張政潑 譚 芳 蔣桂平 賴顯渺 黃桂云

(①桂林航天工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣西桂林541004；②桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限公司，廣西桂林541213)

目前，鈑金平面加工形式主要有沖壓、鉆孔攻絲、多種形式切割加工等類型[1-5]。對(duì)于鉆孔攻絲加工，由于切削力的存在以及鈑金特別是中大規(guī)格(指長(zhǎng)寬規(guī)格，下同)薄鈑金自身剛性薄弱的特點(diǎn)，在較大范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)控鉆孔攻絲加工的場(chǎng)合難于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)捷、可靠的裝夾；對(duì)于銑削加工，由于存在加工過程的坐標(biāo)移動(dòng)要求，則更難于實(shí)現(xiàn)可靠可行裝夾。通過多年的實(shí)踐，筆者已在相關(guān)專利和設(shè)備研發(fā)中采用滾動(dòng)式隨動(dòng)夾緊原理和裝置較好解決了上述問題[6-7]，并在近年對(duì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)和工藝特性、力學(xué)特性和參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)方法等方面展開進(jìn)一步分析和研究。本文首先對(duì)隨動(dòng)夾緊原理和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析和介紹，進(jìn)而對(duì)夾緊點(diǎn)分布形式、夾緊力和切削力的平衡關(guān)系及其影響因素、參數(shù)設(shè)定方法進(jìn)行重點(diǎn)討論分析，最后討論夾緊裝置結(jié)構(gòu)和工藝方案設(shè)計(jì)特點(diǎn)及原則。本文的研究和總結(jié)對(duì)于鈑金隨動(dòng)夾緊裝置的設(shè)計(jì)、改進(jìn)和更有效應(yīng)用具有重要意義，并對(duì)解決類似技術(shù)問題的研究和設(shè)計(jì)具有參考意義。

1 滾動(dòng)式隨動(dòng)夾緊原理和結(jié)構(gòu)形式分析介紹

1.1 薄鈑金平面加工裝夾策略分析和選擇

對(duì)于中大規(guī)格薄鈑金平面鉆銑加工的簡(jiǎn)便、可靠裝夾，應(yīng)滿足下列基本要求:(1)能夠在加工區(qū)域附近進(jìn)行可靠夾緊，使該區(qū)域形成相對(duì)剛性狀態(tài)。(2)對(duì)鈑金厚度和加工范圍的變動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)，少需要甚至不需要額外工裝夾具。(3)對(duì)較大范圍的連續(xù)銑削加工，夾具形式和夾緊方式不應(yīng)改變。

如圖1為鈑金平面加工裝夾示意圖，圖2為滾動(dòng)式隨動(dòng)夾緊裝置示意圖。按照上述要求，滾動(dòng)式隨動(dòng)夾緊原理和特點(diǎn)如下:(1)薄鈑金的整體固定采用兩對(duì)邊邊沿夾持固定方式，可以適應(yīng)各種不同規(guī)格的鈑金整體安裝。如圖1的件7、14。(2)如圖1和圖2，在切削中心較小的鄰近周邊對(duì)鈑金進(jìn)行夾緊，并且加工過程夾緊中心始終與切削中心同心并同步移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)切削中心鄰近區(qū)域的持續(xù)夾緊。(3)銑削狀態(tài)時(shí)，刀具與鈑金連續(xù)相對(duì)移動(dòng)，所以?shī)A緊機(jī)構(gòu)與鈑金要形成萬(wàn)向滾動(dòng)式壓緊，如圖1、2中的件6、8。(4)對(duì)于鉆孔、攻絲工序，當(dāng)進(jìn)行加工時(shí)，夾緊裝置實(shí)行夾緊；但鈑金移動(dòng)過程處于不加工狀態(tài)，夾緊裝置可以松開。

