真空吸附铣削夹具的设计及加工

任唯明

（苏州锋锐精密机电有限公司，江苏 苏州 215128）

关健词：工件变形；夹具结构；真空发生器系统

0 引言

随着现代制造技术的发展[1]，薄壁零件在机械领域的应用越来越广泛[2]。由于其加工难度较大，因此必须完善载荷处理的理论与技术。该研究采用较硬薄壁纯铜板，其形状为盘形，直径200mm，平面要求4μm。由于纯铜材料刚度大、弹性大、加工难度大，因此薄壁平面零件用于切割变形时，难以控制，严重影响工件的加工精度和表面质量，甚至导致工件陈旧。该文分析真空吸附铣削夹具，将研究成果应用于生产项目中进行物理实验的精度弱刚性夹具。

随着飞机产品性能要求的进一步提高，成品零件变得更轻，面积更大，薄壁铝合金越来越多地用于一般的梁和机翼，为了满足工程零件的技术需要，在加工过程中需要减少和控制变形，在硬件方面，真空装置适用于较大的定位装置。

目前，国内外学者对薄壁物体的门闩进行了研究，取得了显著的成果。

一般的研究方法包括利用有限元建模和优化方法（如用于固定夹具的遗传算法）。在真空夹持中，工件被外面的气压牢牢地压在工作台上，工件与工作台具有较大的吸力。工件所能承受的侧向力主要由表面结构、气压差和接触面决定。接触面越大，作用力越大。真空夹紧系统通常用于快速夹紧塑料和铁制金属。它们与 CNC 机床兼容。真空设备主要用于特殊的加工系统，例如夹紧铝板的一侧并加工其他五侧。这可以增加产量并降低成本，真空装置不会损坏夹紧面，也不需要费时费力地调整工件。最新的真空系统可对不同规格、不同尺寸的工件进行快速分割。每个部件的表面都承受一定的大气压力。真空冷却器排空工件下方封闭区域内的空气，使工件接触面一侧的大气压低于标准大气压，于标准大气压，产生压力差。这取决于真空空气的容量，通常为0.7bar～ 0.8bar。这意味着如果形成 200mbar 的真空，则会在工件上产生 800mbar（约 0.8kp/cm）的压力，夹紧力只与夹紧区域有关。

1 真空吸附夹具结构设计及工作原理

真空钳用于真空室，利用大气压和残余大气压之间的差异，获得足够的张力[3]。真空装置的设计由真空平台、密封圈和基础3个部分组成[4]。笔者认为工件轻滑动和接触面黏附是加工工件变形的主要形式，并建立了可压缩性模型[5]，制造出1个可行的真空吸附夹具。它是真空泵装置的关键结构，由密封槽、泵、密封圈、吸入孔和吸盘组成[6]。实际加工时，油井受井长限制，小竖盲孔不适用于除屑，因此，立井设计为掘进孔，并且配备真空装置。

加工零件变形是影响零件精加工中零件精度的主要问题[7]，通过高速磨削，可较好地避免加工零件因切削力、切削温度、切削振动等因素而变形。产品夹紧真空泵装置，使其均匀分布。加工工件受压缩变形明显降低[8]，提高了工件加工精度。真空吸附铣削夹具工作时，压缩气体从真空发生器源进入排气孔，真空吸尘器关闭设备腔，产品受到大气压力的挤压。同时，夹紧力分布均匀，减少了加工工件的变形；处理完毕后，封闭式II室对大气开放[9]，真空夹具如图1所示。

图1 真空夹具示意图

2 真空吸附铣削夹具加工应用研究

2.1 真空吸附铣削夹具加工工艺

微细加工阶段产生的残余应力层深度极低，难以用现有技术测量。在载荷范围内重新分配切削刃是造成纯平面零件刚度弱的主要原因之一，可使用红外干涉仪测量加工零件的表面轮廓，因此该文开展了型材加工的工作。该文采用有限元法模拟切线应力残余场再分配引起的变形，发现切削深度与切削头转速、进给速度和工作面平整率之间的关系，真空吸附铣削夹具加工工艺如图2所示。

