一种小型薄片类零件精密粘接夹具的优化研究

程建军，吴庆峰，尚振东

(中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621999)

粘接结构[1]是一种常见的连接结构，区别于焊接[2]、铆接[3]、螺装[4]等装配结构，粘接结构可以实现异质材料，尤其是热膨胀系数差异较大材料间的可靠连接，同时，粘接结构所需的零件种类少，可以在较为狭小的有限空间内实施，对操作空间的要求较低。此外，粘接结构由于分布式连接的特点，避免了铆接和螺装等工艺中的应力集中等不利因素，且由于粘接工艺的工艺条件相比于焊接等十分温和，对被连接的零件及其周围零件的影响较小[5-6]。基于上述特点，粘接工艺特别适合于精密产品和小型产品的装配过程[7]，也适合于精密加工中零件的精确定位与装夹[8]。

影响粘接质量[9-10]的主要因素有粘接剂(胶)、待粘接表面状态、粘接工艺和粘接夹具，在粘接剂、待粘接表面和粘接工艺给定后，影响粘接质量的主要因素为粘接夹具。粘接夹具[11]对粘接质量的影响主要体现在：1)是否能够保证被粘接对象间的相对位置；2)是否能够在粘接中施加合适的粘接压力；3)是否能够在尽可能不影响被粘接结构的条件下释放被粘接体。

图1所示为由2种薄片型零件组合而成的装配结构，其中零件1和零件2为2种不同的非金属材料，该结构由于零件尺寸较小(2个零件的厚度均不足1 mm)，刚度较低，且需要保证装配后零件2上表面和零件1下表面平整无变形等要求，只能采用粘接方式实现。其主要粘接工艺步骤为：清洗→涂胶→静置→零件第一次加温→涂第二遍胶→静置→零件第二次加温→零件组合→夹具定型→高温固化。在该工艺过程中，需要通过夹具保证零件1和2之间的相对位置关系，同时由夹具在两零件之间施加一定的压力，保证两粘接面的紧密贴合，因此粘接夹具是保证该粘接结构质量的关键。本文将针对该粘接过程，重点介绍夹具的设计与优化。

图1 粘接结构示意图

1 原夹具介绍及存在的问题分析

原粘接夹具如图2所示，整个夹具主要由底座、可动托板、压块、压杆、预紧弹簧、锁紧螺母等部分组成，工作中一次性可以装夹12组待粘零件，待粘零件通过手动调整好位置后放置于可动托板，移动可动托板至压块正下方，通过逐一旋转锁紧螺母，可以给各组待粘接零件施加所需的压力。该夹具中，预紧弹簧的作用是通过弹簧力的缓冲，使锁紧螺母的旋紧力能够平稳地传递到压块上，同时在预紧螺母释放过程中可以由弹簧状态直观地判断预紧力大小。在粘接完成后，通过悬动锁紧螺母，可依次松开压块施加给待粘接零件的压力，待所有锁紧螺母旋紧后压杆提升，便可以通过可动托板整体取下所有粘接好的零件。

图2 原粘接夹具结构

该夹具使用过程中面临的主要问题如下。

1)现有粘接夹具装夹缺少定位装置，零件凭目测摆放至可动托板上，误差较大(见图3)，如果与上模(压块)错位后，将导致粘接强度不够。

图3 原粘接夹具中由于缺乏定位装置容易导致零件摆放位置不准

2)一次装夹12组待粘接零件，虽然可以提高效率，但由于预紧螺母件相隔距离较近，实际操作不够方便(见图4)。

图4 原粘接夹具在释放弹簧中预紧螺母间间距过小，操作不便

3)由于粘接过程需要高温(一般为180 ℃)固化，夹具在经历反复的高温过程后，预紧螺母处的螺纹容易发生锈蚀粘连，导致预紧困难。

4)原粘接夹具压紧后状态如图5所示。预紧弹簧容易歪斜，导致下压力的方向和大小发生波动，且压装过程中易发生压块与粘接体间的相对位置偏移，造成施加压力不够准确，都将使粘接后零件无法满足要求。

图5 原粘接夹具压紧后状态

2 新型夹具设计

针对原有夹具使用中面临的上述问题，本文优化了原有夹具设计，主要优化如下。

1)在可动托板上增加了浮动定位销。原夹具中，可动托板为一个较为简单的平板结构，新设计的夹具在原平板结构基础上，增加了浮动定位销[12](见图6和图7)，定位销利用零件1两端的U型缺口将零件1固定(零件2与零件1之间的位置由粘接剂固定)，在零件装夹过程中由零件1和零件2组成的粘接体在可动托板上的位置固定，避免了图3所示的粘接体摆放位置误差。此外，定位销钉设计为可动结构，当托板下表面贴紧在夹具底座上时，销钉向上弹出，可用来固定零件1，当粘接完成、将可动托板从夹具中取下时，在内部弹簧作用下，销钉自动缩回，方便粘接好的零件从托板上顺利取下。

图6 新夹具在可动托板上增加浮动定位销

图7 可动托板上浮动定位内部销结构示意图

2)改进预紧机构。原结构预紧机构采用螺旋释放形式，操作空间狭小，12个工位依次释放时间耗时过长。改进后的锁紧机构如图8所示，采用偏心凸轮机构和杠杆原理进行锁紧，通过手柄转动偏心凸轮控制压杆的上下，大大提升了压杆下压行程的一致性，相应地，压紧力的一致性也同步得到提升。同时，该结构可以一次性完成所有零件的夹紧和放松，在实际使用中，上述锁紧和放松可在2 s之内完成，极大地缩短了工件预紧时间。通过上述改进，有效化解了原夹具中逐个旋转预紧螺母时操作空间不足和操作时间过长的问题。此外，新夹具中也优化了弹簧和压杆之间的定位面为圆柱面，有效解决了下压过程中弹簧容易偏斜的问题。

图8 新夹具中的锁紧机构示意图

3)优化压块结构。原夹具中，压块和压杆为2个自由体，在使用中需要手动摆放压块到待粘接体正上方，在悬紧预紧螺母压装过程中，压块位置容易偏移，严重时需要悬松预紧螺母重新操作。在新夹具中，将压杆和压块设计为组合结构(见图9)，在下压过程中压块的位置由压杆固定，有效避免了由于压块窜动造成的粘接失效。

a) 原结构 b) 组合前 c) 组合后

通过上述优化，最终的夹具如图10所示，其工作原理与原夹具类似，但大大提升了易用性和使用效率，减轻了操作难度和操作强度，更加容易保证操作过程的一致性，有助于提升产品粘接质量。夹具优化前后效果对照见表1。

图10 新夹具最终结构

表1 优化前后效果对照表(12个零件一组)

3 结语

本文介绍了一种小型薄片类零件精密粘接夹具的优化过程，首先系统分析了原有夹具在使用中的各种不便，然后有针对性地优化了夹具结构，主要是在可动托板上增加了一种浮动定位销钉结构，解决了零件批量摆放中位置误差大的问题；改进了锁紧机构，利用偏心凸轮和杠杆机构，实现了快速、一致地将待粘接零件锁紧；优化了压紧结构，解决了下压过程中压块位置偏移的问题。通过上述优化和改进，新设计的夹具可以有效提升操作便捷性，减少操作时间，同时提高了产品合格率和一致性，在实际中取得了良好的应用效果。