1.2 結(jié)構(gòu)原理

如圖1和圖2，滾動(dòng)式隨動(dòng)夾緊裝置的結(jié)構(gòu)形式為:(1)夾緊裝置由上滾動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)和下滾動(dòng)支承機(jī)構(gòu)組成。(2)上壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)置有若干組可調(diào)整彈性滾動(dòng)壓緊元件，其工作行程要大于最大鈑金厚度。(3)下支承由與上壓緊機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的環(huán)周固定滾動(dòng)支承元件、與鈑金底面有一個(gè)小間隙的中央固定平面支承兩部分組成。進(jìn)行鉆孔加工時(shí)，如向下軸向力較大，將使鈑金底面直接壓在中部支承面上，形成更穩(wěn)定的壓緊狀態(tài)。(4)上壓緊機(jī)構(gòu)、下支承機(jī)構(gòu)與鉆銑主軸同心，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三者的水平同步移動(dòng)。(5)上壓緊機(jī)構(gòu)可以整體開合。從以上結(jié)構(gòu)和原理可知，夾緊點(diǎn)的夾緊力由彈性壓緊元件的狀態(tài)決定。

2 夾緊點(diǎn)分布和受力分析及參數(shù)調(diào)整

2.1 夾緊點(diǎn)分布形式分析

鈑金平面加工的夾緊可靠性不僅決定于各夾緊點(diǎn)的夾緊力，也決定于夾緊點(diǎn)的數(shù)量和分布形式。鈑金剛度在平面方向可認(rèn)為是各向同性，所以，夾緊點(diǎn)分布應(yīng)該是圍繞切削中心的均布。主要有以下分布形式:

(1)單圓形均布。如圖3為夾緊點(diǎn)單圓分布示意圖，以切削處為中心的圓形均布，可以實(shí)現(xiàn)較小的夾緊點(diǎn)分布圓直徑和裝置外徑，夾緊穩(wěn)定性好，且排屑相對(duì)較方便，是常用形式。以下主要以這種形式進(jìn)行討論。

(2)交錯(cuò)分布。如圖4為雙圓交錯(cuò)分布示意圖，以切削處為中心，在兩個(gè)同心圓上交錯(cuò)均布，夾緊點(diǎn)覆蓋面更大，夾緊穩(wěn)定性更好。但本方式增大了夾緊裝置的直徑，減小了加工范圍，且對(duì)排屑影響較大，因此一般情況下并不采用。

(3)其他分布形式。由于加工形狀和工藝方案的特殊要求，可采用環(huán)周非均布形式。

2.2 夾緊力和切削力及各參數(shù)關(guān)系分析

2.2.1 夾緊點(diǎn)的實(shí)際夾緊力

在夾緊機(jī)構(gòu)中一般采用線性彈性元件產(chǎn)生夾緊力。加工過程中有些夾緊點(diǎn)處鈑金厚度會(huì)發(fā)生變化，從而該點(diǎn)夾緊力按照線性方式變化[8-9]。如圖2，第i夾緊點(diǎn)的夾緊力為:

式中:FsJi為第i夾緊點(diǎn)實(shí)際夾緊力，N；h為鈑金厚度，mm；ui為第i夾緊點(diǎn)處加工深度，mm；K為彈性?shī)A緊元件剛度，N/mm；K0為夾緊元件的初始?jí)毫?，N；δi為第 i夾緊點(diǎn)處加工后的局部厚度；δmin為與h有關(guān)的臨界厚度，mm。當(dāng)某夾緊點(diǎn)處局部板厚δi小于δmin后，該處剛度明顯減小，以致對(duì)加工平穩(wěn)作用顯著減弱，該點(diǎn)的夾緊力可近似為0；特別是當(dāng)δi＝0時(shí)，對(duì)該點(diǎn)處鈑金已不存在夾緊作用，夾緊力當(dāng)然為0。因此這里的夾緊力取值是不連續(xù)的。另外，實(shí)際上某處剛度的減弱程度還與δi的面積和形狀有關(guān)，但為了討論方便且不失一般變化規(guī)律性，只考慮δi因素的影響。

2.2.2 夾緊力與切削力的關(guān)系

在一般夾具夾緊系統(tǒng)中，在常規(guī)加工狀態(tài)下工件和夾緊機(jī)構(gòu)可認(rèn)為是剛性系統(tǒng)，因此夾緊力決定于切削力[10]，為:

式中:FsJ為實(shí)際夾緊力，N；Fq為切削力，N；FJ為與切削力Fq平衡的理論夾緊力，N；F Fq( )表示FJ與Fq的函數(shù)關(guān)系；ξ為安全系數(shù)。

