基于真空吸附的機頂盒殼體夾具優化設計

梁柱彬，黃仲庸

1. 東莞市德勤教育科技有限公司 廣東東莞 523000

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1 序言

機頂盒是一種終端裝置，其發展與電視技術的發展息息相關[1]。隨著電子與信息技術的迅速發展，多功能增值業務開發和應用不斷進步，導致作為接入設備的機頂盒發展趨勢呈現材料多樣化、結構緊湊化的特點，機頂盒精度要求和制造難度也隨之提高。機頂盒是現代生活中常用的產品，該類產品尺寸適中，市場需求量大[2]。通過引進自動化設備代替部分操作人員的工作，改進加工方案，能降低生產成本，從而提高生產效率，并確保產品質量。引入夾具是有效的手段，本文主要對夾具設計、加工工藝、夾緊結構和達到產品加工合格率等幾個方面進行說明，為薄壁殼體類零件夾具設計提供參考。

2 產品的工藝分析

2.1 機頂盒工藝要求

機頂盒為批量件，材料為AL-6063，該材料屏蔽性好、防靜電、抗輻射，即使在濕度較大的環境下也不易生銹腐蝕。機頂盒結構如圖1所示，外形尺寸96mm×96mm×13.5mm，外觀設計規則，沒有復雜曲面，要求外觀完整無破損，內部結構以臺階位為主，孔系多，制造精度要求高，加工工藝較多。機頂盒比較薄，加工時容易變形，周邊材料厚度為2mm，最薄處的正面薄壁厚度只有0.8mm。考慮到裝夾和外觀要求，確定機頂盒加工工序為：機頂盒反面加工→機頂盒正面加工→機頂盒側面加工。

圖1 機頂盒結構

2.2 機頂盒工藝難點

此產品的工藝難點有兩個，第一個為側面四邊的幾何公差，加工后工件的公差要求為平行度0.01mm，平面度0.01mm，垂直度0.01mm，容易超差。第二個難點為平板的尺寸公差，最薄處0.8mm的公差要求是上偏差+0.05mm、下偏差-0.02mm，平面允許形變要求是上偏差-0.15m m，下偏差-0.25mm，加工正面薄壁時受切削彈性變形作用，加工面整體尺寸精度產生超差，對產品整體精度和質量造成影響。

3 夾具設計

3.1 夾具設計思路

考慮批量生產的要求，加工中采用氣動夾具進行裝夾，采用真空吸盤通過負壓吸附的原理施加夾緊力進行固定加工。機頂盒幾何公差要求苛刻，厚度較薄，易變形。若需保證機頂盒加工后達到合格要求，則需慎重考慮吸附力對產品變形的影響，其影響與作用點和作用方向有關。先判斷設計夾具的支承點、定位點和夾緊點是否滿足所有的約束條件，再計算出吸附力在切削時是否滿足薄壁處允許形變要求，進而制定一款快速裝夾的夾具。

3.2 吸附力的原理

真空吸盤使用時，切削受力情況如圖2所示。其中F0表示切削力（N），F1表示工件所受垂直方向壓力（N），S1為真空吸力的吸附面積（mm2），S2為工件與真空吸盤的接觸面積（mm2）。吸附力F1＝（Pa-P）S1，其中Pa為大氣壓強（MPa），P為真空吸盤抽空力壓強（MPa）。按工件與真空吸盤吸附面積S2為接觸面積考慮，由于接觸面屬于精加工面，靜摩擦系數0.15，得出摩擦力為0.15F1。工件切削時，切削力F0小于由F1產生的S2面上的摩擦力時，才能達到加工精度要求。當真空吸盤的真空度達到一定程度時，吸附力的大小只取決于吸附面積S1的大小。真空吸盤在真空時，吸附力與接觸面積S2無關，因此真空吸盤設計時抽氣孔要合理均勻，使吸附面積S1＞接觸面積S2[3]。

