方面，首先進(jìn)行上表面及外形加工（左側(cè)缺口不做），然后用φ10mm銑刀進(jìn)行型腔、凸臺(tái)及凹槽的加工，以及小徑刀的清角工作，該工步現(xiàn)場(chǎng)加工實(shí)景如圖10所示。

（2）工步二 冷板反面加工。針對(duì)冷板正面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及對(duì)變形量的控制要求，設(shè)計(jì)加工圖11所示冷板反面加工仿形吸盤(pán)。分別建立兩個(gè)對(duì)應(yīng)深度的吸附區(qū)，設(shè)計(jì)加工了6個(gè)抽真空孔，分為3組氣道以并聯(lián)方式接入主氣管，吸盤(pán)中對(duì)應(yīng)正面所有凸臺(tái)鏡像加工的沉框深度增加0.3mm，確保吸附面最佳真空效果。經(jīng)計(jì)算得出，吸盤(pán)吸附有效面積只占工件固定面積約52%。為彌補(bǔ)由于工件結(jié)構(gòu)造成的吸附力有所欠缺的問(wèn)題，在工件的通孔及外形缺口的適當(dāng)位置設(shè)計(jì)增加了1個(gè)M10、4個(gè)M6共計(jì)5處起鎖緊作用的螺紋孔，以增加工件固定強(qiáng)度，確保加工穩(wěn)定性。

圖11 冷板反面加工吸盤(pán)

加工方面，整體加工順序從上至下、逐層加工，最后完成通孔、外形缺口的銑削。切削參數(shù)采用與該裝夾方案匹配的高轉(zhuǎn)速、適宜吃刀量、大進(jìn)給模式，該工步現(xiàn)場(chǎng)加工實(shí)景如圖12所示。

圖12 冷板反面加工實(shí)景

3 使用效果及推廣應(yīng)用

采用復(fù)合式仿形吸附工藝方案，以極低的成本投入和高效的裝夾、加工，在普通加工中心機(jī)床成功完成了數(shù)百套工件的生產(chǎn)加工。經(jīng)檢測(cè)，在工件外形810mm×422mm全尺寸范圍內(nèi)，厚度公差＜0.05mm，整體變形量＜0.15mm，全部達(dá)到圖樣設(shè)計(jì)精度要求，加工完成的成品冷板實(shí)物如圖13所示。

圖13 成品冷板實(shí)物

復(fù)合式仿形吸附依托工件具體結(jié)構(gòu)，通過(guò)真空負(fù)壓吸附工件進(jìn)行切削加工，非常適合異形薄壁結(jié)構(gòu)并且對(duì)變形量、表面質(zhì)量要求較高的工件加工。其成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工件裝卸十分方便，裝夾效果受人為因素影響極小。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合具體產(chǎn)品工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在生產(chǎn)中進(jìn)行了廣泛的推廣應(yīng)用，相關(guān)工件的質(zhì)量和整體加工效率明顯提高。

（1）應(yīng)用實(shí)例一 集成式仿形真空吸盤(pán)及加工完成的工件實(shí)物如圖14所示。將兩種工件的吸附固定分別設(shè)計(jì)在同一吸盤(pán)的上、下兩面，G3/8螺紋孔將兩者串通，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了吸盤(pán)吸附固定加工的多任務(wù)化。

圖14 集成式仿形真空吸盤(pán)及工件實(shí)物

（2）應(yīng)用實(shí)例二 用于側(cè)面加工的“L形”立式仿形真空吸盤(pán)及現(xiàn)場(chǎng)加工實(shí)景如圖15所示。使用時(shí)吸盤(pán)直接固定于虎鉗，Y向作為真空吸附面，其“L形”用于支撐工件并實(shí)現(xiàn)Z向定位，側(cè)面加裝X向定位裝置。采用該工藝方案后，工件固定效果優(yōu)異，裝夾快速、方便，對(duì)確保工件加工質(zhì)量特別是在變形量的控制方面起到了重要作用。

圖15 “L形”立式仿形真空吸盤(pán)及現(xiàn)場(chǎng)加工實(shí)景

（3）應(yīng)用實(shí)例三 某產(chǎn)品背部蓋板如圖16所示，采用薄壁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，工件內(nèi)腔由1°斜面及R40mm圓弧面構(gòu)成，圖16為局部剖視放大圖。為此，設(shè)計(jì)加工了1°斜面仿形真空吸盤(pán)，將斜面轉(zhuǎn)換為平面，在普通三軸加工中心采用平刀與球刀相結(jié)合的方式完成內(nèi)腔加工。不僅可有效控制變形，而且加工效率得到數(shù)倍提高。

圖16 某產(chǎn)品背部蓋板

（4）應(yīng)用實(shí)例四 設(shè)計(jì)制作的龍門(mén)加工中心通用真空吸盤(pán)（1800mm×1200mm）及工件加工實(shí)景如圖17所示。利用該套裝置及工藝方案，順利地完成了工件生產(chǎn)加工，整體加工效率與以往同類(lèi)工件相比提高30%，加工質(zhì)量得到明顯提升。

圖17 龍門(mén)加工中心通用真空吸盤(pán)及工件加工實(shí)景

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)用愈發(fā)廣泛，異形薄壁結(jié)構(gòu)的工件加工已成為常態(tài)化。該項(xiàng)工藝方案的應(yīng)用，有效解決了此類(lèi)工件的優(yōu)質(zhì)、高效加工和變形控制難題，確保了批量生產(chǎn)的順利實(shí)施。