對(duì)于薄鈑金，相對(duì)于一般加工要求其自身剛度很小，即使是較小的切削力，當(dāng)達(dá)到一定值后，不管夾緊力多大，鈑金都將發(fā)生超過規(guī)定的變形或振動(dòng)而處于不穩(wěn)定狀態(tài)。顯然應(yīng)限制切削力，夾緊力與切削力的關(guān)系應(yīng)在式(2)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。如圖5為夾緊力計(jì)算示意圖，以剛度最弱的垂直于鈑金平面方向的受力情況進(jìn)行分析，顯然，由于下滾動(dòng)支承是固定支承，因此切削力向下時(shí)穩(wěn)定性狀況相對(duì)更好，所以以向上切削力分析為準(zhǔn)。由于實(shí)現(xiàn)了小區(qū)域夾緊，在處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，切削中心的壓緊區(qū)域可近似為剛性狀態(tài)，則有:

式中:FJi為對(duì)加工穩(wěn)定性起作用的夾緊點(diǎn)陣中第i夾緊點(diǎn)理論夾緊力，N；nJ為實(shí)際夾緊力不為0的夾緊點(diǎn)數(shù)；Fqa為對(duì)應(yīng)各種鈑金狀態(tài)的、滿足加工穩(wěn)定性要求的最大允許切削力，N，稱為相對(duì)最大允許切削力；Fq(h，u，D，E，v )表示Fqa取決于多種因素的函數(shù)關(guān)系；u為ui的綜合表示；D為夾緊點(diǎn)分布圓直徑，mm；E為鈑金材料彈性模量，N/mm2；v為涉及到夾緊點(diǎn)分布、夾緊區(qū)域附近的局部鈑金厚度及其形狀變化狀況等因素的綜合表示。對(duì)于交錯(cuò)分布形式，為了簡(jiǎn)單和可靠起見，可按切削力主要由內(nèi)圈夾緊點(diǎn)平衡的模式進(jìn)行分析。

2.2.3 相對(duì)最大允許切削力及其影響關(guān)系

相對(duì)最大允許切削力Fqa與各因素的關(guān)系較復(fù)雜，直接計(jì)算很困難，需要確定時(shí)一般采用試驗(yàn)方式。根據(jù)機(jī)械和力學(xué)原理[8-9]，得出其一般規(guī)律和關(guān)系如下:①Fqa與鈑金截面相應(yīng)方向的慣性矩成遞增關(guān)系，即與鈑金厚度h為三次方遞增關(guān)系；②Fqa與加工深度及其分布面積形狀為較為復(fù)雜的遞減關(guān)系；③Fqa與材料彈性模量E為線性遞增關(guān)系；④在適當(dāng)?shù)膴A緊點(diǎn)數(shù)之內(nèi)，F(xiàn)qa與nJ近似為線性遞增關(guān)系；⑤Fqa與夾緊點(diǎn)分布直徑D為遞減關(guān)系。

在鈑金材質(zhì)和夾緊點(diǎn)分布狀況已確定的情況下，F(xiàn)qa達(dá)到最大值條件為:

式中:Fqmax為在規(guī)定的鈑金厚度規(guī)格范圍內(nèi)可達(dá)到的最大允許切削力，N；hmax為規(guī)定的最大板厚，mm。

2.2.4 理想狀態(tài)下滿足穩(wěn)定加工的各因素關(guān)系

理想狀態(tài)即為彈性元件的夾緊力可以適應(yīng)各種允許狀況的穩(wěn)定作用。結(jié)合式(1)、(3)，得穩(wěn)定狀態(tài)下各參數(shù)滿足的關(guān)系式:

如果彈性元件剛度K和初始?jí)毫0已確定，則在穩(wěn)定加工狀態(tài)下，各夾緊點(diǎn)處的局部鈑金厚度應(yīng)滿足下列必要關(guān)系式:

