一种模块化真空吸附式组合夹具的研制与应用

韩 柏 王张捷

（扬州工业职业技术学院，江苏扬州 225127）

一种模块化真空吸附式组合夹具的研制与应用

韩 柏 王张捷

（扬州工业职业技术学院，江苏扬州 225127）

介绍了一种通用程度高的模块化真空吸附组合夹具的研制与应用，重点说明了夹具模块的结构、相关技术参数的分析与确定。该夹具结构简单、适应性强，通过夹具模块的组合可用于各种不同尺寸的薄壁工件的装夹，且装夹可靠并能保证工件的加工质量。

夹具 模块化 研制与应用

随着我国科技的不断发展，3A21、2A12、H58、H62等易变形的铝、铜合金材料已广泛应用于电子、机械、军工等产品中。而为了满足体积与重量越来越小的高要求，薄壁零件也越来越多。以前铣削加工这类材料制成的薄壁零件时，主要采用压板式夹紧方法夹压工件的四周。由于装夹困难造成生产效率低，同时铣削加工时受力不均，容易产生变形而导致工件报废率高。后来采用真空吸附式夹具装夹工件能够较好地解决薄壁件加工变形的难题，但它的缺点是无通用性，当工件的尺寸、所需的最小吸附面积等参数变化时就须另行制造相应的夹具。为此研究开发了模块化真空吸附式组合夹具，它可用于多种不同材料、不同尺寸工件和不同加工工艺时的装夹。同时可以快速定位夹紧，从而实现了夹具的模块化和通用化，大大提高了装夹效率并降低了生产成本。

1 夹具模块的结构设计

模块化是本夹具的独特之处，即夹具是由一个或多个单一的夹具模块组合拼装连接而成，选择的夹具模块数量需要根据被加工工件的尺寸等相关参数确定。

单一的夹具模块被设计成正方形板状，由金属板材通过精密加工得到，夹具模块的结构如图1所示。在模块顶面（工作面）上均匀布置有若干个吸附沉孔，相应地在模块体内分别加工出与吸附沉孔相通、抽真空时用作空气回路的通气道，通气道成纵横分布并相互垂直贯通。通气道加工后在相邻侧面的中间各留出一个道口待加工为螺纹接口，其余道口均封堵焊死确保气密性;沉孔内装O型密封圈，可保证吸附（装夹）薄壁工件以及专用金属平板（下称附件）时不漏气。在夹具模块的四角设计有4个安装沉孔，其定位尺寸可根据机床工作平台上的安装槽尺寸确定。为了实现夹具模块的组合，在各个侧面的中间各加工了一个螺纹接口，可供多个夹具模块的拼装连接和通气之用。

2 技术参数的计算分析

为保证工件在切削加工时能夹紧（吸紧）不产生移动，理论上必须满足以下条件：F摩（=fF吸）≥ F切，式中：F摩为工件与夹具模块间的摩擦力;F吸为工件受到的吸附力;F切为切削力;f为夹具顶面与工件表面之间的摩擦系数。实际上为确保安全可靠，摩擦力应远大于切削力。由式可见F摩的大小主要取决于F吸，而F吸与工件的吸附面积A、吸附气压P有关。当P一定时A越大，则F吸就越大，亦即F摩越大。

该夹具模块的设计以满足铝合金材料铣削加工要求为基础。设计时首先通过切削力和吸附力的计算确定出夹紧工件所需的最小吸附面积，进而确定出单一模块上吸附沉孔数目、孔径以及模块的大小尺寸。

薄壁工件铣削加工常有两种方式：用高速钢端铣刀加工平面和用硬质合金立铣刀加工型腔，现分别对此进行计算分析。

2.1 切削力计算

2.1.1 用高速钢端铣刀采用对称铣加工平面

确定加工条件：设铣刀直径为d0、刀刃齿数为Z、切削速度为v、切削深度为ap、切削宽度为ae、每齿进给量为af。相关计算公式分别为

走刀抗力FH=0.4 FZ

垂直切削分力FV=0.9 FZ

式中 CF——切削力系数，取决于被加工材料性质

kF——修正系数，kF=（σb/75）0.3，σb为材料的抗拉强度

经计算可得到相应的切削力F切1。

2.1.2 用硬质合金立铣刀加工型腔

确定加工条件：d0、Z、v、ap、ae、af各参数的意义同上。相关计算公式分别为

走刀抗力FH=1.2FZ

垂直切削分力FV=0.3FZ

式中 n——机床主轴转速，根据选定的切削速度确定

经计算可得到相应的切削力F切2。

2.2 所需的最小吸附力和最小吸附面积计算

在正常工作时，工件与夹具工作面上沉孔内的O型密封圈贴紧，故按铝－橡胶副取定摩擦系数f。由此可计算得到在上述加工条件下工件所需的最小吸附力F吸min1（用端面铣刀铣平面）和F吸min2（用立铣刀铣型腔）。再按夹具的真空系统在正常工况下吸附孔所具有的真空度，可计算得到在上述加工条件下吸紧工件所需的最小吸附面积Amin1和Amin2。考虑在实际加工中应留有足够的安全裕量，因此确定出工件实际所需的最小吸附面积为：A实min1和 A实min2。

