用橡膠氣囊解決薄壁工件加工產生的振動

林斌

(廣東省粵東技師學院，廣東 粵東515041)

當前在模具制造、玩具生產等機械工業領域，薄壁復雜形狀回轉體工件越來越多，而且此類工件大多對精度的要求很高，材質特殊，而且批量較大。因為這類工件剛度低，加工工藝性差，對振動、切削力及切削溫度等均十分敏感，不易控制加工精度和提高加工效率。特別是越接近最終加工尺寸時加工起來越困難。對此類復雜薄壁工件實現高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是玩具制造業面臨的一個重要課題。然而傳統的安裝系統對此類工件的安裝存在相當大的困難，因此就需要從非傳統裝夾技術出發，重新開發設計出新的安裝夾具系統以實現對低剛度、復雜形狀的薄壁工件的柔性、可靠裝夾。本文介紹一種橡膠氣囊夾具以滿足這個要求。

1 工件綜合分析

1.1 對象介紹

筆者單位設計出一種新產品，材料為鋁的玩具陀螺，如圖1 所示。它的結構如圖2 所示。其中，頂蓋1 與主體2 以螺紋連接進行配合，主體2 和3 也是采用螺紋連接進行配合，尖部4 內孔里裝有一個小軸承，利用軸承和內曲面，分別與主體3 右端的軸承位和外曲面進行配合。零件壁薄只有1.5 mm，表面粗糙度要求Ra= 1.6 μm，其次，還要考慮陀螺玩具直立旋轉的動平衡。所以工藝安排和夾具選用難度較大。

本文以陀螺主體作為研究對象，零件如圖3 所示。工件毛坯尺寸分別為φ85 mm×40 mm 和φ85 mm×58 mm 的鋁棒料。工件的最大直徑約80 mm，壁厚為1.5 mm，且壁厚要求均勻，壁厚差要求控制在0.05 mm 以內，而且外表面配合要求較為一致，使得加工更加困難。加工過程中為了減小工件變形，保證加工質量和精度，雖然在工藝上采用了諸多辦法，例如合理采用工藝方法、預留合理的加工余量、合理選擇加工參數等，但如果能在加工過程中采用一些輔助工裝，減小或消除加工中的振動，則相當于減小了加工變形系數，從而提高加工質量和精度。

1.2 工藝分析與加工方案擬定

由于主體2 的外圓曲面與主體3 的外圓曲面應該為一體，兩件配合后較為一致，外觀要求比較嚴格。另外，玩具陀螺是一種旋轉運動的玩具，如果兩主體件單獨加工后再進行配合的話，玩具陀螺將會因為每個微小質點產生的離心慣性力不能相互抵消，陀螺在旋轉的時候動平衡較差。所以，主體2 應內外輪廓先加工完成，并且外圓曲面應該留有余量;而主體3 應該先把內孔輪廓全部加工完成，然后利用螺紋配合與主體2 緊配在一起，使用專用夾具夾緊定位后，再進行主體3 右邊外圓輪廓的粗加工，最后一刀完成主體2 與主體3 外圓曲面的精加工，如圖4 所示。所以，主體3 外圓還存在著粗加工的重切削和最后的精加工，工件壁薄容易產生振動與變形，工件裝夾定位十分困難。

1.3 定位與夾緊

要加工薄壁陀螺的外表面，就需用工件內表面初定位，因為薄壁陀螺左開口端內表面有一段內圓柱面，以及右端一段內圓柱面，可以用兩個內圓孔進行初定位，并在工件右端孔用螺釘壓住墊片與夾具連接，對工件進行輔助支撐如圖5 所示。同時，在工件內壁上設置周向均布的多組多個支撐脹緊點，用脹緊元件或機構對工件薄壁進行脹緊，如圖6 所示這些元件或機構的頂端應帶有仿形接觸面的非剛性夾緊材料，這些材料與工件內壁仿形面接觸并以適當的脹緊力脹緊工件，限制工件剩余的自由度，保持工件的初定位沒有發生變化，也就保證了夾具體回轉軸、工件回轉中心以及機床主軸中心的同軸度，從而保證了工件的加工精度。

2 工件安裝系統設計

本安裝系統，采用仿形面接觸、非剛性材料接觸夾緊的橡膠氣囊夾具，可以對陀螺實現工件柔性、高精度、高效率和低成本的可靠裝夾。

2.1 橡膠氣囊夾具

陀螺為薄壁復雜形狀回轉體工件，工件的外表面為流線型曲面，所以要用非剛性材料對工件進行仿形接觸夾緊，并盡可能增加夾緊接觸面積，以保證對其外表面切削加工的加工質量。根據工件的橫截面，設計橡膠氣囊夾具如圖7 所示。

2.2 工作原理

根據工件8 的曲面制作的仿形橡膠氣囊2 裝在夾體1 的心軸上，用夾具體上的外圓柱面7 定位，右端用螺栓5 與夾具1 連接，并鎖住工件，保證定位的可靠，然后向氣囊中充入壓縮空氣，靠氣囊膨脹后與心軸外表面和工件內表面的作用與反作用力來脹緊工件，消除了加工過程中薄壁工件產生的振動，然后對工件進行加工。加工完成后，放出氣囊中的空氣，松開右端螺栓取出工件，并進行批量生產。

3 結語

本設計已應用于玩具復雜薄壁件的加工中，夾具利用橡膠氣囊充氣后脹緊工件，保證適當并有足夠的脹緊力，通過螺栓的調節，便于調整和裝卸。結構簡單，制造使用都很方便，解決了工件加工變形和振動的難題，薄壁陀螺的加工質量和加工精度都有大幅度的提高，工件加工合格率提高到95%以上，降低了單件加工成本。

［1］吳拓.現代機床夾具設計［M］.北京:化學工業出版社，2009.

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