2.3 夾緊元件參數(shù)的設(shè)定及其與實(shí)際切削力的關(guān)系

在實(shí)際應(yīng)用中，彈性元件的剛度和初始?jí)壕o力應(yīng)按照一定的規(guī)則進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)實(shí)際加工狀況和夾緊裝置的結(jié)構(gòu)限定，以及避免過大壓緊力而導(dǎo)致明顯壓痕的要求，設(shè)定值依據(jù)的最大允許切削力并不一定按最大板厚hmax確定，而是按最常加工的適當(dāng)規(guī)格的板厚確定，稱這一板厚為設(shè)定厚度。根據(jù)式(5)，彈性元件剛度K和初始?jí)毫0設(shè)定值滿足以下關(guān)系:

式中:hA為設(shè)定厚度，mm；FqA為對(duì)應(yīng)hA的最大允許切削力，N；nmin為加工過程可允許的并分布覆蓋夾緊區(qū)域的最少夾緊點(diǎn)數(shù)，一般與分布直徑有關(guān)。通過計(jì)算方式來界定加工穩(wěn)定狀態(tài)和確定FqA較為復(fù)雜和困難，一般采用經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)方式確定FqA，再根據(jù)式(7)和結(jié)構(gòu)限定特點(diǎn)初步確定K和F0，然后通過試驗(yàn)調(diào)整而最終確定其設(shè)定值。

針對(duì)板厚變化情況，以式(7)取等號(hào)狀態(tài)為討論基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際夾緊力、相對(duì)最大允許切削力與鈑金厚度h的變化關(guān)系，存在下述特點(diǎn):(1)當(dāng)加工板厚小于設(shè)定板厚時(shí)，實(shí)際夾緊力相比于相對(duì)最大允許切削力減小的慢，因此能滿足加工夾緊要求。(2)當(dāng)加工板厚大于設(shè)定厚度時(shí)，實(shí)際夾緊力相比于相對(duì)最大允許切削力增大的慢，因此實(shí)際允許的切削力可以增大，但會(huì)小于對(duì)應(yīng)厚度的相對(duì)最大允許切削力。

存在和滿足關(guān)系式:

式中:hB、hC分別為小于和大于設(shè)定厚度的鈑金厚度，mm；FqB、FqC分別為對(duì)應(yīng)板厚hB、hC的相對(duì)最大允許切削力，N。

2.4 切削過程穩(wěn)定性的條件

根據(jù)上述，加工過程的切削穩(wěn)定性取決于夾緊力與切削力的平衡關(guān)系:(1)各種狀況下，切削力不大于相對(duì)最大允許切削力。(2)夾緊力對(duì)切削力能起到平衡和抑制振動(dòng)的作用。(3)夾緊區(qū)域不能出現(xiàn)較大挖空、殘缺邊角等狀況，否則會(huì)導(dǎo)致Fqa太小而無(wú)法正常加工。

2.5 極端狀態(tài)及處理

如圖6為極端狀態(tài)示意圖，如加工移動(dòng)至某處時(shí)，正好出現(xiàn)所有夾緊點(diǎn)處都貫穿或接近貫穿狀態(tài)，都不起夾緊作用，即根據(jù)式(1)，有:

式中:n為總夾緊點(diǎn)數(shù)。如出現(xiàn)上述狀況，應(yīng)調(diào)整加工順序方案加以避免，并滿足最少夾緊點(diǎn)數(shù)要求。

3 結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)原則和實(shí)踐驗(yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)與工藝方案設(shè)計(jì)原則及注意事項(xiàng)

關(guān)于結(jié)構(gòu)和工藝方案設(shè)計(jì)，除以上所提到的要求，其它主要原則和注意點(diǎn)如下:

(1)夾緊點(diǎn)間距要適當(dāng)，既要分布較多的夾緊點(diǎn)，又要達(dá)到一定的間距以滿足結(jié)構(gòu)裝配要求；夾緊點(diǎn)分布直徑要適當(dāng)?shù)男?，便于?shí)現(xiàn)夾緊區(qū)域的相對(duì)剛性狀態(tài)，以及避免影響加工范圍；同樣，夾緊裝置外徑也要限定在適當(dāng)范圍內(nèi)，避免與夾持裝置干涉從而影響加工范圍。

