陳小雷

(廣東省茂名市高級(jí)技工學(xué)校，廣東 茂名 525000)

用負(fù)壓吸附夾具加工特殊形狀零件淺析

陳小雷

(廣東省茂名市高級(jí)技工學(xué)校，廣東 茂名 525000)

在實(shí)際機(jī)加工中,我們會(huì)經(jīng)常碰到薄壁形狀零件、特殊零件等，由于這些零件壁薄、強(qiáng)度低、剛性差,在夾緊力、切削力的作用下容易產(chǎn)生變形。而特殊形狀的零件在加工過程中的裝夾是必須要首先解決的問題。如果工藝安排不好，裝夾出現(xiàn)問題，那么就不單單是影響零件尺寸精度、表面粗糙度等的問題，很可能會(huì)產(chǎn)生大量的廢品。如果同時(shí)存在薄壁而且形狀不是很規(guī)則，那將進(jìn)一步增加加工難度。現(xiàn)設(shè)計(jì)了一種負(fù)壓吸附夾具，通過主軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力將氣壓塞上頂，使工件與夾具接觸面間的空氣面積增大，形成大氣壓強(qiáng)，在大氣壓的作用下將工件吸附在夾具上。此夾具可有效控制車削零件產(chǎn)生的變形與振動(dòng)，并且能有效解決裝夾問題。

薄壁；特殊形狀；負(fù)壓吸附夾具；刀具；切削用量

圖1

圖1所示是我們要加工的零件圖及實(shí)體零件，其外圓弧面及孔已經(jīng)加工完畢，現(xiàn)在我們要把內(nèi)圓弧面加工出來。所以其表面質(zhì)量以及裝夾定位是該零件最主要的加工難點(diǎn)。同時(shí)因?yàn)樵摿慵殇X料，所以其剛性差、強(qiáng)度弱，采用一般的裝夾方法，在加工中工件極易振動(dòng)、變形，表面質(zhì)量及尺寸精度難以保證，批量加工時(shí)效率低。針對(duì)此零件形狀特殊的特點(diǎn)，需設(shè)計(jì)一套專用夾具裝夾，提高工件的剛性，以保證零件的尺寸精度和形位公差達(dá)到圖紙技術(shù)要求，提高加工效率。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 專用夾具須包括夾具體、定位元件、夾緊裝置三個(gè)基本要素

1.2 專用夾具在生產(chǎn)加工中要有以下作用

（1）提高生產(chǎn)加工效率。（2）保證零件的加工精度。（3）改善勞動(dòng)條件，降低對(duì)操作工的技術(shù)要求。

1.3 車床上的專用夾具除了要達(dá)到以上條件外，還要滿足以下要求

（1）夾具上定位裝置的結(jié)構(gòu)和布置必須保證工件被加工表面軸線與車床主軸軸線重合。（2）夾緊裝置能產(chǎn)生足夠的夾緊力。車床夾具大多安裝在主軸上，工作時(shí)隨主軸一起旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大離心力，因此，夾緊裝置應(yīng)保證夾緊元件不松脫。

1.4 針對(duì)此碗形零件主要從以下兩點(diǎn)著手

（1）零件的型腔是需要我們加工的，而外形都以完成精加工。所以如果要大批量生產(chǎn)必須有專用夾具，而此夾具應(yīng)用氣壓產(chǎn)生夾緊力。（2）要使夾具的真空位置完全密封，否則夾緊力不夠，導(dǎo)致零件脫落，容易造成安全事故。

2 夾具結(jié)構(gòu)及力的計(jì)算

圖2

圖2是設(shè)計(jì)用以加工這種特殊形狀的專用夾具。該夾具由一整塊101×φ145.4的45號(hào)鋼制成，為一個(gè)整體，提高平衡度，減小振動(dòng)。夾具的真空位置是本夾具的關(guān)鍵，為使夾具獲得足夠的吸附力以夾緊工件，在夾具直徑為145mm的圓面上開4個(gè)氣壓孔。同時(shí)為了形成吸附形腔，在側(cè)邊開4個(gè)螺絲孔，與夾緊面相通。

夾具的夾緊面與零件的圓弧面緊貼，為保證有足夠的吸附力，夾具的夾緊面要有凹槽，且在裝夾的時(shí)候在零件上分別墊上不超過15um的膠墊圈，以保證不能形成空氣流。在使用過程中，夾具的吸附力一定要大于切削力才可進(jìn)行裝夾加工，否則工件脫落，造成安全事故。下邊就力的問題進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證切削力小于吸附力。

2.1 體積的計(jì)算

先計(jì)算出V1、V2、V3的體積。V1為圓弧面的凹槽，其體積計(jì)算公式為：V1=2×π×h×l×r

其中h=0.1為型腔的深度，l=18.28為其長度，r=113.36為其半徑。這些參數(shù)都為已知參數(shù)，可以直接讀取。計(jì)算得：V1=1301.35mm3

