带活动定位销的负压夹持工装设计与研究

余 健

(嘉兴南洋职业技术学院，浙江 嘉兴 314003)

0 引言

高精度薄板类零件铣削加工，工件变形是影响零件加工精度的主要因素，采用高速铣削加工可较好地避免因切削力、切削热、切削振动等因素导致的工件变形，保证了零件的加工精度[1]。然而薄板类零件由于自身的结构特点，给加工中的装夹带来困难，目前比较常用的有502脱水胶合装夹、压板装夹和负压夹持装夹。

502脱水胶合装夹，待加工完毕后，再二次使用丙酮溶去胶水，工艺施工过程复杂、加工周期较长、零件变形和零件受腐蚀情况严重[2]。压板装夹不仅对操作人员的技术要求高，而且装夹困难，效率低，在铣削过程中受力不均衡及零件刚度的变化引起的变形无法控制，容易造成零件报废[3]。采用负压吸附装夹，定位方便，装夹效率高，工件所受夹紧力均匀分布，大大减小了因夹紧力造成的工件变形，提高了零件的加工精度[4]。本文介绍一种高效、可靠带活动定位销的负压夹持工装设计。

1 负压夹持工装结构及工作原理

负压夹持工装结构如图1所示，其工作原理是：工件2通过活动定位销1定位，密封板3上均布有气孔，在工件2、密封板3和腔体5之间形成密封腔6，密封腔通过气控回路与真空泵相联，工作时，启动真空泵，气控系统控制真空泵将密封腔抽成真空，依靠大气压力将工件压紧，加工完成后，气控系统切断密封腔与真空泵的连接，密封腔接通大气，真空释放，松开工件。

2 系统夹持力计算

密封板上的吸附气孔要均匀分布在密封槽区域范围内，以保证工件夹紧力的均匀性。孔径太大，夹紧力和轴向铣削力在吸附气孔位置会造成工件的局部变形；孔径太小，吸附气孔的分布密度相应增加，放置工件时容易在工件周边出现个别吸附气孔不能密封的现象，工件不易吸牢，造成工件报废[5]，经分析研究本工装气孔直径设计为8 mm，单密封腔上气孔个数为294个。

图1 负压夹持工装结构

2.1 夹紧力的计算

根据夹具的结构及工作原理，本夹具单个密封腔产生的夹紧力为：

F=(Pa-PO)A

式中，F为单个密封腔产生的夹紧力，单位N；Pa为大气压强，为0.1 MPa；PO为真空腔剩余压强，一般为0.01～0.015 MPa；A为有效工作面积，单位mm2，其大小由密封板工作面积、密封板上气孔分布密度及气孔直径大小所决定。

式中，AO为密封板工作面积，其大小为所加工工件的面积，单位为mm2，单密封腔夹紧，工件面积为70400 mm2；气孔直径d为8 mm，气孔个数n为294个，取真空腔剩余压强PO为0.15 MPa，计算得到单个密封腔产生的夹紧为4728 N。

2.2 吸附力的计算

F吸=F·μ

吸附力即为工件和密封板上表面间的摩擦力，其大小与夹紧力F成正比，也与工件和上密封板间摩擦系数μ的大小成正比，取铝-钢副间滑动摩擦系数μ=0.2，单密封腔工作所产生的最大吸附力为972 N。

2.3 切削力的计算

铣削材料为铝合金，铣削以立铣和端面铣为主，其切削力分别为：

1)立铣时铣削力[6]

2)端面铣时铣削力[6]

式中，CF为材料切削系数；KF为切削力修正系数；ap为切削深度，单位为mm；af为每齿进给量，单位为mm；do为铣刀直径，单位为mm；B为切削宽度，单位为mm；Z为铣刀齿数。

立铣时，选用整体式3刃硬质合金立铣刀，铣刀直径20 mm，主轴转速2000 r/min，切削宽度取刀具直径的70%，切削深度0.5 mm，每齿进给量0.1 mm，经计算切削力为60.16 N。