2.3 夹具模块结构尺寸的确定

考虑到工件在夹具模块上易于覆盖吸附孔，故开孔采取小孔径、密排布的方式，如前图所示。按照同时满足 A模块≥A实min1和 A模块≥A实min2的要求，在初步选取的基础上校核计算模块上具有的实际吸附面积A模块，并最终确定出开孔直径和数量。据此结果并结合批量较大的被加工工件的尺寸等情况即可确定出夹具模块的长、宽、高尺寸。因此对于上述两种常见的加工方式且当模块尺寸符合工件支承要求时一般均只需1个夹具模块。

3 真空气路系统及密封措施

真空气路系统的功能是控制真空泵的工作状态并提供夹具所需的真空度。为便于移动，将其设计成柜式。它主要由电器控制系统、真空泵、过滤器、储压罐及其他附件构成。这些器件全部装在机柜内。过滤器是为防止杂质及铣削液吸入真空泵而设置;储压罐的作用是对产生的负压进行储存，保证当真空泵工况波动、停机或系统漏气时存储罐能释放负压以缓和整个系统的真空度波动、减缓真空度下降速度，使操作人员有时间采取停止加工等技术措施。

真空气路的管道和接头之间的连接用生料带缠好后涂上专用的密封胶水粘牢，外面用卡箍夹紧，待胶水干后再在接头的外面涂上一层硅橡胶。当夹具正常工作后，在负压作用下使系统各连接、接触处的密封件与密封面贴合得更紧，因此保证了系统良好的密封性。

4 零件装夹定位的实现

根据工件的尺寸选择需要的夹具模块数量进行组合拼装并在机床的工作台上定位、调平、找正后进行固定。用专用堵头封堵侧面上不用的通气道接口。将工件平放在夹具上并以附件盖紧夹具顶面上暴露的沉孔。利用平台上的2个定位销确定长度方向的定位基准，再利用机床主轴上的校验棒确定另一边的基准。连接好各三通接头和控制阀门。启动真空气路系统抽取真空，用木锤轻轻敲打工件将其贴紧夹具即可实现真空装夹定位工件。

在工件的尺寸过小、非铝合金材料或采用刨削加工等情况下，工艺人员应首先计算有关的吸附面积参数。当工件的实际吸附面积不能满足要求时，可选择吸附面积足够大的附件辅助装夹。方法是在切削力作用方向上将该附件与工件的侧面不留缝隙地贴紧放置。

5 结语

该夹具研制后在生产中已成功试用，如三种铝合金材料的电子设备配件，其外形尺寸分别为200 mm×105 mm，396 mm ×200 mm，600 mm ×312 mm，要求用板材进行箱体状成型加工，经铣削后底部厚度为1.5 mm，周边壁厚仅为1.0 mm。在实际加工中采用了该夹具进行装夹，操作简单，装夹迅速，工件安装定位可靠。在首先铣平底面后翻面再次装夹即可加工型腔完成其余加工，工件加工变形小，厚度均匀一致，质量符合要求。因此，这种模块化真空吸附组合夹具的应用降低了生产成本，提高了加工效率，起到了其他夹具难以替代的作用。

1 苗广辉，范帆，姜瑞华.真空吸附在薄板加工中的应用［J］.制造技术与机床，2007（1）

2 王欲知，陈旭.真空技术（第2版）［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

3 杨叔子.机械加工工艺师手册［M］.北京：机械工业出版社，2006.

4 成大先.机械设计手册（第5版）［M］.北京：化学工业出版社，2008.

5 乔世民.机械制造基础［M］.北京：高等教育出版社，2007.

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The Development and Application of a Modularized Vacuum Adsorption Modular Fixture

HAN Bai，WANG Zhangjie
（Yangzhou Institute of Industrial Technology，Yangzhou 225127，CHN）

The article introduces the development and application of a highly versatile，modularized vacuum adsorption modular fixture，focusing on its block structures as well as the analysis and validation of corresponding technical specifications.The fixture is simply structured and highly versatile，capable of fixing thinwalled spares of various dimensions by means of block combinations.Its reliable fixation performance will guarantee the processing quality of workpieces.

Fixture;Modularized;Development and Application

韩柏，男，1959年生，教师，副教授，工学学士，发表论文近20篇，主要从事机械设计与制造方面的教学及研究。

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2009－08－22）

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