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        自制真空夾具及應用

        2020-05-15 03:40:38航空工業(yè)航宇救生裝備有限公司湖北襄陽441000王立東
        金屬加工(冷加工) 2020年5期
        關鍵詞:切削力摩擦力夾具

        ■ 航空工業(yè)航宇救生裝備有限公司 (湖北襄陽 441000) 王立東

        鋁板、聚氨酯板、聚四氟乙烯板和膠木板等薄板類零件在我公司的數(shù)控加工中應用廣泛,需要加工平面、外輪廓、內腔、長槽和階梯孔等,傳統(tǒng)的加工方法是采用工作臺面壓平、多次換壓的方法。由此造成以下問題:①此種加工方法所必需的生產準備和加工停頓時間過長,切削加工不能夠連續(xù)進行,嚴重影響生產效率。②壓板不恰當?shù)淖饔昧κ构ぜ嬖诒粔簜目赡苄?,壓緊力的不均衡容易造成鋁板加工后產生較大變形,多次更換壓緊位置的輕微位移可能造成工件接刀痕跡明顯,影響加工精度及外觀質量。③聚氨酯是一種有機高分子材料,板材軟且彈性大,壓板壓到的位置稍稍用力就會產生塌陷變形,壓不到的位置切削時極易隨著刀具切削力翻起產生嚴重過切,尺寸控制非常困難。

        工件在夾具上的安裝和夾緊,是影響加工精度的重要因素。資料顯示,25%~50%的加工誤差是由于工件的安裝精度不夠和夾具的選擇不當所引起的。因此,能夠解決上述加工問題,滿足工藝技術要求,并且有效地提高產品的加工精度和生產效率,改革工裝夾具是重要途徑。

        本文主要闡述一種經過摸索與實踐,能夠解決此類問題的自制夾具——真空吸盤。

        1. 夾具用途

        一種通用型夾具,主要應用于加工中心、銑床和平面磨床。能夠對鋁板、銅板及塑料板等非磁性板類零件的上表面、側面在一次安裝下完成所有加工,達到提質增效的目的。尤其對于易變形類零件,運用此夾具安裝,能夠更加容易控制零件的平行度、平面度等幾何公差,獲得更加優(yōu)秀的加工質量。對于安裝困難的工件,在該夾具上的裝卸過程快捷方便,能夠大幅地提高生產效率。在自制吸盤平面精度能夠滿足要求的情況下,也可用于研磨作業(yè)。

        2. 夾具的工作原理

        依靠真空吸力吸附零件進行切削加工,操縱手扳閥控制氣流的進出達到工件的吸附和釋放。具體是對工件與吸盤接觸表面進行密封,通過真空發(fā)生裝置將工件與吸盤密封區(qū)域內的空氣抽出,使其達到真空負壓狀態(tài)。工件在真空的作用下,上、下兩個面所產生的壓力差,使工件產生了一個向著吸盤的力。切削加工時,在切削力的作用下,產生的這個力作用于工件與吸盤的接觸界面形成摩擦力,當摩擦力大于切削力時,工件能夠牢固的吸附在吸盤表面,滿足工作需要。

        3. 夾具結構

        (1)主體結構 如圖1~圖3所示,夾具主體結構的吸盤和底座可使用45鋼制作,在粗加工后需進行調質處理,使硬度達32~38HRC,精加工時精磨加工各個平面,保證各處平面度、平行度以及相鄰兩面的垂直度≤0.02mm。裝配完成后,再次精磨主體結構上下平面,保證上下平面的平行度、平面度≤0.01mm,精加工主體結構上表面的密封槽,保證槽底與主體上表面的平行度≤0.02mm。最后,對主體結構進行表面發(fā)藍處理,對吸盤上平面進行滲氮處理,增加其防腐和表面的硬度及耐磨性。

        圖1 主體頂部示意

        圖2 主體底部示意

        本夾具主體結構主要包括吸盤、底座、蓋板和防護罩。吸盤與底座通過螺栓、定位銷聯(lián)接定位,底座與蓋板通過螺釘8聯(lián)接固定。吸盤、底座和蓋板之間形成的封閉腔體結構,可安裝固定真空回路元件和管線。底座的側面加工有安裝孔A和安裝孔B,用以聯(lián)接固定真空回路的控制元件和真空表。防護罩使用螺釘1固定在底座側面的適合位置,防護控制元件和真空表不被切削及切削液等損壞。吸盤上表面加工有縱橫均布的密封槽,密封膠條可根據所加工的大小不同、形狀各異的工件外輪廓在密封槽內任意圍合,形成密閉區(qū)域。在密閉區(qū)域內的密封槽可以通過真空孔聯(lián)接真空元件,形成完整的真空回路,實現(xiàn)工件在吸盤上的吸附和釋放。

