鈑金平面鉆銑加工隨動夾緊原理與裝置研究??

張政潑 譚 芳 蔣桂平 賴顯渺 黃桂云

(①桂林航天工業學院機械工程學院，廣西桂林541004；②桂林廣陸數字測控有限公司，廣西桂林541213)

目前，鈑金平面加工形式主要有沖壓、鉆孔攻絲、多種形式切割加工等類型[1-5]。對于鉆孔攻絲加工，由于切削力的存在以及鈑金特別是中大規格(指長寬規格，下同)薄鈑金自身剛性薄弱的特點，在較大范圍內進行數控鉆孔攻絲加工的場合難于實現簡捷、可靠的裝夾；對于銑削加工，由于存在加工過程的坐標移動要求，則更難于實現可靠可行裝夾。通過多年的實踐，筆者已在相關專利和設備研發中采用滾動式隨動夾緊原理和裝置較好解決了上述問題[6-7]，并在近年對相關的結構和工藝特性、力學特性和參數調整試驗方法等方面展開進一步分析和研究。本文首先對隨動夾緊原理和結構形式進行分析和介紹，進而對夾緊點分布形式、夾緊力和切削力的平衡關系及其影響因素、參數設定方法進行重點討論分析，最后討論夾緊裝置結構和工藝方案設計特點及原則。本文的研究和總結對于鈑金隨動夾緊裝置的設計、改進和更有效應用具有重要意義，并對解決類似技術問題的研究和設計具有參考意義。

1 滾動式隨動夾緊原理和結構形式分析介紹

1.1 薄鈑金平面加工裝夾策略分析和選擇

對于中大規格薄鈑金平面鉆銑加工的簡便、可靠裝夾，應滿足下列基本要求:(1)能夠在加工區域附近進行可靠夾緊，使該區域形成相對剛性狀態。(2)對鈑金厚度和加工范圍的變動適應性強，少需要甚至不需要額外工裝夾具。(3)對較大范圍的連續銑削加工，夾具形式和夾緊方式不應改變。

如圖1為鈑金平面加工裝夾示意圖，圖2為滾動式隨動夾緊裝置示意圖。按照上述要求，滾動式隨動夾緊原理和特點如下:(1)薄鈑金的整體固定采用兩對邊邊沿夾持固定方式，可以適應各種不同規格的鈑金整體安裝。如圖1的件7、14。(2)如圖1和圖2，在切削中心較小的鄰近周邊對鈑金進行夾緊，并且加工過程夾緊中心始終與切削中心同心并同步移動，實現切削中心鄰近區域的持續夾緊。(3)銑削狀態時，刀具與鈑金連續相對移動，所以夾緊機構與鈑金要形成萬向滾動式壓緊，如圖1、2中的件6、8。(4)對于鉆孔、攻絲工序，當進行加工時，夾緊裝置實行夾緊；但鈑金移動過程處于不加工狀態，夾緊裝置可以松開。

1.2 結構原理

如圖1和圖2，滾動式隨動夾緊裝置的結構形式為:(1)夾緊裝置由上滾動壓緊機構和下滾動支承機構組成。(2)上壓緊機構設置有若干組可調整彈性滾動壓緊元件，其工作行程要大于最大鈑金厚度。(3)下支承由與上壓緊機構對應的環周固定滾動支承元件、與鈑金底面有一個小間隙的中央固定平面支承兩部分組成。進行鉆孔加工時，如向下軸向力較大，將使鈑金底面直接壓在中部支承面上，形成更穩定的壓緊狀態。(4)上壓緊機構、下支承機構與鉆銑主軸同心，并通過傳動機構實現三者的水平同步移動。(5)上壓緊機構可以整體開合。從以上結構和原理可知，夾緊點的夾緊力由彈性壓緊元件的狀態決定。

2 夾緊點分布和受力分析及參數調整

2.1 夾緊點分布形式分析

鈑金平面加工的夾緊可靠性不僅決定于各夾緊點的夾緊力，也決定于夾緊點的數量和分布形式。鈑金剛度在平面方向可認為是各向同性，所以，夾緊點分布應該是圍繞切削中心的均布。主要有以下分布形式:

(1)單圓形均布。如圖3為夾緊點單圓分布示意圖，以切削處為中心的圓形均布，可以實現較小的夾緊點分布圓直徑和裝置外徑，夾緊穩定性好，且排屑相對較方便，是常用形式。以下主要以這種形式進行討論。

(2)交錯分布。如圖4為雙圓交錯分布示意圖，以切削處為中心，在兩個同心圓上交錯均布，夾緊點覆蓋面更大，夾緊穩定性更好。但本方式增大了夾緊裝置的直徑，減小了加工范圍，且對排屑影響較大，因此一般情況下并不采用。

(3)其他分布形式。由于加工形狀和工藝方案的特殊要求，可采用環周非均布形式。

2.2 夾緊力和切削力及各參數關系分析

2.2.1 夾緊點的實際夾緊力

在夾緊機構中一般采用線性彈性元件產生夾緊力。加工過程中有些夾緊點處鈑金厚度會發生變化，從而該點夾緊力按照線性方式變化[8-9]。如圖2，第i夾緊點的夾緊力為:

