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        基于真空吸附的機頂盒殼體夾具優(yōu)化設計

        2023-08-22 06:39:22梁柱彬黃仲庸
        金屬加工(冷加工) 2023年8期
        關鍵詞:優(yōu)化

        梁柱彬,黃仲庸

        1. 東莞市德勤教育科技有限公司 廣東東莞 523000

        2. 東莞市高技能公共實訓中心 廣東東莞 523000

        1 序言

        機頂盒是一種終端裝置,其發(fā)展與電視技術的發(fā)展息息相關[1]。隨著電子與信息技術的迅速發(fā)展,多功能增值業(yè)務開發(fā)和應用不斷進步,導致作為接入設備的機頂盒發(fā)展趨勢呈現材料多樣化、結構緊湊化的特點,機頂盒精度要求和制造難度也隨之提高。機頂盒是現代生活中常用的產品,該類產品尺寸適中,市場需求量大[2]。通過引進自動化設備代替部分操作人員的工作,改進加工方案,能降低生產成本,從而提高生產效率,并確保產品質量。引入夾具是有效的手段,本文主要對夾具設計、加工工藝、夾緊結構和達到產品加工合格率等幾個方面進行說明,為薄壁殼體類零件夾具設計提供參考。

        2 產品的工藝分析

        2.1 機頂盒工藝要求

        機頂盒為批量件,材料為AL-6063,該材料屏蔽性好、防靜電、抗輻射,即使在濕度較大的環(huán)境下也不易生銹腐蝕。機頂盒結構如圖1所示,外形尺寸96mm×96mm×13.5mm,外觀設計規(guī)則,沒有復雜曲面,要求外觀完整無破損,內部結構以臺階位為主,孔系多,制造精度要求高,加工工藝較多。機頂盒比較薄,加工時容易變形,周邊材料厚度為2mm,最薄處的正面薄壁厚度只有0.8mm??紤]到裝夾和外觀要求,確定機頂盒加工工序為:機頂盒反面加工→機頂盒正面加工→機頂盒側面加工。

        圖1 機頂盒結構

        2.2 機頂盒工藝難點

        此產品的工藝難點有兩個,第一個為側面四邊的幾何公差,加工后工件的公差要求為平行度0.01mm,平面度0.01mm,垂直度0.01mm,容易超差。第二個難點為平板的尺寸公差,最薄處0.8mm的公差要求是上偏差+0.05mm、下偏差-0.02mm,平面允許形變要求是上偏差-0.15m m,下偏差-0.25mm,加工正面薄壁時受切削彈性變形作用,加工面整體尺寸精度產生超差,對產品整體精度和質量造成影響。

        3 夾具設計

        3.1 夾具設計思路

        考慮批量生產的要求,加工中采用氣動夾具進行裝夾,采用真空吸盤通過負壓吸附的原理施加夾緊力進行固定加工。機頂盒幾何公差要求苛刻,厚度較薄,易變形。若需保證機頂盒加工后達到合格要求,則需慎重考慮吸附力對產品變形的影響,其影響與作用點和作用方向有關。先判斷設計夾具的支承點、定位點和夾緊點是否滿足所有的約束條件,再計算出吸附力在切削時是否滿足薄壁處允許形變要求,進而制定一款快速裝夾的夾具。

        3.2 吸附力的原理

        真空吸盤使用時,切削受力情況如圖2所示。其中F0表示切削力(N),F1表示工件所受垂直方向壓力(N),S1為真空吸力的吸附面積(mm2),S2為工件與真空吸盤的接觸面積(mm2)。吸附力F1=(Pa-P)S1,其中Pa為大氣壓強(MPa),P為真空吸盤抽空力壓強(MPa)。按工件與真空吸盤吸附面積S2為接觸面積考慮,由于接觸面屬于精加工面,靜摩擦系數0.15,得出摩擦力為0.15F1。工件切削時,切削力F0小于由F1產生的S2面上的摩擦力時,才能達到加工精度要求。當真空吸盤的真空度達到一定程度時,吸附力的大小只取決于吸附面積S1的大小。真空吸盤在真空時,吸附力與接觸面積S2無關,因此真空吸盤設計時抽氣孔要合理均勻,使吸附面積S1>接觸面積S2[3]。