(2)夾緊點(diǎn)間距同時(shí)要方便切屑排出。一般在壓緊裝置上設(shè)置氣吹機(jī)構(gòu)，不斷將切屑向外吹出。

(3)夾緊元件剛度和夾緊力要適當(dāng)，在滿足正常夾緊穩(wěn)定性要求的前提下盡量減小夾緊力，以減輕滾動(dòng)壓緊球?qū)︹k金平面的壓痕。

(4)對(duì)夾緊點(diǎn)布局和工藝方案要綜合考慮，避免出現(xiàn)加工過程夾緊點(diǎn)大部分進(jìn)入穿透或接近穿透位置。

(5)考慮滾動(dòng)壓痕的處理，即對(duì)鈑金表面有要求時(shí)，加工后應(yīng)進(jìn)行表面處理。

(6)當(dāng)通過銑削方式進(jìn)行銑割下料時(shí)，應(yīng)采用“搭橋”方式，即銑割工件和鈑金基體之間設(shè)置若干適當(dāng)厚度和寬度的連接點(diǎn)，確保加工過程的穩(wěn)定性，最后再通過其他方式(如手工)剪下工件。

3.2 應(yīng)用實(shí)踐和驗(yàn)證

滾動(dòng)式隨動(dòng)夾緊裝置已有效應(yīng)用在多功能鈑金加工中心上，上述結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)原則、力學(xué)分析和參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)方法也已相應(yīng)在夾緊裝置和機(jī)床設(shè)備設(shè)計(jì)、試驗(yàn)中進(jìn)行應(yīng)用，方法有效、可行。本裝置和方法實(shí)現(xiàn)了中大規(guī)格薄鈑金平面一次裝夾，在行程范圍內(nèi)任意位置自動(dòng)完成常規(guī)鉆孔、攻絲、盲銑(在薄鈑金上刻銑圖案、銑削盲槽等)、挖銑、倒角等加工，而不需要其他額外工裝夾具，加工穩(wěn)定，提高了復(fù)合化程度，這是目前沖壓機(jī)、激光切割機(jī)、鉆床等鈑金加工設(shè)備所無(wú)法獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的；特別是實(shí)現(xiàn)了薄鈑金平面上的盲銑加工，豐富了鈑金平面結(jié)構(gòu)要素的設(shè)計(jì)和應(yīng)用形式。

如圖7為采用滾動(dòng)式隨動(dòng)夾緊裝置在大規(guī)格薄鈑金平面上進(jìn)行鉆銑加工時(shí)的實(shí)物工作狀態(tài)圖片；圖8為盲銑加工出的圖案實(shí)物圖片；圖9為大范圍數(shù)控鉆孔、攻絲、倒角和銑割加工的零件實(shí)物圖片。如果不采用隨動(dòng)夾緊方式，我們無(wú)法實(shí)現(xiàn)適應(yīng)較大范圍數(shù)控鉆銑加工的簡(jiǎn)捷可靠夾緊，而且中大規(guī)格薄鈑金本身也會(huì)有一定的自然彎拱變形，因而無(wú)法進(jìn)行正常加工。顯然，如果只針對(duì)孔形加工，激光切割等方式更有效；但如果是針對(duì)孔形、螺紋孔、圖案和盲槽等結(jié)構(gòu)要素的綜合加工，則本方法更有效。

4 結(jié)語(yǔ)

由于薄鈑金自身剛性很弱，對(duì)中大規(guī)格薄鈑金進(jìn)行數(shù)控鉆銑加工存在著裝夾的困難，采用滾動(dòng)式隨動(dòng)夾緊原理和相應(yīng)裝置可以有效克服這一難題。夾緊裝置的夾緊點(diǎn)一般采用圓周均布方式；對(duì)應(yīng)于各種鈑金狀況，存在著相對(duì)最大允許切削力；加工穩(wěn)定性主要決定于各夾緊點(diǎn)實(shí)際夾緊力對(duì)切削力的平衡關(guān)系和抑制振動(dòng)作用。實(shí)際應(yīng)用表明，應(yīng)用滾動(dòng)式隨動(dòng)夾緊裝置的鈑金加工中心，可實(shí)現(xiàn)一般鈑金加工設(shè)備無(wú)法獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的、一次裝夾鈑金件綜合完成數(shù)控鉆孔、攻絲和銑削等工序加工，加工過程穩(wěn)定。