薄壁零件裝夾卡盤的研制與應用

葉鑫焱

（梅州市技師學院，廣東梅州 514000）

0 引言

數(shù)控機床是自動控制式機床，內(nèi)部裝有控制單元和控制工作站，按照設計程序完成加工過程。很多復雜的機械零件都是由數(shù)控機床加工完成。數(shù)控機床是集成電子、機械、軟件、測量等多種重要學科的技術產(chǎn)物，其結構組成包括加工程序載體、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、機床主體和其他附加裝置。

數(shù)控機床可以解決普通機床難以解決的復雜零件的加工制作，在加工復雜的薄壁類零件過程中，面臨諸多難點，首先是復雜零件的剛性相對較差，切削過程中經(jīng)常出現(xiàn)振動和變形，承受切削力和夾緊力的能力較差。裝夾的過程不小心，同樣會引起變形。因此，相應的裝夾卡盤需要嚴格的設計和研制。

1 復雜薄壁零件的裝夾技術

隨著科技的發(fā)展和工業(yè)的進步，對結構制造的要求和需求也越來越高越來越大，復雜薄壁零件便是這種高要求下所需要的精密部件，例如圖1所示的電子產(chǎn)業(yè)中的鋁合金零件，是一種典型的薄壁零件，壁厚、孔圓角、槽寬尺寸都很小。零件的加工精度直接影響電性能指標，加工過程中切削力，切削熱和殘余應力同時施加給薄壁零件，很容易產(chǎn)生變形和尺寸偏差。因此，控制變形是薄壁零件加工中最為關鍵的技術點。可以通過很多方法來實現(xiàn)，比如裝夾方式的改進，刀具路徑的修正以及通過合理的工藝方法改變毛坯基礎等。夾具卡盤安置的主要目的主要是控制夾緊力，因此合理設計夾具方案非常重要，卡盤方式的選擇和支撐塊位置的放置可以控制夾緊力，定位處于加工過程，卡盤支撐和約束對卡盤夾緊過程的局部彈性變形影響較大，裝夾的位置會受到影響，彈性變形可能引起工件的剛性平移和剛性轉(zhuǎn)動，使工件相對刀具的位置發(fā)生改變。工件在數(shù)控機床上的裝夾精度也是影響加工精度的重要因素，在加工精密儀器過程中，如果夾具質(zhì)量不高，可能會引起20%～60%的誤差，因此需要優(yōu)化裝夾卡盤的研制和制作減小裝夾的彈性變形以提高加工精度，提高生產(chǎn)效率。

圖1 薄壁零件

2 卡盤設計方案

為提高夾具卡盤的設計精度，克服傳統(tǒng)夾具卡盤的缺陷，薄壁零件的裝夾，需要遵循一定的原則。首先應該擴大工件下部的支撐面和卡盤夾壓面積，其次需要增加夾壓的點，使作用力均勻，減小夾壓應力和接觸應力。必要時，可以在底部增設次要支撐，增強工件的剛性。

工藝夾頭的選擇需要特殊設置，切削坯料過程中，需要事先留出有效的夾持長度，加工后要切掉外圓、端面和內(nèi)外孔的殘渣毛刺，這樣工件就不會出現(xiàn)過大的變形，位置精度可以得到充分的保證，包括內(nèi)外圓和端面。另外還要讓變形均勻，可以通過卡盤夾點的位置改變，或者減小零件的形變來實現(xiàn)。變徑向夾緊為軸向夾緊，使夾緊力作用在較大的軸向，避免徑向發(fā)生較大變形。切削力的經(jīng)驗公式見公式（1）。

式（1）中，C均為系數(shù)，X為指數(shù)，ap為背部吃刀量。刀具的角度選擇：加工薄壁類工件的刀具和刀刃要鋒利，一般采用較大的前角度和主要偏角，但不能太大，否則會引起到刀頭體積的減小而引起強度、剛度的下降，散熱性能也會變差，最終影響加工精度。

