真空吸盤裝夾技術在間隙評估塊上的應用研究

王正國，槐磊，孫新強

（蘇州微創骨科醫療工具有限公司，江蘇 蘇州 215000）

在膝關節置換手術中，膝關節間隙評估塊用來評估屈膝間隙和伸直間隙。膝關節間隙評估塊的尺寸會影響最終膝關節假體的規格型號，對手術過程的時長，精度有很大的影響。因此，在生產加工過程中，要穩定控制尺寸、形位公差。

1 產品結構

如圖1所示，產品為間隙評估塊，材質為PPSU，屬于高分子塑料，具有耐高溫、強度高、耐磨性好、尺寸穩定等特點。產品中間有一個腰形孔，兩端為橢圓形厚度塊，兩端厚度塊通過細長條異形塊連接，整個圓周有R1.58圓角，比較光滑。產品做退火處理，表面激光刻字，表面粗糙度Ra1.6μm。

圖1

2 加工難點

膝關節間隙評估塊采用PPSU高分子材料，相較不銹鋼材料，PPSU材料軟且在加工過程中易變形。在實際生產過程中，常見的加工方式是使用仿形工裝將評估塊固定在加工中心的虎鉗上，再使用壓板固定,這種加工方式的弊端如下。

（1）產品為不規則的外形，沒有連續的直邊，常規的虎鉗裝夾困難。產品原材料質地偏軟，用壓板固定容易造成產品表面劃傷，外觀不良。

（2）受虎鉗的型號限制，仿形工裝一次只能裝一件產品，不能批量化作業，工人需要重復上下料，加工效率低，嚴重影響設備的利用率。

（3）虎鉗或虎鉗仿形工裝定位，重復定位精度差，批次產品間尺寸穩定性差。

（4）產品特征尺寸難控制。產品外形不規格，原材料為棒料或板料，加工切削量大，切削量占原材料74%，銑削加工產生的內應力大，導致產品變形嚴重，產品尺寸不穩定，且產品特征尺寸和輪廓度要求嚴格，難加工。

3 改善方案

為了改善或解決上述問題，必須改變高分子材料采用虎鉗夾緊的裝夾方式。因此，本發明從這一角度入手，設計了一款適用于高分子材料的專用工裝。該工裝摒棄傳統的夾緊方式，采用真空泵抽真空，吸附產品方式，將產品吸附在裝有密封圈的仿形工裝內，從而解決產品尺寸外觀不良，同時提升了加工效率。

4 真空吸盤原理

真空吸盤是用真空負壓來“吸附”產品，從而達到夾持產品的目的。原理如圖2所示，通氣孔與真空發生裝置相接，啟動真空發生裝置后，通氣口開始抽氣，將吸盤內部的空氣被抽走，吸盤內形成了壓力為P2的真空狀態。此時，吸盤內部的空氣壓力低于吸盤外部的大氣壓力P1，即P2＜P1,工件在外部壓力的作用下被吸起。吸盤內部的真空度越高，吸盤與工件之間貼得越緊。

圖2

5 真空吸盤工裝設計

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細的說明。

圖3是本發明的示意圖：其中件1為真空吸盤工裝底座，件2為真空吸盤工裝蓋板，件3為固定螺栓（共4個），件4為產品仿形定位槽，件5為密封圈（共4個）。

圖3

具體實施方式：

如圖4所示，工人將件1真空吸盤工裝底座固定在機床操作臺上，使用件4固定螺栓，將件2真空吸盤工裝蓋板固定在底座上。在件2真空吸盤蓋板上加工出特征3定位槽、氣孔、密封圈卡槽。將件5密封圈裝在密封圈卡槽內。把件6間隙評估塊裝在特征3定位槽內，實現精準定位。

圖4

工人打開真空發生器，將氣壓設置為80kPa，真空泵通過氣管抽掉真空吸盤與零件之間的空氣，大氣壓力與真空吸盤內部的真空將形成壓力差，在壓力差的作用下將件6間隙評估塊牢牢吸附在真空吸盤上，實現定位夾緊。

6 真空吸盤工裝優點

（1）裝夾穩定、方便，加工的產品變形小，且產品表面無壓傷。真空吸盤可以根據實際需求，設置所需壓力值，吸力穩定可靠。本款產品根據實驗數據，將真空壓力設置為80kPa。產品夾緊方式由傳統虎鉗夾持改為真空吸附固定，避免了夾持產生的變形、表面夾傷問題。

（2）重復定位精度高。真空吸盤蓋板上的定位槽與產品外形一致，圖5為產品外形圖，長度217.98～217.99mm。圖6為真空吸盤蓋板定位槽圖，定位槽長度217.99～217.995mm，真空吸盤蓋板上的定位槽比產品外形大，定位間隙為0～0.015mm，該定位方式穩定性高，重復定位精度約0.02mm，屬于高精度工裝。工裝由虎鉗改為真空吸盤后，產品合格率由74%提升至96%。

圖5

圖6

（3）可批量化加工，效率高。真空吸盤工裝可以根據業務需求設計多個穴位，加工時可以一次裝夾多件，實現機床少人化加工，提高機床利用率。本案例設計穴位如圖7示，件1為真空吸盤工裝蓋板，件2為定位穴位，共設置8個穴位，工人將8件產品一次性放入穴位中，只需按一次真空發射器按鈕，就實現8件產品的定位和固定，同時實現機床連續運轉10h，提高生產效率24%。

圖7

（4）節省原材料。傳統使用的工裝為平口虎鉗或虎鉗仿形工裝。如圖8所示，件1為虎鉗仿形工裝，件2為間隙評估塊，工人通過旋轉螺桿帶動仿形虎鉗口向中心平面收縮，實現產品夾緊。產品夾緊需要0.5cm夾持位，若低于0.5cm則無法有效夾緊。

圖8

本發明設計的真空吸盤工裝采用產品外形定位，如圖9，靠真空吸力固定，不需要夾持位，只需要0.03cm的定位塊，即可滿足定位和鎖緊要求，與虎鉗仿形工裝相比，可以節約厚度為0.47cm原材料。

圖9

間隙評估塊原材料為美國進口PPSU，材料密度為1.3g/cm3，原材料規格為22cm×7cm×3cm板材,原材料單價為0.95元/g，由虎鉗仿形工裝改為真空吸盤工裝，可以節約原材料89.38元/件，即0.95×1.3×22×7×0.47。

7 結語

真空吸盤夾緊力穩定，可以實現零件快速裝夾，高精度定位，配合多穴位工裝，可以極大地提高生產效率，提高機床利用率。真空吸盤的作用更加廣泛，在使用過程中，物料需要被吸附的物料和工件屬于何種材料和工件，只要它的表面具備良好的密封性、不漏氣的特點，那么真空吸盤就能夠實現將物料和工件吸附起來的作用。真空吸盤靠大氣壓固定產品，解決間隙評估塊裝夾定位問題，同時減少了壓傷等外觀不良。本發明工裝定位精度高，重復定位精度為0.02mm，加工工裝由虎鉗改為真空吸附工裝，產品合格率由74%提升至96%；同時該工裝實現8件產品的裝夾，可以實現機床連續運轉10H，生產效率提高24%；加工工裝由虎鉗改為真空吸附工裝，可以節約原材料89.38元/件。