        圖2 機頂盒切削受力情況

        3.3 吸附力的計算

        根據吸附力的計算公式,結合產品的實際情況,得到公式

        其中F0為100N,Pa為1.01MPa,d為吸附孔的直徑3mm,n為孔的數量150。將數值代入公式,計算可得理想吸附壓強P為0.38MPa。

        3.4 夾具優(yōu)化

        產品加工后的幾何公差沒有達到要求,經過反復測試,無論改變加工方法,還是改變切削量范圍,都無法達到要求。既然切削力無誤,則考慮吸附力出現誤差的可能性。由于產品反面特征的原因,真空吸盤的孔位無法均勻分布。夾具優(yōu)化前是采用4個氣缸使吸附力均勻吸附工件,如圖3a所示,加工中出現擺動現象[4]。夾具優(yōu)化后是以中心位為真空吸盤抽空力作用點,以此來解決加工中出現擺動的問題,優(yōu)化后產品(見圖3b)達到合格要求,見表1。

        表1 優(yōu)化前后公差對比 (單位:mm)

        圖3 機頂盒夾具

        夾具優(yōu)化設計中既要考慮減少企業(yè)額外設備投入的需求,也要滿足批量生產高效率的需要[5]。由于產品的反面特征復雜,幾何公差要求高,為了達到加工要求,真空吸盤加工要求也相對高[6]??紤]到真空吸盤的加工將使企業(yè)增加成本,因此第二工序與第三工序進行夾具共用優(yōu)化,如圖3b所示。優(yōu)化后,裝卸工件時十分簡單方便,真空吸盤停止工作后,接觸面形成“分子黏著”現象,利用壓縮空氣“出”與“入”防止工件劃傷的情況。

        3.5 夾具結構

        夾具設計結構采用了吸附力的方式來解決薄壁處加工后變形情況[7],如圖4所示。

        圖4 機頂盒夾具示意

        夾具主要由兩大部分組成,分別是吸緊部分、定位部分,包括連接板、真空吸盤、螺母、橡膠圈、4軸裝夾板和T形塊組。真空吸盤是工件定位部分,真空吸盤、橡膠圈是工件加工時用來減少變形量的,屬于吸緊部分,連接板、螺母和4軸裝夾板是輔助功能部件,4軸裝夾板是為了三工序操作方便穩(wěn)定、減少調試工序、提高裝夾速度、降低生產成本及降低勞動強度[8]。

        3.6 夾具的定位與裝夾

        工件與夾具外形貼合面進行快速定位裝夾,利用吸附力保證定位的穩(wěn)定性,有足夠的承載能力,通過壓力的大小來控制夾持力度(依據“基準重合”原則[9])。如圖5所示,工件與真空吸盤通過氣管口控制吸附力大小來實現完全定位,滿足工件加工的定位原則[10]。因工件較薄,易變形,所以在真空吸盤、連接板位置上通過橡膠圈的密封狀態(tài)控制吸附力,減少變形量。夾具優(yōu)化后,工序二和工序三的裝夾方式一樣,工序三通過4軸裝夾板與第4軸進行安裝,控制氣管和真空吸盤可快速方便裝卸工件[11]。

        圖5 夾具安裝示意

        4 生產和檢測

        優(yōu)化夾具后再多次檢驗和測試生產出來的產品,在三坐標測量儀和仿形檢具的檢測下,工件尺寸和幾何公差滿足精度要求,檢測方式和結果見表2。通過吸附力控制,定位裝夾準確快速,降低了制造成本,減少了調試工序時間并提高了生產效率[12]。

        表2 檢具清單和檢測結果

        5 結束語

        通過夾具優(yōu)化設計思路,采用真空吸附的方式能有效地解決薄壁類零件變形的問題,提高了生產效率,適用于多數的薄壁類產品有針對性地設計夾具。真空吸盤工作原理簡單、性能可靠,既能滿足工藝要求,又能滿足薄壁殼類零件應用要求。應用真空吸盤的夾具優(yōu)化,無論在柔性制造大批量生產中,還是在單獨機臺量產時,都可以縮短調試周期、降低生產成本。

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