設計中選用較為簡單且不容易產(chǎn)生變形的三爪氣動式卡盤，圖2是利用仿真軟件設計出的卡盤效果圖，加工零件安置在卡盤之間，零件內(nèi)向外側(cè)的徑向支撐結構和間隔環(huán)的靈活應用，可以滿足不同內(nèi)徑、長度的薄壁零件的柔性裝夾。零件在加工過程中不易變形，拆裝便捷，且具有很長的使用壽命。此類夾具應用于薄壁零件加工，在其他零件加工中同樣可以使用。夾具卡盤的設計不僅要保證足夠的強度，而且也應牢固可靠。

圖2 卡盤設計效果圖

卡盤放置零件時，需要使用開口套工具，自定義的卡盤夾持開口套工具可以均勻的抱緊薄壁套，隨后進行切削。卡盤的裝夾口弧度大，可以增大夾持面積，減小薄壁套的加緊和車削變形。此時需要把大弧形三爪卡盤和原定義的卡爪焊接后放置一段時間，讓其自然變形，大弧形的軟爪需要足夠的縱向厚度，卡盤的內(nèi)部焊接定位盤，充分保證薄壁零件定位準確。

3 薄壁工件加工流程

（1）準備工作。在卡盤夾具已經(jīng)設計完備的前提下，合理選擇刀具的幾何參數(shù)和切削用量，前角大的道具切削變形較小，切削力小，振幅小且不容易產(chǎn)生振顫，后角不宜過大，避免產(chǎn)生振動和摩擦，刀具的圓角半徑增大會增大切削力，如果圓角半徑太小會影響表面粗糙度和刀尖強度。因此刀具要根據(jù)具體加工的零件選擇。主軸轉(zhuǎn)速越高，則切削加工的零件越容易發(fā)生振顫，低速的切削不容易產(chǎn)生振顫。走刀量越小，則切削厚度越薄，適當?shù)募哟笞叩读浚梢詼p小振幅，背吃刀量越大，振動切削力的波動就越大，越容易產(chǎn)生振顫。

（2）裝夾。設計的卡盤為軟爪裝夾，爪內(nèi)孔要比工件的外徑大0～0.5 mm，對工件的包容面積要達到90%～95%，用設計卡盤軟爪的端面進行軸向定位，軟爪端面的加工應該和內(nèi)孔的加工在一次裝夾中完成，保證軟爪端與內(nèi)孔垂直，提高精度并且減少變形。首先將工件裝在脹緊套上，左端面由與卡盤夾具的臺階端面貼緊，裝入拉桿，主軸后面施加軸向力，拉動軸桿，同時拉桿外圓錐面與脹緊套配合，脹緊套和工件內(nèi)孔配合完成夾緊。

（3）加工過程。要求和規(guī)格不同的薄壁零件的加工過程存在區(qū)別，基于薄壁零件的特點，要控制好程序的完成過程，對所加工的工件關鍵技術點和內(nèi)容進行反復對照，在粗加工完成之后要先進行自檢，存在誤差的數(shù)據(jù)要及時調(diào)整，包括松動情況，分中情況，基準面的尺寸情況，位置情況。加工完成后，要對工件進行確保性檢查。

4 結語

薄壁復雜零件在工業(yè)產(chǎn)品中的應用十分廣泛，因其自身特性導致設計過程復雜，采用數(shù)控機床設計夾具卡盤具有重要的工程意義，首先對薄壁復雜零件需要的夾具卡盤類型進行分析，設計出實用的夾具類型，經(jīng)實驗驗證，使用特制夾具卡盤加工薄壁零件的誤差較小。

［1］昊靜.數(shù)控機床關鍵技術與發(fā)展趨勢［J］.中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2017（6）：118－120.

［2］李志強.數(shù)控銑精密薄壁零件加工工藝探討［J］.橡塑技術與裝備，2016（2）：31－33.