式中:FsJi為第i夾緊點實際夾緊力，N；h為鈑金厚度，mm；ui為第i夾緊點處加工深度，mm；K為彈性夾緊元件剛度，N/mm；K0為夾緊元件的初始壓力，N；δi為第 i夾緊點處加工后的局部厚度；δmin為與h有關的臨界厚度，mm。當某夾緊點處局部板厚δi小于δmin后，該處剛度明顯減小，以致對加工平穩作用顯著減弱，該點的夾緊力可近似為0；特別是當δi＝0時，對該點處鈑金已不存在夾緊作用，夾緊力當然為0。因此這里的夾緊力取值是不連續的。另外，實際上某處剛度的減弱程度還與δi的面積和形狀有關，但為了討論方便且不失一般變化規律性，只考慮δi因素的影響。

2.2.2 夾緊力與切削力的關系

在一般夾具夾緊系統中，在常規加工狀態下工件和夾緊機構可認為是剛性系統，因此夾緊力決定于切削力[10]，為:

式中:FsJ為實際夾緊力，N；Fq為切削力，N；FJ為與切削力Fq平衡的理論夾緊力，N；F Fq( )表示FJ與Fq的函數關系；ξ為安全系數。

對于薄鈑金，相對于一般加工要求其自身剛度很小，即使是較小的切削力，當達到一定值后，不管夾緊力多大，鈑金都將發生超過規定的變形或振動而處于不穩定狀態。顯然應限制切削力，夾緊力與切削力的關系應在式(2)的基礎上進行修正。如圖5為夾緊力計算示意圖，以剛度最弱的垂直于鈑金平面方向的受力情況進行分析，顯然，由于下滾動支承是固定支承，因此切削力向下時穩定性狀況相對更好，所以以向上切削力分析為準。由于實現了小區域夾緊，在處于穩定狀態時，切削中心的壓緊區域可近似為剛性狀態，則有:

式中:FJi為對加工穩定性起作用的夾緊點陣中第i夾緊點理論夾緊力，N；nJ為實際夾緊力不為0的夾緊點數；Fqa為對應各種鈑金狀態的、滿足加工穩定性要求的最大允許切削力，N，稱為相對最大允許切削力；Fq(h，u，D，E，v )表示Fqa取決于多種因素的函數關系；u為ui的綜合表示；D為夾緊點分布圓直徑，mm；E為鈑金材料彈性模量，N/mm2；v為涉及到夾緊點分布、夾緊區域附近的局部鈑金厚度及其形狀變化狀況等因素的綜合表示。對于交錯分布形式，為了簡單和可靠起見，可按切削力主要由內圈夾緊點平衡的模式進行分析。

2.2.3 相對最大允許切削力及其影響關系

相對最大允許切削力Fqa與各因素的關系較復雜，直接計算很困難，需要確定時一般采用試驗方式。根據機械和力學原理[8-9]，得出其一般規律和關系如下:①Fqa與鈑金截面相應方向的慣性矩成遞增關系，即與鈑金厚度h為三次方遞增關系；②Fqa與加工深度及其分布面積形狀為較為復雜的遞減關系；③Fqa與材料彈性模量E為線性遞增關系；④在適當的夾緊點數之內，Fqa與nJ近似為線性遞增關系；⑤Fqa與夾緊點分布直徑D為遞減關系。

在鈑金材質和夾緊點分布狀況已確定的情況下，Fqa達到最大值條件為:

式中:Fqmax為在規定的鈑金厚度規格范圍內可達到的最大允許切削力，N；hmax為規定的最大板厚，mm。

2.2.4 理想狀態下滿足穩定加工的各因素關系

理想狀態即為彈性元件的夾緊力可以適應各種允許狀況的穩定作用。結合式(1)、(3)，得穩定狀態下各參數滿足的關系式:

如果彈性元件剛度K和初始壓力F0已確定，則在穩定加工狀態下，各夾緊點處的局部鈑金厚度應滿足下列必要關系式:

2.3 夾緊元件參數的設定及其與實際切削力的關系

在實際應用中，彈性元件的剛度和初始壓緊力應按照一定的規則進行設定。根據實際加工狀況和夾緊裝置的結構限定，以及避免過大壓緊力而導致明顯壓痕的要求，設定值依據的最大允許切削力并不一定按最大板厚hmax確定，而是按最常加工的適當規格的板厚確定，稱這一板厚為設定厚度。根據式(5)，彈性元件剛度K和初始壓力F0設定值滿足以下關系:

式中:hA為設定厚度，mm；FqA為對應hA的最大允許切削力，N；nmin為加工過程可允許的并分布覆蓋夾緊區域的最少夾緊點數，一般與分布直徑有關。通過計算方式來界定加工穩定狀態和確定FqA較為復雜和困難，一般采用經驗和試驗方式確定FqA，再根據式(7)和結構限定特點初步確定K和F0，然后通過試驗調整而最終確定其設定值。