图2 加工工艺示意图

2.2 真空吸附铣削夹具加工方案设计

选择与设计真空设备时，该文介绍了各种理论模型，进行多次计算实验，验证理论的可行性，通过尝试不同的解决方案来寻找最优方案，但是这些结果不能直接应用，因为市场了解成本太高，或者成品不能满足笔者的设计要求。所以需要技术人员来满足完美设计的要求，降低成本，加快实施进程。

零件的最大壁厚为3.5mm，壁厚为3mm。它是一种薄壁结构构件，在加工过程中容易变形。随着工件刚度的降低，容易产生切削振动，严重影响工件加工质量。根据零件的设计和方法，设备设计为2个工作场所。第一个工作台用于粗加工车身形状和无框装饰板；第二个工作台用于薄壁、上表面和侧表面的加工。由于零件尺寸大，所有设备都可以由4个夹具组成，为了简化设计，减轻质量，中间采用槽钢框架，真空夹具如图3所示。

图3 真空夹具

底部焊接12片，用作连接金属零件的底座。为了保证厚壁和位置面光滑均匀，4个真空垫必须与取样器处于同一高度，当工件从第一个工位移动到第二个工位时，模具容易弯曲，修正工件形状，然后在压板上进一步压缩，这是在真空中完成的。表1列出了一些项目变量。

表1 主要设计参数

2.3 真空吸附铣削夹具加工应用

数控薄壁表面零件加工的实质是对松散形状的弱刚性表面零件进行加工。自由的表面不能发展成平面，为防止加工中断，粗加工常用机头切削提高加工效率，精加工用球头铣刀，该装置用于保证加工精度 。切削过程中真空吸附铣削夹具主要与固定的地方接触。加工精度应设置非常小的切削距离（切削刀具两条路径之间的距离）。因此，在切削刀具路径曲面加工过程中，很少有其它剪切变量相同的情况，提高加工效率的主要方法是提高数控薄壁表面零件的转换速度。在这种情况下，高速切削和高速进给是高速加工的主要因素。高加工速度取决于以下特点。

2.3.1 高速加工、切割速度快、热量低

高速切割速度一般可达到标准切割速度的10倍以上，切割钢高达380m/min，铸铁高达700m/min，铝合金高达1100m/min。这使得高速加工成为一场伟大的革命。

2.3.2 加工速度快、切割变形小、精度高

高速加工采用浅切切削方式，大大降低了加工过程中的切削力。切削力降低30%以上，刀具寿命提高70%，比送料时间提高3～6倍。减小运算力可以大大减小幅度振荡，因此运算系统的工作频率不同于低频，低频对表面粗糙度影响最大，因此，高速加工可以防止常规加工中出现共振，使切割光滑无明显影响，特别适用于薄壁柔性、刚性零件的加工。

一般来说，高加工速度在表面处理和弱刚性零件方面具有明显的优势，为了提高薄壁表面零件的加工精度和加工效率，首先必须分析高速加工过程中采用的浅切切削理论。

2.4 薄壁表面夹具

薄壁表面夹具的布置一直是机械工业的难点，而且薄壁表面的研究成果相对较少，薄壁表面零件，特别是薄壁表面的大零件，具有低刚度的特点，即使使用这种先进的技术，也没有合理的装配和安装，像高速加工、变形等，得不到合适的零件，因此小加工变形非常重要。薄壁表面的仪器通常位于表面接触点，联络点必须是多方面的，而且是一致的，以确保更高程度的接触。薄壁表面的理想零件必须根据表面形状自动调整夹具，使每个夹具具有可靠的接触和均匀的夹紧强度.复杂形状薄壁表面的物体种类繁多，对室内的要求也不尽相同。薄壁表面夹具有2个不同的方向。一方面是“多点设备”，它正朝着“薄壁表面夹具”的方向发展，以解决实际生产中薄壁表面夹具的问题。目前，生产中广泛使用的弯曲零件，在灌装过程中需要很大的问题，包括2点：1）圆形薄壁坯。2）薄壁盒的弯曲。薄壁表面夹具在结构上是典型的，薄壁表面夹具被认为是多点真空表面的夹具中的一种。

