一種模塊化真空吸附式組合夾具的研制與應用

韓 柏 王張捷

（揚州工業職業技術學院，江蘇揚州 225127）

一種模塊化真空吸附式組合夾具的研制與應用

韓 柏 王張捷

（揚州工業職業技術學院，江蘇揚州 225127）

介紹了一種通用程度高的模塊化真空吸附組合夾具的研制與應用，重點說明了夾具模塊的結構、相關技術參數的分析與確定。該夾具結構簡單、適應性強，通過夾具模塊的組合可用于各種不同尺寸的薄壁工件的裝夾，且裝夾可靠并能保證工件的加工質量。

夾具 模塊化 研制與應用

隨著我國科技的不斷發展，3A21、2A12、H58、H62等易變形的鋁、銅合金材料已廣泛應用于電子、機械、軍工等產品中。而為了滿足體積與重量越來越小的高要求，薄壁零件也越來越多。以前銑削加工這類材料制成的薄壁零件時，主要采用壓板式夾緊方法夾壓工件的四周。由于裝夾困難造成生產效率低，同時銑削加工時受力不均，容易產生變形而導致工件報廢率高。后來采用真空吸附式夾具裝夾工件能夠較好地解決薄壁件加工變形的難題，但它的缺點是無通用性，當工件的尺寸、所需的最小吸附面積等參數變化時就須另行制造相應的夾具。為此研究開發了模塊化真空吸附式組合夾具，它可用于多種不同材料、不同尺寸工件和不同加工工藝時的裝夾。同時可以快速定位夾緊，從而實現了夾具的模塊化和通用化，大大提高了裝夾效率并降低了生產成本。

1 夾具模塊的結構設計

模塊化是本夾具的獨特之處，即夾具是由一個或多個單一的夾具模塊組合拼裝連接而成，選擇的夾具模塊數量需要根據被加工工件的尺寸等相關參數確定。

單一的夾具模塊被設計成正方形板狀，由金屬板材通過精密加工得到，夾具模塊的結構如圖1所示。在模塊頂面（工作面）上均勻布置有若干個吸附沉孔，相應地在模塊體內分別加工出與吸附沉孔相通、抽真空時用作空氣回路的通氣道，通氣道成縱橫分布并相互垂直貫通。通氣道加工后在相鄰側面的中間各留出一個道口待加工為螺紋接口，其余道口均封堵焊死確保氣密性;沉孔內裝O型密封圈，可保證吸附（裝夾）薄壁工件以及專用金屬平板（下稱附件）時不漏氣。在夾具模塊的四角設計有4個安裝沉孔，其定位尺寸可根據機床工作平臺上的安裝槽尺寸確定。為了實現夾具模塊的組合，在各個側面的中間各加工了一個螺紋接口，可供多個夾具模塊的拼裝連接和通氣之用。

2 技術參數的計算分析

為保證工件在切削加工時能夾緊（吸緊）不產生移動，理論上必須滿足以下條件：F摩（=fF吸）≥ F切，式中：F摩為工件與夾具模塊間的摩擦力;F吸為工件受到的吸附力;F切為切削力;f為夾具頂面與工件表面之間的摩擦系數。實際上為確保安全可靠，摩擦力應遠大于切削力。由式可見F摩的大小主要取決于F吸，而F吸與工件的吸附面積A、吸附氣壓P有關。當P一定時A越大，則F吸就越大，亦即F摩越大。

該夾具模塊的設計以滿足鋁合金材料銑削加工要求為基礎。設計時首先通過切削力和吸附力的計算確定出夾緊工件所需的最小吸附面積，進而確定出單一模塊上吸附沉孔數目、孔徑以及模塊的大小尺寸。

薄壁工件銑削加工常有兩種方式：用高速鋼端銑刀加工平面和用硬質合金立銑刀加工型腔，現分別對此進行計算分析。

2.1 切削力計算

2.1.1 用高速鋼端銑刀采用對稱銑加工平面

確定加工條件：設銑刀直徑為d0、刀刃齒數為Z、切削速度為v、切削深度為ap、切削寬度為ae、每齒進給量為af。相關計算公式分別為

走刀抗力FH=0.4 FZ

垂直切削分力FV=0.9 FZ

式中 CF——切削力系數，取決于被加工材料性質

kF——修正系數，kF=（σb/75）0.3，σb為材料的抗拉強度

經計算可得到相應的切削力F切1。

2.1.2 用硬質合金立銑刀加工型腔

確定加工條件：d0、Z、v、ap、ae、af各參數的意義同上。相關計算公式分別為

走刀抗力FH=1.2FZ

垂直切削分力FV=0.3FZ

式中 n——機床主軸轉速，根據選定的切削速度確定

經計算可得到相應的切削力F切2。

2.2 所需的最小吸附力和最小吸附面積計算

在正常工作時，工件與夾具工作面上沉孔內的O型密封圈貼緊，故按鋁－橡膠副取定摩擦系數f。由此可計算得到在上述加工條件下工件所需的最小吸附力F吸min1（用端面銑刀銑平面）和F吸min2（用立銑刀銑型腔）。再按夾具的真空系統在正常工況下吸附孔所具有的真空度，可計算得到在上述加工條件下吸緊工件所需的最小吸附面積Amin1和Amin2。考慮在實際加工中應留有足夠的安全裕量，因此確定出工件實際所需的最小吸附面積為：A實min1和 A實min2。

