薄壁件加工的柔性夾具研究現狀探討

朱 浩， 龍敦鵬

（湖南有色金屬職業技術學院， 湖南 株州 412000）

引言

隨著科學技術的不斷發展和進步，在進行薄壁件加工時使用的柔性夾具也不斷更新與升級。目前，有一種新型的柔性夾具，能對一定尺寸范圍內任何形狀和尺寸的零件進行安裝，在安裝的過程也不會受到薄壁件的影響，能夠克服薄壁件在加工過程中產生的裝夾變形，為加工質量和加工效率等提供了技術保證。

1 相變材料夾具分類

零件加工時采用相變材料夾具，須將零件放置于液相材料內，通過一定程度的刺激，液相材料能夠在物理形態上發生變化，由最初的液態化為固態，從而實現對零件的固定[1]。

一般情況下，相變材料的夾具包括真相變材料夾具和偽相變材料夾具。真相變材料夾具在工作的過程中真正實現了材料形態的變化，從最初的液態經過外力作用等變成了固態，在加工完畢后，其材料又會重新進行歸位，從固態又轉變成液態。偽相變材料夾具指的是在夾緊過程中，材料的流動性在外界因素的作用下發生了一定的變化。在進行零件安裝的時候，材料的狀態相對比較疏松，有助于夾緊，可實現工件的固定，保持材料的狀態穩定性，就可保證安裝效果。在工件正式安裝后，對這些懸浮顆粒介質施加壓力，在這樣的狀態下懸浮顆粒往往不能進行流動，可實現對工件的固定，將其進行定位和夾緊。

真相變材料夾具主要有溫度流變材料夾具、電流變材料夾具和磁流變夾具三種。

溫度流變材料夾具主要有冰固夾具、石蠟夾具和低熔點合金夾具。冰固夾具在進行工作的時候，將需要加工的夾具放置到夾具座上的水中，然后等待液態水在一定條件下冷卻成冰，從而實現對零件的凍結，這樣就能夠實現對零件的加工。在正式加工完成后，融化包裹夾具的冰，就可順利將夾具取出。這種夾具在實際應用中，主要是對導熱差的非金屬不規則零件進行磨削加工，是一種最為環保而且成本較低的材料。但是這種材料在實際的應用中，由于室溫的原因，有可能冰融化為水，從而影響其夾緊功能的正常發揮。石蠟成本比低熔點合金的成本要低，這看起來似乎是一件好事，但是由于其強度較低，在現實中很難大量推廣和應用。低熔點合金夾具在應用中較為廣泛，已經被廣泛應用于航天航空領域，主要是應用在方箱工藝中，通過使用低熔點合金，實現葉片和方箱的澆筑和結合，從而完成對葉片的加工[2]。

電流變材料和磁流變材料的夾具，其主要技術缺點是強度較低，盡管磁流變夾具在實際工作中，可以通過外力的作用對強度進行強化，但是強化之后仍不能達到實際所需的標準，而且在對其進行強化時，還需借助于加壓機構，操作比較困難。

2 相變材料夾具的研究進展

國外的研究人員在對相變材料夾具進行具體研究時，先后提出了能夠裝夾不同尺寸和形式的柔性夾具是整個夾具制造和發展工藝的關鍵、真相變夾具和偽相變夾具等理論、概念。在對偽相變夾具進行研究的過程中，相關研究人員建立了數字模型，并分析了夾緊參數和夾緊力之間的關系[3]，提出了自適應夾具設計原則，并結合實際的實驗對其應用效果進行了詳細的驗證。研究人員還做了在對大工件進行平面加工時應用電流變材料的夾緊實驗，提出了基于低熔點合金包裹的無參考工件裝夾技術，能夠實現對復雜零件的加工。利用這種工藝能夠實現對各種形式的零件的裝夾，而且也簡化了工藝。

我國從1998 年開始有關于相變夾緊材料的報道，康忠民教授和劉璇教授針對相變夾緊材料提出的理論，主要包括溫度相變的石蠟夾具、相變材料柔性夾具等，對它們的特點和工作原理等都進行了詳細和系統的介紹[4]。除此之外，李智蓓教授也實施并開展了對RFPE 材料的詳細研究，在對其進行實驗的過程中，依靠材料的切削性能、固化收縮性能以及強度等，首先對封裝材料進行了一定的選擇，通過實驗實現了對因工序轉化導致的誤差分析。該技術在應用過程中實現了對傳統夾具實驗的突破，具有廣闊的應用前景，特別適用于新產品的開發，尤其是復雜、多工序工件的加工。但是，在實際的應用中也存在著一定的局限性，在對一般材料進行加工時，并不需要對其進行全部封裝，如果在加工過程中對其進行全部封裝，會造成材料浪費。

3 新型低熔點相變材料柔性夾具

目前市場上柔性夾具的應用主要包括可調夾具和組合夾具兩種。前者在應用中主要是對同一類型的零件進行加工，在加工中利用可調夾具可以實現自由、靈活地調節，通過調節夾具，滿足安裝需要。而另一類主要指的是組合夾具，主要是通過模塊化和系統化的部件組合而成，這種夾具雖然存在一定的優勢，但是也具有明顯的不足。為了實現多個部件組合的良好效果，對其部件的質量要求較高，導致成本增加，而且組合夾具剛度較差，不能適應重切削。對不規則的零件也不能進行裝夾。在裝夾結束之后，需要對其進行裝配和調試，技術要求較高，在實際生產加工中必須安排專業人員對其進行集中管理，管理成本較大。

國內外學者在不斷嘗試著創建新的柔性夾具，使其在工作中不受到零件結構和狀態的限制，能夠實現對復雜零件的裝夾。呂彥明教授所帶領的團隊提出了利用低熔點合金為相變材料的柔性夾具能夠在工作狀態中，實現對不同類型和不同尺寸的零件進行夾緊，也不會受到零件位置的限制。在進行實際的操作中，利用柔性夾具將工件定位在合適的位置之后，加注液相材料，并在一定的條件的作用和影響之下，使其能夠轉換成固相材料，實現對零件的夾緊。這一實驗的成功真正實現了柔性裝夾，也就是說在進行零件裝夾的時候，只需要借助一個設備和機器，就能夠實現對不同形狀、不同尺寸甚至是不同部位的零件準確夾緊。在實際加工制造時，能夠有效縮短裝夾時間，提高工作效率，對提高企業經濟效益具有重要的意義。

相變材料選擇低熔點合金，能實現對定位件、夾緊體的有效連接。對不同的零件進行加工時，只需要將低熔點合金熔化，重新選用調整定位及夾緊體固定零件，就可以實現對不同形狀的零件夾緊，靈活性強[5]。而且相變材料可以重復使用，其熔點相對較低，在進行熔化的過程中對于零件的機械性能影響很小。該技術在使用中有較多的優勢，能夠實現對任意材料的夾緊，在使用中不會受零件形狀、位置以及尺寸大小等方面的限制，而且當所加工的材料剛性較差時，可以向里面加入一些合金材料增強零件的剛性。種類少、成本和消耗低，而且定位和夾緊的位置是可以隨意調動的，靈活性強，定位精度高，夾緊速度快，能夠滿足對各種形式零件的夾緊。

4 結語

結合國內外的相關研究情況，對相變材料的研究進行了具體的闡述和分析，并且基于技術的進步和時代的發展，提出了一種新興的柔性夾具，即低熔點相變材料的柔性夾具，能夠真正實現對不同尺寸和形狀的零件的快速夾緊安裝。