        (2)基本的氣動系統(tǒng) 如圖4所示,基本的真空夾具氣動結構主要由提供氣源的空壓站、穩(wěn)定氣壓的儲氣罐、控制元件——氣動控制閥、產生負壓的真空發(fā)生器以及消聲器、過濾器和真空表等組成,這些設備和元器件通過導氣管和氣動管接頭聯(lián)接形成可控的真空回路。

        4. 夾具的使用

        分析工件受力情況,制訂夾具使用流程,具體如下所述。

        (1)工件受力分析 工件在自制吸盤吸附下,工作時的受力情況如圖5所示。

        圖3 主體結構

        圖4 基本氣動結構示意

        圖5 工件受力示意

        自制吸盤吸附的工件,在其底面與吸盤真空槽之間形成的真空吸合區(qū)域內(真空吸合面積S1,單位cm2),產生了真空負壓,大氣壓力P1(N)作用在工件頂面。切削加工時,被吸附的工件受到切削力P2(N)的作用,作用于工件頂面的大氣壓力在工件與吸盤的接觸界面(接觸面積S2區(qū)域內,S2單位cm2),形成了抵抗切削力的摩擦力F(N)。

        1)P1所示的大氣壓力,就是自制真空夾具對工件產生的吸合力。計算公式:吸合力P1=氣壓P×吸合面積S。式中氣壓P為真空吸盤工作時產生的負壓(N/cm2),大小由自制夾具所能夠達到的真空度(kPa)決定。公式中的吸合面積S(cm2)是工件與吸盤之間形成真空吸力的吸合面積S1。S1是在密封條圍合的密封范圍內,工件底面與吸盤之間能夠形成真空的所有真空槽的面積總和。

        由此可見,在真空度一定的情況下,自制吸盤吸合力的大小由S1決定,即P1=P×S1。增大吸力P1的方法,是增大工件與吸盤之間形成真空的吸合面積S1。

        2)銑削力(N)(即圖5中P2)的計算公式:

        式中,F(xiàn)Z(P2)是銑削力(N);CF是高速鋼銑刀加工不同材料的切削系數(shù),其值查表;kF是高速鋼銑刀銑削力的修正系數(shù),其數(shù)值根據銑刀的幾何角度查表;ae是切削層公稱寬度(mm);af是每齒進給量(mm/z);d0是銑刀直徑(mm);z是銑刀齒數(shù);ap是銑削深度(mm)。

        理想的銑削力是在保證工件吸附牢固、加工安全的前提下,能夠獲得更高的生產效率和更好的加工質量。分析銑削力的計算公式及其各參數(shù)定義,在切削系數(shù)CF和修正系數(shù)kF確定的情況下,決定銑削力FZ大小的關鍵因素是刀具直徑、齒數(shù)的選擇以及切削用量的確定。可以通過選擇直徑較小、切削鋒利的刀具來減小扭矩和工件受力,從而增加工件吸附的安全可靠性。可以在機床性能允許的情況下,選擇高的主軸轉速、大的切削速度、小的進給量和切削深度,來達到減小切削力、提高生產效率和加工質量的目的。

        3)摩擦力(N),圖5所示的S2是工件與吸盤之間的接觸面積。切削加工被吸盤吸附的工件時,在大氣壓力P1的作用下,接觸界面S2會形成摩擦力F來抵抗工件所受到的切削力,其大小可根據公式F=μ×P1(μ為摩擦界面的靜摩擦因數(shù),其數(shù)值可根據構成摩擦界面的材料配對查表)計算。摩擦力F的大小與接觸面積S2大小無關,工件在切削過程中,只有當切削力P2小于大氣壓力P1產生于S2面的摩擦力F時,工件才能保持穩(wěn)定。反之,工件就會開始滑動甚至脫離吸盤飛出。

        綜上所述,利用自制真空吸盤吸附工件進行切削加工,必須滿足的基本條件是:切削力小于摩擦力,即P2<μ×P1。這是判斷自制真空吸盤使用性能的重要指標。一方面,關系到夾具使用過程中,必須時刻放在首要位置的安全可靠性。另一方面,在保證加工過程絕對安全可靠的情況下,能夠指導使用者綜合機床性能,對使用的加工刀具和切削參數(shù)進行優(yōu)化調整,達到充分提高生產效率和加工精度、深入挖掘自制夾具使用潛力的目標。

        (2)夾具使用流程 圖6是我公司某零件示意圖,材料為聚氨酯,采用數(shù)控加工,使用自制真空吸盤裝夾,工作流程大致如下所述。

        圖6 某聚氨酯加工件示意

        1)將自制夾具固定在數(shù)控機床工作臺面,聯(lián)接氣源。

        2)把工件毛坯擺放在真空吸盤臺面上(見圖7),工件底面與吸盤表面用發(fā)泡膠條在密封槽內圍合密封,圍合的范圍應略小于工件外輪廓。要求毛坯底面平整光潔,以保證吸附的真空密封性。

