橡膠氣囊解決薄壁工件加工振動的實踐嘗試

唐毅青

(資陽晨工電器有限公司，四川 資陽 641301）

當前薄壁型工件越來越多，并且這種類型的工件使用的材質較為特殊，通常都要求具備較高精度以及大批量的生產。但是這種工件剛度較低，在加工上不具備較強的工藝性，面對切削力、切削的溫度以及振動等都十分敏感，令加工精度很難得以控制，并且很難提升加工效率，尤其是當越接近最終的尺寸加工時便越發的困難。本文嘗試使用橡膠氣囊夾具對解決這些問題進行嘗試。

1 薄壁零件加工分析

薄壁零件加工存在的問題難以有效解決，主要原因是薄壁零件的剛性比較差，且強度偏弱。在進行加工時比較容易發生變形，無法有效確保零件的整體加工質量。而影響薄壁零件加工精度的要素十分多，通過分析可以總結為三個方面。

首先是壓力變形，由于工件壁相對比較薄，在夾緊力的作用影響下會出現變形，進而嚴重影響工件自身尺寸精度以及形狀精度。

其次是振動變形，其在切削力作用影響下，比較容易發生振動與變形，直接影響工件自身尺寸精度和形狀精度以及位置精度等。

最后是受熱變形，由于工件相對比較薄，所有切削會造成工件出現熱變形，難以有效控制工件的尺寸。根據空間的大小，運用不同體積的橡膠氣囊能夠確保支撐工件在調節裝置的調整下處于穩當狀態。因此，在設備開機后，應用橡膠氣囊能夠有效解決薄壁零件加工過程中由于振動影響零件的尺寸精度與形狀精度等問題。

2 薄壁工件的綜合分析

2.1 工件介紹

文本以一種鋁制陀螺玩具為例，進行對應分析。圖1為其結構圖，頂蓋與主體2是用螺紋連接的形式配合在一起的，主體2與主體3也是通過這種方式進行配合的，在尖部的內孔中裝設有一個較小的軸承，內曲面與軸承能夠同主體3右側的外曲面與軸承位相配合。

零件薄壁的厚度僅有1.5 mm，其表面粗糙度的要求為Ra=1.6 μm，此外，還需要對陀螺玩具在直立旋轉時的動平衡加以思考。因此在工藝的安排以及夾具的選擇上都較為困難。

圖1 陀螺玩具結構圖

文章著重研究改陀螺的主體，圖2所示為其零件的具體構造。工件毛坯分別采用的是尺寸為φ85×40 mm與φ85×58 mm的鋁棒料。此工件中最大的直徑約為80 mm，薄壁的厚度為1.5 mm，并且壁厚必須要均勻，將壁厚差維持在0.05 mm以內，并且外表面的配合必須要一致，這就令加工的操作變得越發的困難。

在加工的過程中，為了使工件的變形程度減少，采用了預留合理的加工余量、采用工藝方法以及選擇加工參數，但是若能再將一些輔助的工裝采用與加工的過程中，令加工過程中的振動得以消減，便能等同于將加工變形系數減小，進而使工件的質量與精度提升。

2.2 加工工藝的分析、加工方案的擬定及定位夾緊

鑒于主體2與主體3兩者的外圓曲面應當是一個整體，另個構建需要在配合后有較高的一致性，所以對外觀的要求比較嚴格。

圖2 陀螺主體零件構造圖

此外，玩具陀螺作為一項旋轉運動的玩具，若是兩個主體件在進行單獨加工之后再完成配合，此種狀況下，玩具陀螺就會由于各個微小質點形成離心慣性力，難以有效抵消，在陀螺的旋轉過程中動平衡性相對比較差。因此，主體2應該先進行外輪廓的加工，同時外圓曲面必須要留有余量。同時主體3需要先將內孔輪廓進行全部加工，才可以運用螺紋有效配合主體2，確保其緊配一起，充分利用專用夾具在加緊定位過后，才可以對主體3的右邊外圓輪廓進行粗加工，而最后一刀要實現主體2和主體3的外圓曲面的精加工。因此，在主體3外圓還需要進行粗加工的重切削與最后的精加工，而工件壁相對比較薄，十分容易出現振動和變形，且工件的裝夾定位相對較為困難。

對于加工薄壁的陀螺外表面而言，一定要利用工件的內表面進行初定位，由于薄壁陀螺的左開口端內表面存在一段內圓柱面和右端一段內圓柱面，主要利用兩個內圓孔完成初定位，同時在工件的右端孔利用螺釘壓住墊片和夾具進行有效連接，實現工件的輔助支撐。

除此之外，應該在工件的內壁中建立軸向均布的許多組支撐脹緊點，充分應用脹緊元件或是機構完成工件薄壁的脹緊。一系列元件或是機構的頂端要建立仿形接觸面相應的非剛性夾緊材料，同時這些材料和工件的內壁仿形面一定要接觸，且工件的脹緊力必須要適宜，從而有效限制工件的剩余自由度，保證工件的初定位不會出現變化，從而就確保夾具體的回轉軸和工件回轉中心及機床的主軸中心同軸度，進而確保工件的加工精度。

3 工件安裝系統設計

此安裝系統主要利用仿形面基礎和非剛性材料的接觸夾緊相關橡膠氣囊夾具，針對陀螺完成工件柔性和高精度以及高效率等方面的可靠裝夾。

首先是橡膠氣囊夾具。陀螺作為薄壁相對復雜的形狀回轉體工件，由于工件外表面是流線型曲面，因此一定要利用非剛性材料實現工件的仿形接觸夾緊，同時盡量在一定程度上加大夾緊接觸面積，從而確保對其外表面的切削加工整體加工質量。依據工件的橫截面，有效設計出科學的氣囊夾具。

其次是工作原理。依據工件曲面建立仿形橡膠氣囊裝夾在夾體心軸上，利用夾具體的外圓柱面進行定位，右端的螺栓一定要和夾具進行有效連接，同時鎖住工件，確保定位的安全性與可靠性，這時要向氣囊中實現壓縮空氣的充入，通常氣囊膨脹之后和心軸的外表面以及工件內表面相關作用力與反作用力實現夾緊工件，從而有效處理加工過程中產生的薄壁工件振動，同時針對工件完成技工。在加工之后應該將氣囊中的氣體進行放出，然后松開右端的螺栓取出工件，同時完成大批量生產。

4 結束語

此設計目前已運用在相對較為復雜的薄壁工件加工中，而夾具利用橡膠氣囊在充氣之后的脹緊工件，確保具備充足的脹緊力，經過螺栓的有效調節，便于實現調整與裝卸。另外，結構相對較為簡單，生產制造業方便，有效處理了工件加工過程中存在的加工變形以及振動問題，并且一定程度上有效提升了薄壁工件的整體加工質量以及加工精度，有效減小工件的加工成本，推動機械加工行業的進一步發展。

[1]李亮. 薄壁零件的加工振動分析與加工工藝研究[D]. 南京航空航天大學，2005.

[2]江小輝. 殘余應力生成機理及復雜薄壁件加工精度控制方法研究[D]. 東華大學，2014.

[3]張利軍. 消除薄壁工件加工夾緊力變形的夾具技術研究[J].金屬加工（冷加工），2012，02：38～39.

[4]李文利. 掌握薄壁工件的加工特性 保證薄壁工件的加工質量[J]. 科技視界，2013，04：115.

[5]殷莉. 鋁合金曲面薄壁件柔性工裝夾具的研究與設計[D]. 上海交通大學，2012.

[6]劉濱. 薄壁類零件機械加工工藝研究[J]. 機械工程師，2014，11：242～243.