針對板厚變化情況，以式(7)取等號狀態為討論基礎，根據實際夾緊力、相對最大允許切削力與鈑金厚度h的變化關系，存在下述特點:(1)當加工板厚小于設定板厚時，實際夾緊力相比于相對最大允許切削力減小的慢，因此能滿足加工夾緊要求。(2)當加工板厚大于設定厚度時，實際夾緊力相比于相對最大允許切削力增大的慢，因此實際允許的切削力可以增大，但會小于對應厚度的相對最大允許切削力。

存在和滿足關系式:

式中:hB、hC分別為小于和大于設定厚度的鈑金厚度，mm；FqB、FqC分別為對應板厚hB、hC的相對最大允許切削力，N。

2.4 切削過程穩定性的條件

根據上述，加工過程的切削穩定性取決于夾緊力與切削力的平衡關系:(1)各種狀況下，切削力不大于相對最大允許切削力。(2)夾緊力對切削力能起到平衡和抑制振動的作用。(3)夾緊區域不能出現較大挖空、殘缺邊角等狀況，否則會導致Fqa太小而無法正常加工。

2.5 極端狀態及處理

如圖6為極端狀態示意圖，如加工移動至某處時，正好出現所有夾緊點處都貫穿或接近貫穿狀態，都不起夾緊作用，即根據式(1)，有:

式中:n為總夾緊點數。如出現上述狀況，應調整加工順序方案加以避免，并滿足最少夾緊點數要求。

3 結構與工藝設計原則和實踐驗證

3.1 結構與工藝方案設計原則及注意事項

關于結構和工藝方案設計，除以上所提到的要求，其它主要原則和注意點如下:

(1)夾緊點間距要適當，既要分布較多的夾緊點，又要達到一定的間距以滿足結構裝配要求；夾緊點分布直徑要適當的小，便于實現夾緊區域的相對剛性狀態，以及避免影響加工范圍；同樣，夾緊裝置外徑也要限定在適當范圍內，避免與夾持裝置干涉從而影響加工范圍。

(2)夾緊點間距同時要方便切屑排出。一般在壓緊裝置上設置氣吹機構，不斷將切屑向外吹出。

(3)夾緊元件剛度和夾緊力要適當，在滿足正常夾緊穩定性要求的前提下盡量減小夾緊力，以減輕滾動壓緊球對鈑金平面的壓痕。

(4)對夾緊點布局和工藝方案要綜合考慮，避免出現加工過程夾緊點大部分進入穿透或接近穿透位置。

(5)考慮滾動壓痕的處理，即對鈑金表面有要求時，加工后應進行表面處理。

(6)當通過銑削方式進行銑割下料時，應采用“搭橋”方式，即銑割工件和鈑金基體之間設置若干適當厚度和寬度的連接點，確保加工過程的穩定性，最后再通過其他方式(如手工)剪下工件。

3.2 應用實踐和驗證

滾動式隨動夾緊裝置已有效應用在多功能鈑金加工中心上，上述結構和工藝設計原則、力學分析和參數調整試驗方法也已相應在夾緊裝置和機床設備設計、試驗中進行應用，方法有效、可行。本裝置和方法實現了中大規格薄鈑金平面一次裝夾，在行程范圍內任意位置自動完成常規鉆孔、攻絲、盲銑(在薄鈑金上刻銑圖案、銑削盲槽等)、挖銑、倒角等加工，而不需要其他額外工裝夾具，加工穩定，提高了復合化程度，這是目前沖壓機、激光切割機、鉆床等鈑金加工設備所無法獨立實現的；特別是實現了薄鈑金平面上的盲銑加工，豐富了鈑金平面結構要素的設計和應用形式。

如圖7為采用滾動式隨動夾緊裝置在大規格薄鈑金平面上進行鉆銑加工時的實物工作狀態圖片；圖8為盲銑加工出的圖案實物圖片；圖9為大范圍數控鉆孔、攻絲、倒角和銑割加工的零件實物圖片。如果不采用隨動夾緊方式，我們無法實現適應較大范圍數控鉆銑加工的簡捷可靠夾緊，而且中大規格薄鈑金本身也會有一定的自然彎拱變形，因而無法進行正常加工。顯然，如果只針對孔形加工，激光切割等方式更有效；但如果是針對孔形、螺紋孔、圖案和盲槽等結構要素的綜合加工，則本方法更有效。

4 結語

由于薄鈑金自身剛性很弱，對中大規格薄鈑金進行數控鉆銑加工存在著裝夾的困難，采用滾動式隨動夾緊原理和相應裝置可以有效克服這一難題。夾緊裝置的夾緊點一般采用圓周均布方式；對應于各種鈑金狀況，存在著相對最大允許切削力；加工穩定性主要決定于各夾緊點實際夾緊力對切削力的平衡關系和抑制振動作用。實際應用表明，應用滾動式隨動夾緊裝置的鈑金加工中心，可實現一般鈑金加工設備無法獨立實現的、一次裝夾鈑金件綜合完成數控鉆孔、攻絲和銑削等工序加工，加工過程穩定。