端铣时，选用主偏角为45度的6刃机夹式面铣刀，铣刀直径64 mm，主轴转速1000 r/min，切削宽度取刀具直径的60%，切削深度1 mm，每齿进给量0.1 mm，经计算切削力为92.21 N。

2.4 可靠性分析

为保证零件能被吸紧，在铣削加工中不会发生移动，必须使零件所受到的吸附力即零件与密封板上表面间的摩擦力远大于铣削力。上述切削力计算中，所选用的加工参数已是本工件在铣削加工工艺设计中所能产生的最大铣削力，立铣时切削力为60.16 N，端铣时切削力为92.21 N，其值已远小于单密封腔夹紧所产生的吸附力972 N，理论上完全能满足本工件的加工装夹要求。

3 负压夹持工装设计要点

3.1 活动定位销设计

活动定位销结构如图2所示，主要由复位弹簧、紧定螺栓、活动销和密封套组成，定位机构与腔体及上密封板间构成为封闭区域并通过腔体壁上小孔与真空腔相连，启动真空泵，密封腔内被抽成真空后，在大气压力作用下，活动定位销沉入密封板中，不干涉零件轮廓的加工，当加工完成，真空释放后，在复位弹簧作用下活动销被弹出，恢复定位功能。紧定螺栓对活动定位销起限位作用，密封套设计为可拆卸式，当磨损后方便更换。

3.2 密封腔及密封结构设计

密封腔设计成双腔结构如图3所示，可通过气控回路实现两个密封腔的独立控制，因此对于小型工件可一次装夹两个，大型工件由两密封腔共同作用完成装夹，扩大了夹具的装夹尺寸范围。密封板与腔体间由定位销定位，并通过16颗内六角螺栓相连，腔体与密封板接触的表面上开设有U型槽，内装密封圈6。密封板上表面也开设有U型槽，O型密封圈7置于其中，真空泵开启，工件在大气压力作用下将O型密封圈7压入到密封板上表面的U型槽中，保证了工件与上密封板间的密封效果，当密封圈因老化、磨损、腐蚀等影响真空腔的密封效果时，需及时更换。

图3 密封腔结构图

3.3 真空控制系统设计

真空系统根据真空发生装置可分为真空泵系统和真空发生器系统两种，本工装采用真空泵系统，真空泵是吸入口形成负压，排气口直接通大气，两端压力比很大的抽除气体的机械[7]，工装气路原理如图4所示。

真空腔8和真空腔13分别由二位三通电磁换向阀6和15控制，两真空腔既可同时工作也可单独工作。粗加工、半精加工及精加工时，工件所受铣削力相差较大，可通过调压阀4调节气路中真空度压力值。二位三通电磁换向阀6和15通电，真空泵开始对真空腔8和13抽真空，当真空度达到真空压力开关16所设定的压力值时，发出信号，可以进行铣削加工。过滤器安装在真空腔和二位三通电磁换向阀之间，可阻止油液、铁削、粉尘等物质进入气路，防止真空系统中的元件受到污染而发生故障。

图4 气路原理图

真空压力表用来检测气路的压力值，当真空泵因故障停止工作，回路中真空度下降，单向阀2可快速切断回路，稳压罐3起保压作用，延长真空度下降的时间，以防止因吸附力突然减小工件位置发生偏移，给操机人员采取补救措施预留出足够的时间。

铣削完成后二位三通电磁换向阀6和15断电，真空腔8和13与真空泵断开，大气通过真空破坏电磁调速阀进入真空腔，破坏真空，工件所受吸附力消失。真空破坏电磁调速阀可调节进气速度，其进气口连接有消声器，可降低进气噪声。

4 结论

此真空吸附工装，性能可靠，定位方便，装夹迅速，在提高装夹效率的同时能有效减小因装夹力造成的工件变形。夹具通用性强，活动定位销既能实现零件的快速定位，又不干涉零件轮廓的加工，对板类零件装夹提供了一个新的解决方案，具有很大的推广意义。