薄壁零件装夹卡盘的研制与应用

2017-04-20叶鑫焱

设备管理与维修 2017年11期

叶鑫焱

（梅州市技师学院，广东梅州 514000）

0 引言

数控机床是自动控制式机床，内部装有控制单元和控制工作站，按照设计程序完成加工过程。很多复杂的机械零件都是由数控机床加工完成。数控机床是集成电子、机械、软件、测量等多种重要学科的技术产物，其结构组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他附加装置。

数控机床可以解决普通机床难以解决的复杂零件的加工制作，在加工复杂的薄壁类零件过程中，面临诸多难点，首先是复杂零件的刚性相对较差，切削过程中经常出现振动和变形，承受切削力和夹紧力的能力较差。装夹的过程不小心，同样会引起变形。因此，相应的装夹卡盘需要严格的设计和研制。

1 复杂薄壁零件的装夹技术

随着科技的发展和工业的进步，对结构制造的要求和需求也越来越高越来越大，复杂薄壁零件便是这种高要求下所需要的精密部件，例如图1所示的电子产业中的铝合金零件，是一种典型的薄壁零件，壁厚、孔圆角、槽宽尺寸都很小。零件的加工精度直接影响电性能指标，加工过程中切削力，切削热和残余应力同时施加给薄壁零件，很容易产生变形和尺寸偏差。因此，控制变形是薄壁零件加工中最为关键的技术点。可以通过很多方法来实现，比如装夹方式的改进，刀具路径的修正以及通过合理的工艺方法改变毛坯基础等。夹具卡盘安置的主要目的主要是控制夹紧力，因此合理设计夹具方案非常重要，卡盘方式的选择和支撑块位置的放置可以控制夹紧力，定位处于加工过程，卡盘支撑和约束对卡盘夹紧过程的局部弹性变形影响较大，装夹的位置会受到影响，弹性变形可能引起工件的刚性平移和刚性转动，使工件相对刀具的位置发生改变。工件在数控机床上的装夹精度也是影响加工精度的重要因素，在加工精密仪器过程中，如果夹具质量不高，可能会引起20%～60%的误差，因此需要优化装夹卡盘的研制和制作减小装夹的弹性变形以提高加工精度，提高生产效率。

图1 薄壁零件

2 卡盘设计方案

为提高夹具卡盘的设计精度，克服传统夹具卡盘的缺陷，薄壁零件的装夹，需要遵循一定的原则。首先应该扩大工件下部的支撑面和卡盘夹压面积，其次需要增加夹压的点，使作用力均匀，减小夹压应力和接触应力。必要时，可以在底部增设次要支撑，增强工件的刚性。

工艺夹头的选择需要特殊设置，切削坯料过程中，需要事先留出有效的夹持长度，加工后要切掉外圆、端面和内外孔的残渣毛刺，这样工件就不会出现过大的变形，位置精度可以得到充分的保证，包括内外圆和端面。另外还要让变形均匀，可以通过卡盘夹点的位置改变，或者减小零件的形变来实现。变径向夹紧为轴向夹紧，使夹紧力作用在较大的轴向，避免径向发生较大变形。切削力的经验公式见公式（1）。

式（1）中，C均为系数，X为指数，ap为背部吃刀量。刀具的角度选择：加工薄壁类工件的刀具和刀刃要锋利，一般采用较大的前角度和主要偏角，但不能太大，否则会引起到刀头体积的减小而引起强度、刚度的下降，散热性能也会变差，最终影响加工精度。

设计中选用较为简单且不容易产生变形的三爪气动式卡盘，图2是利用仿真软件设计出的卡盘效果图，加工零件安置在卡盘之间，零件内向外侧的径向支撑结构和间隔环的灵活应用，可以满足不同内径、长度的薄壁零件的柔性装夹。零件在加工过程中不易变形，拆装便捷，且具有很长的使用寿命。此类夹具应用于薄壁零件加工，在其他零件加工中同样可以使用。夹具卡盘的设计不仅要保证足够的强度，而且也应牢固可靠。

图2 卡盘设计效果图

卡盘放置零件时，需要使用开口套工具，自定义的卡盘夹持开口套工具可以均匀的抱紧薄壁套，随后进行切削。卡盘的装夹口弧度大，可以增大夹持面积，减小薄壁套的加紧和车削变形。此时需要把大弧形三爪卡盘和原定义的卡爪焊接后放置一段时间，让其自然变形，大弧形的软爪需要足够的纵向厚度，卡盘的内部焊接定位盘，充分保证薄壁零件定位准确。

3 薄壁工件加工流程

（1）准备工作。在卡盘夹具已经设计完备的前提下，合理选择刀具的几何参数和切削用量，前角大的道具切削变形较小，切削力小，振幅小且不容易产生振颤，后角不宜过大，避免产生振动和摩擦，刀具的圆角半径增大会增大切削力，如果圆角半径太小会影响表面粗糙度和刀尖强度。因此刀具要根据具体加工的零件选择。主轴转速越高，则切削加工的零件越容易发生振颤，低速的切削不容易产生振颤。走刀量越小，则切削厚度越薄，适当的加大走刀量，可以减小振幅，背吃刀量越大，振动切削力的波动就越大，越容易产生振颤。

（2）装夹。设计的卡盘为软爪装夹，爪内孔要比工件的外径大0～0.5 mm，对工件的包容面积要达到90%～95%，用设计卡盘软爪的端面进行轴向定位，软爪端面的加工应该和内孔的加工在一次装夹中完成，保证软爪端与内孔垂直，提高精度并且减少变形。首先将工件装在胀紧套上，左端面由与卡盘夹具的台阶端面贴紧，装入拉杆，主轴后面施加轴向力，拉动轴杆，同时拉杆外圆锥面与胀紧套配合，胀紧套和工件内孔配合完成夹紧。

（3）加工过程。要求和规格不同的薄壁零件的加工过程存在区别，基于薄壁零件的特点，要控制好程序的完成过程，对所加工的工件关键技术点和内容进行反复对照，在粗加工完成之后要先进行自检，存在误差的数据要及时调整，包括松动情况，分中情况，基准面的尺寸情况，位置情况。加工完成后，要对工件进行确保性检查。