        圖7 毛坯安裝示意

        3)工件受力計算與切削條件驗證:大氣壓力(吸合力)P1經計算,圖6所示工件面積為514.2cm2,圖7所示的加工前毛坯面積為677cm2,自制吸盤真空壓強P=-85kPa,有效真空吸合面積S1=265 cm2。

        則吸合力P1=P×S1=-85×265=2 207.45(N)。

        摩擦力F:按照聚氨酯-鋼配對,查表得到靜摩擦因數(shù)μ為0.18。

        則摩擦力F=μ×P1=0.18×2207.45=397.34(N)。

        銑削力P2:銑削此零件使用高速鋼立銑刀,主軸轉速5 000r/min,切削速度3 000mm/min,根據被加工材料和選用的高速鋼銑刀幾何角度查表得到系數(shù)CF=167,kF=0.92,切削參數(shù)預設ae=16mm,af=0.2mm/z,d0=16mm,z=3,ap=1mm。

        根據公式計算,銑削力P2(FZ)=144.5N。

        切削條件驗證:根據計算,銑削力P2(144.5N)<μ×P1(2 207.45N),完全滿足該零件利用自制吸盤吸附加工的切削條件。

        4)操縱手扳閥,打開真空回路,工件牢固地吸附在吸盤表面。觀察真空表,負壓顯示-85kPa,壓力穩(wěn)定可以開始加工。

        5)工作中,注意觀察真空表的負壓值是否穩(wěn)定在正常范圍內(正常范圍數(shù)據可參考上述切削條件驗證方法進行計算)。

        6)如圖8所示,聚氨酯毛坯在自制吸盤的吸附下,通過一次安裝可以完成此工件的所有加工,解決了傳統(tǒng)加工聚氨酯板存在的各種困難。加工精度能夠滿足工藝技術要求,生產效率可以提高40%左右。

        圖8 加工完成示意

        7)加工完成后,將夾具上的切屑及切削液等清理擦拭干凈。操縱手扳閥,關閉真空回路,取下從吸盤釋放的工件。

        5. 夾具的經濟適用性

        夾具的經濟適用性如下所述。

        1)本夾具適用于有穩(wěn)定氣源的任何場所。

        2)夾具自身工作中所需的能源消耗低,用電量小。使用過程環(huán)保無污染,沒有光、熱和電磁等產生。

        3)當通用型吸盤不能夠完全滿足于特殊產品的生產需求時,可針對該產品的加工特點,柔性化地設計、制作專用吸盤。

        6. 夾具的安全可靠性

        通過自制真空夾具并實際應用,單件或者批量加工上述鋁板和聚氨酯板等零件,得出以下結論:

        1)聯(lián)接本公司集中供氣的空壓站,空壓站供壓為0.7~0.8MPa。安裝工件并合理密封底面,操縱手扳閥,使真空發(fā)生器達到工作狀態(tài),真空表數(shù)值顯示負壓0.085MPa,負壓數(shù)值穩(wěn)定。

        2)工件底面與吸盤表面快速達到真空狀態(tài)后,貼合緊密且牢固。

        3)根據不同的加工材料合理選擇加工刀具與切削用量,盡量選擇以高的主軸轉速、大的切削速度、小的進給量和切削深度切削加工以減小切削力,提高工件吸附的安全可靠性。

        4)加工不同材質的工件通過運用不同的工藝方案,工件加工精度高、表面粗糙度好,完全滿足了工藝技術要求。加工平面平行度實測≤0.02mm。

        5)氣源提供壓力的大小是決定真空夾具與工件之間真空度的重要因素,嚴重影響工件加工的安全可靠性。因此,夾具使用過程中,必須嚴格控制氣源的穩(wěn)定和可靠。

        6)突然的斷電和氣源故障等小概率事件,可能會使正在加工的工件產生滑動或者飛出而造成報廢,利用空壓站儲氣罐的緩沖作用可以延遲其突然性。因此,加工中應嚴密監(jiān)測真空表數(shù)據變化,發(fā)現(xiàn)異常及時采取措施。

        7. 夾具的綜合性能

        夾具的綜合性能如下所述。

        1)制作、使用和維護成本相對低廉,應用范圍廣泛。

        2)解決傳統(tǒng)加工方法中的多次安裝夾緊以及壓變形、壓傷等問題。通過固定工件底面,一次性完成其他面的加工。工件裝卸快捷方便,加工精度高,提質增效效果明顯。

        3)對于單件生產或者批量生產都能達到降低生產成本、減輕勞動強度的目的,能夠促進企業(yè)的節(jié)能降耗。

        4)經濟適用性高,安全可靠性好。

        8. 結語

        本文所述的自制真空夾具結構簡單,通用性強。經過實踐驗證,使用方便,安全可靠,能夠很好地滿足生產需要。利用該真空吸附夾具高速銑削本文所述薄板類零件,有效地解決了傳統(tǒng)加工中存在的困難,有效地提高了加工質量和生產效率,為企業(yè)生產取得了良好的經濟效益。

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