V2為氣壓孔與夾具圓弧面之間的通孔體積。因?yàn)橛?個(gè)這樣的通孔，所以其計(jì)算公式為：

其中r=1為空的半徑，h=8為空的長度。計(jì)算得：

V2=100.48mm3

V3為多個(gè)形狀的組合體積，同樣有4個(gè)，所以其計(jì)算公式為：

計(jì)算可得：V3=2141.2 mm3

所以夾具型腔的大約總體積為V總= V1+ V2+V3=5583.75 mm3

如果氣壓孔中的膠墊上升5mm，則夾具體的體積變化為V曾=4×π×r2×h1，計(jì)算可得：V曾=2260.8 mm3

由此可以計(jì)算出型腔中增大的體積可以產(chǎn)生多大的吸附力，與切削力比較可知夾具可不可用。

2.2 吸力的計(jì)算

體積增加前的壓強(qiáng)為：P0V0=nRT

公式中右邊為定量，P0為1個(gè)大氣壓。

體積增加后的壓強(qiáng)為：PV曾=nRT

所以P0V0= P V曾。由此可計(jì)算出體積增加后的壓強(qiáng)：P=0.712 P0

所以壓強(qiáng)差為：P差=P0-P1=0.288 P0

由公式F=P×S可計(jì)算出吸附力，其中S為夾具與工件接觸面的凹槽的面積，為S=2×π×l×r=130.135mm2由此可得：夾具型腔體積增大后的吸附力為F=P差×S=3747.89N。

2.3 切削力的計(jì)算

車床在車削加工過程中，切削力受背吃刀量、進(jìn)給量、進(jìn)給速度、車刀角度、溫度，材料硬度等各個(gè)因素的影響都會(huì)產(chǎn)生變化，所以采用切削力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。而在實(shí)際加工過程中我的加工參數(shù)選擇為：被吃刀量ap=1mm，進(jìn)給速度為0.2mm/r。由公式F=?b×S其中?b為我們使用的型號(hào)為LY12的鋁合金的剪切應(yīng)力極限系數(shù)，S為切削時(shí)刀具與工件的瞬時(shí)接觸面。S=ap×f，ap為背吃刀量，f為進(jìn)給速度。查表可知?b最大值為427MPa，由此計(jì)算可得：F=42.7N。

比較吸附力和切削力可知，吸附力遠(yuǎn)大于切削力，所以本夾具完全可以吸附夾緊零件。

3 夾具的技術(shù)要求及加工方案

設(shè)計(jì)本套夾具需要解決以下幾個(gè)問題。（1）夾具夾緊面的圓弧與零件的圓弧面結(jié)合時(shí)不能有過大的誤差，否則對(duì)真空空間的形成產(chǎn)生影響。（2）夾具夾緊面要開有凹槽，可以有效的形成真空，提高夾緊力。（3）裝夾時(shí)夾具裝夾面的墊圈。要在凹槽的上下各一個(gè)，可以防止由于夾具與零件的配合間隙產(chǎn)生的空氣流通。（4）氣壓塞的位置要有兩個(gè)膠墊，其中一個(gè)為導(dǎo)向作用，一個(gè)為密封作用。（5）螺絲位要使用密封膠，有利于形成密閉空間。

4 定位裝夾與加工

把夾具直接用三抓卡盤夾緊，零件放入夾具中，使接觸面完全接觸，調(diào)整好膠墊圈的位置，放入零件，旋轉(zhuǎn)頂塞，抽動(dòng)氣壓塞，使零件預(yù)緊，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，夾緊工件。經(jīng)過多次驗(yàn)證，四個(gè)氣壓孔完全可以提供足夠的夾緊力。在加工過程中合理選擇刀具和加工參數(shù)有利于提高零件的加工精度。因此刀具的選擇非常重要。粗車時(shí)選用刀尖圓弧半徑為0.8mm的車刀，半精車加工時(shí)選用刀尖圓弧半徑為0.4mm的車刀，精車時(shí)選用刀尖圓弧半徑為0.2mm的鋒利車刀，將切削力降到最低。同時(shí)也要合理的選擇加工參數(shù)。主軸轉(zhuǎn)速盡量采用高轉(zhuǎn)速，一是可以提供更大的吸附力，使零件裝夾的更緊，還可以降低切削力。同時(shí)采用小切削量高進(jìn)給來加工，這樣既可以保證零件的加工質(zhì)量又可以保證零件的加工效率。

5 使用效果

經(jīng)實(shí)際使用檢驗(yàn)，本夾具具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）夾具開敞，待加工表面充分暴露在外，便于編程，加工方便安全。（2）夾具的剛性和穩(wěn)定性好。（3）工人使用操作方便，加工效率高。（4）保證碗形零件質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率98%以上。

[1]胡建新主編.數(shù)控加工工藝與刀具夾具[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010年4月第一版.

[2]徐鴻本主編.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊[M].遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2004年3月第一版.

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