圖2 機頂盒切削受力情況

3.3 吸附力的計算

根據吸附力的計算公式，結合產品的實際情況，得到公式

其中F0為100N，Pa為1.01MPa，d為吸附孔的直徑3mm，n為孔的數量150。將數值代入公式，計算可得理想吸附壓強P為0.38MPa。

3.4 夾具優化

產品加工后的幾何公差沒有達到要求，經過反復測試，無論改變加工方法，還是改變切削量范圍，都無法達到要求。既然切削力無誤，則考慮吸附力出現誤差的可能性。由于產品反面特征的原因，真空吸盤的孔位無法均勻分布。夾具優化前是采用4個氣缸使吸附力均勻吸附工件，如圖3a所示，加工中出現擺動現象[4]。夾具優化后是以中心位為真空吸盤抽空力作用點，以此來解決加工中出現擺動的問題，優化后產品（見圖3b）達到合格要求，見表1。

表1 優化前后公差對比 （單位：mm）

圖3 機頂盒夾具

夾具優化設計中既要考慮減少企業額外設備投入的需求，也要滿足批量生產高效率的需要[5]。由于產品的反面特征復雜，幾何公差要求高，為了達到加工要求，真空吸盤加工要求也相對高[6]。考慮到真空吸盤的加工將使企業增加成本，因此第二工序與第三工序進行夾具共用優化，如圖3b所示。優化后，裝卸工件時十分簡單方便，真空吸盤停止工作后，接觸面形成“分子黏著”現象，利用壓縮空氣“出”與“入”防止工件劃傷的情況。

3.5 夾具結構

夾具設計結構采用了吸附力的方式來解決薄壁處加工后變形情況[7]，如圖4所示。

圖4 機頂盒夾具示意

夾具主要由兩大部分組成，分別是吸緊部分、定位部分，包括連接板、真空吸盤、螺母、橡膠圈、4軸裝夾板和T形塊組。真空吸盤是工件定位部分，真空吸盤、橡膠圈是工件加工時用來減少變形量的，屬于吸緊部分，連接板、螺母和4軸裝夾板是輔助功能部件，4軸裝夾板是為了三工序操作方便穩定、減少調試工序、提高裝夾速度、降低生產成本及降低勞動強度[8]。

3.6 夾具的定位與裝夾

工件與夾具外形貼合面進行快速定位裝夾，利用吸附力保證定位的穩定性，有足夠的承載能力，通過壓力的大小來控制夾持力度（依據“基準重合”原則[9]）。如圖5所示，工件與真空吸盤通過氣管口控制吸附力大小來實現完全定位，滿足工件加工的定位原則[10]。因工件較薄，易變形，所以在真空吸盤、連接板位置上通過橡膠圈的密封狀態控制吸附力，減少變形量。夾具優化后，工序二和工序三的裝夾方式一樣，工序三通過4軸裝夾板與第4軸進行安裝，控制氣管和真空吸盤可快速方便裝卸工件[11]。

圖5 夾具安裝示意

4 生產和檢測

優化夾具后再多次檢驗和測試生產出來的產品，在三坐標測量儀和仿形檢具的檢測下，工件尺寸和幾何公差滿足精度要求，檢測方式和結果見表2。通過吸附力控制，定位裝夾準確快速，降低了制造成本，減少了調試工序時間并提高了生產效率[12]。

表2 檢具清單和檢測結果

5 結束語

通過夾具優化設計思路，采用真空吸附的方式能有效地解決薄壁類零件變形的問題，提高了生產效率，適用于多數的薄壁類產品有針對性地設計夾具。真空吸盤工作原理簡單、性能可靠，既能滿足工藝要求，又能滿足薄壁殼類零件應用要求。應用真空吸盤的夾具優化，無論在柔性制造大批量生產中，還是在單獨機臺量產時，都可以縮短調試周期、降低生產成本。