2.3 夾具模塊結構尺寸的確定

考慮到工件在夾具模塊上易于覆蓋吸附孔，故開孔采取小孔徑、密排布的方式，如前圖所示。按照同時滿足 A模塊≥A實min1和 A模塊≥A實min2的要求，在初步選取的基礎上校核計算模塊上具有的實際吸附面積A模塊，并最終確定出開孔直徑和數量。據此結果并結合批量較大的被加工工件的尺寸等情況即可確定出夾具模塊的長、寬、高尺寸。因此對于上述兩種常見的加工方式且當模塊尺寸符合工件支承要求時一般均只需1個夾具模塊。

3 真空氣路系統及密封措施

真空氣路系統的功能是控制真空泵的工作狀態并提供夾具所需的真空度。為便于移動，將其設計成柜式。它主要由電器控制系統、真空泵、過濾器、儲壓罐及其他附件構成。這些器件全部裝在機柜內。過濾器是為防止雜質及銑削液吸入真空泵而設置;儲壓罐的作用是對產生的負壓進行儲存，保證當真空泵工況波動、停機或系統漏氣時存儲罐能釋放負壓以緩和整個系統的真空度波動、減緩真空度下降速度，使操作人員有時間采取停止加工等技術措施。

真空氣路的管道和接頭之間的連接用生料帶纏好后涂上專用的密封膠水粘牢，外面用卡箍夾緊，待膠水干后再在接頭的外面涂上一層硅橡膠。當夾具正常工作后，在負壓作用下使系統各連接、接觸處的密封件與密封面貼合得更緊，因此保證了系統良好的密封性。

4 零件裝夾定位的實現

根據工件的尺寸選擇需要的夾具模塊數量進行組合拼裝并在機床的工作臺上定位、調平、找正后進行固定。用專用堵頭封堵側面上不用的通氣道接口。將工件平放在夾具上并以附件蓋緊夾具頂面上暴露的沉孔。利用平臺上的2個定位銷確定長度方向的定位基準，再利用機床主軸上的校驗棒確定另一邊的基準。連接好各三通接頭和控制閥門。啟動真空氣路系統抽取真空，用木錘輕輕敲打工件將其貼緊夾具即可實現真空裝夾定位工件。

在工件的尺寸過小、非鋁合金材料或采用刨削加工等情況下，工藝人員應首先計算有關的吸附面積參數。當工件的實際吸附面積不能滿足要求時，可選擇吸附面積足夠大的附件輔助裝夾。方法是在切削力作用方向上將該附件與工件的側面不留縫隙地貼緊放置。

5 結語

該夾具研制后在生產中已成功試用，如三種鋁合金材料的電子設備配件，其外形尺寸分別為200 mm×105 mm，396 mm ×200 mm，600 mm ×312 mm，要求用板材進行箱體狀成型加工，經銑削后底部厚度為1.5 mm，周邊壁厚僅為1.0 mm。在實際加工中采用了該夾具進行裝夾，操作簡單，裝夾迅速，工件安裝定位可靠。在首先銑平底面后翻面再次裝夾即可加工型腔完成其余加工，工件加工變形小，厚度均勻一致，質量符合要求。因此，這種模塊化真空吸附組合夾具的應用降低了生產成本，提高了加工效率，起到了其他夾具難以替代的作用。

1 苗廣輝，范帆，姜瑞華.真空吸附在薄板加工中的應用［J］.制造技術與機床，2007（1）

2 王欲知，陳旭.真空技術（第2版）［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

3 楊叔子.機械加工工藝師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2006.

4 成大先.機械設計手冊（第5版）［M］.北京：化學工業出版社，2008.

5 喬世民.機械制造基礎［M］.北京：高等教育出版社，2007.

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The Development and Application of a Modularized Vacuum Adsorption Modular Fixture

HAN Bai，WANG Zhangjie
（Yangzhou Institute of Industrial Technology，Yangzhou 225127，CHN）

The article introduces the development and application of a highly versatile，modularized vacuum adsorption modular fixture，focusing on its block structures as well as the analysis and validation of corresponding technical specifications.The fixture is simply structured and highly versatile，capable of fixing thinwalled spares of various dimensions by means of block combinations.Its reliable fixation performance will guarantee the processing quality of workpieces.

Fixture;Modularized;Development and Application

韓柏，男，1959年生，教師，副教授，工學學士，發表論文近20篇，主要從事機械設計與制造方面的教學及研究。

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2009－08－22）

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