■ 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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)要求，并且有效地提高產(chǎn)品的加工精度和生產(chǎn)效率，改革工裝夾具是重要途徑。

本文主要闡述一種經(jīng)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?qū)︿X板、銅板及塑料板等非磁性板類零件的上表面、側(cè)面在一次安裝下完成所有加工，達到提質(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)生的壓力差，使工件產(chǎn)生了一個向著吸盤的力。切削加工時，在切削力的作用下，產(chǎn)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(jié)構(gòu)

（1）主體結(jié)構(gòu) 如圖1～圖3所示，夾具主體結(jié)構(gòu)的吸盤和底座可使用45鋼制作，在粗加工后需進行調(diào)質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，可安裝固定真空回路元件和管線。底座的側(cè)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(cè)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(jù)所加工的大小不同、形狀各異的工件外輪廓在密封槽內(nèi)任意圍合，形成密閉區(qū)域。在密閉區(qū)域內(nèi)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)

圖4 基本氣動結(jié)構(gòu)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(nèi)（真空吸合面積S1，單位cm2），產(chǎn)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(nèi)，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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)，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(jù)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(chǎn)效率和更好的加工質(zhì)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(guān)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(zhuǎn)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(chǎn)效率和加工質(zhì)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(jù)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(jù)構(gòu)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(guān)，工件在切削過程中，只有當切削力P2小于大氣壓力P1產(chǎn)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(guān)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(diào)整，達到充分提高生產(chǎn)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(nèi)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(jīng)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(zhuǎn)速5 000r/min，切削速度3 000mm/min，根據(jù)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(jù)公式計算，銑削力P2（FZ）＝144.5N。

切削條件驗證：根據(jù)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(nèi)（正常范圍數(shù)據(jù)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(shù)要求，生產(chǎn)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(guān)閉真空回路，取下從吸盤釋放的工件。

5. 夾具的經(jīng)濟適用性

夾具的經(jīng)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(chǎn)生。

3）當通用型吸盤不能夠完全滿足于特殊產(chǎn)品的生產(chǎn)需求時，可針對該產(chǎn)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(jié)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(jù)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(zhuǎn)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(zhì)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(shù)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(chǎn)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(jù)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(zhì)增效效果明顯。

3）對于單件生產(chǎn)或者批量生產(chǎn)都能達到降低生產(chǎn)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(jīng)濟適用性高，安全可靠性好。

8. 結(jié)語

本文所述的自制真空夾具結(jié)構(gòu)簡單，通用性強。經(jīng)過實踐驗證，使用方便，安全可靠，能夠很好地滿足生產(chǎn)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(zhì)量和生產(chǎn)效率，為企業(yè)生產(chǎn)取得了良好的經(jīng)濟效益。