2.4.1 减少薄壁的装置

真空吸附铣削夹具广泛应用于轴承等高精度设施的自动化生产线。由于在热处理过程中得到的锻孔表面通常是不规则的弯曲，锻孔和管件之间的接触在径向和轴向上都有所不同。局部压缩荷载和变形较大，导致热处理过程中的残余荷载引起较大的局部变形。通过下面的讨论，很难完全消除它。同时，真空吸附铣削夹具应力将继续摆脱束缚，导致永久性小变形，大大降低精密零件的使用寿命，避免超精密轴承生产中出现不可解决的问题。

2.4.2 带细单元的真空夹

真空设备在薄壁零件生产中非常重要，与传统配件不同，真空设备可以提供2个不同方向的支撑和吸附，这大大提高了薄壁零件的刚度，但目前已被广泛应用。一般真空设备对零件弯曲的适应能力差（特殊情况除外），一般不能直接用于薄壁电弧柜中。症状：1）主要由水平定位零件制成，不太适应台阶、表面和侧线。2）夹具装配过程中，配有真空棒，工件移动，定位方便。3）可压缩性的特点是真空夹具具有一定的均匀性。

目前对真空设备的研究主要集中在薄壁体上，对薄层真空设备的研究较少，应着重分析接触真空吸附铣削夹具的装置。在降低接触电压的情况下，确保接触点和产品之间的可靠接触是一项艰巨的任务。同时，对于处在真空中的设备，也需要仔细检查真空吸附铣削夹具接触点的位置。

真空吸附铣削夹具作为薄壁表面处理中的薄弱环节，直接影响着真空吸附铣削夹具的质量和效率。实际生产表明，在加工零件（通常是大型薄壁零件）刚度非常低的情况下，切割过程非常不稳定，如果没有合适的薄壁表面的结构设备，就不采用高速加工变形技术。在这种情况下，很难设计1个夹具固定装置；该夹具对电弧真空设备的要求非常高，为了保证夹具的密封性，不仅需要几个接触点的可靠接触条件，而且接触尽可能接近零，防止夹具进一步变形，真空吸附铣削夹具主要用于在物体上加工平面、凹槽、花键及各种成型面，是应用最广泛的夹具之一。它主要由定位装置、夹紧装置、夹紧装置、联轴器装置和刀具调整部分组成。磨削时，切削力大，切削时有断裂，振动大。 因此，铣床的夹紧力比较大，紧固件的刚度和强度比较高。研磨时的进料方式分为直线进给式、圆周进给式和靠模进给式3种。1）直线进给式：这种类型的安装座安装在铣床工作台上，并在加工过程中以线性进给方式随工作台移动。2）圆周进给式：它主要用于带有转台或旋转拇指的铣床，通过旋转转台或滚筒将工件按顺序送到铣床的工作区域。3）靠模进给式：用在专用或通用铣床上，加工各种圆形曲面，模板的作用是辅助工件运动。

3 结语

目前我国薄壁零件变形控制主要采用振动切割技术，高速处理和数字调节补偿。在薄壁零件加工过程中，该文论述了操作真空吸附铣削夹具的方法，分析真空吸附铣削夹具的弹性变形等因素，并且对真空吸附铣削夹具的加工质量和效率的影响进行分析，研究温度与残余应力的关系。虽然我国在航空合金轮毂零件整体加工变形方面取得了一定进展，但物理实验精度对弱刚性零件的几何精度要求极高[3]，超精密加工没有得到足够的重视。产品和设备之间的接触空气由真空泵抽出，形成真空，例如将真空吸附铣削夹具封闭在一定的空间中。真空吸附铣削夹具的零件能在大气压强的作用下进行吸附，操作方便，使飞机所有薄壁结构均应用于真空吸附设备。薄壁夹具的研究主要包括硬件优化和夹具安装变形技术，以提高加工零件的刚度，减少加工误差。实用新型结构简单，制造容易，使用方便，使用真空抽吸设备对薄件进行高速磨削，实际上提高了加工质量和生产效率。