牛人自制真空夾具非常好用

薄板類零件在數(shù)控加工中心和數(shù)控銑中應(yīng)用廣泛，高效快捷的裝夾方式是應(yīng)用吸盤，這樣減少了薄板類零件的變形，有效地保證了加工質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。本文比較詳細(xì)全面地介紹了真空夾具制造及應(yīng)用，從真空夾具的原理到工件受力計(jì)算與切削條件驗(yàn)證，從夾具結(jié)構(gòu)到使用過程，做出了全面闡述。能夠結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，靈活地自制運(yùn)用。鋁板、聚氨酯板、聚四氟乙烯板和膠木板等薄板類零件在我公司的數(shù)控加工中應(yīng)用廣泛，需要加工平面、外輪廓、內(nèi)腔、長槽和階梯孔等，傳統(tǒng)的加工方法是采用工作臺(tái)面壓平、多次換壓的方法。由此造成以下問題：①此種加工方法所必需的生產(chǎn)準(zhǔn)備和加工停頓時(shí)間過長，切削加工不能夠連續(xù)進(jìn)行，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。②壓板不恰當(dāng)?shù)淖饔昧κ构ぜ嬖诒粔簜目赡苄裕瑝壕o力的不均衡容易造成鋁板加工后產(chǎn)生較大變形，多次更換壓緊位置的輕微位移可能造成工件接刀痕跡明顯，影響加工精度及外觀質(zhì)量。③聚氨酯是一種有機(jī)高分子材料，板材軟且彈性大，壓板壓到的位置稍稍用力就會(huì)產(chǎn)生塌陷變形，壓不到的位置切削時(shí)極易隨著刀具切削力翻起產(chǎn)生嚴(yán)重過切，尺寸控制非常困難。工件在夾具上的安裝和夾緊，是影響加工精度的重要因素。資料顯示，25%～50%的加工誤差是由于工件的安裝精度不夠和夾具的選擇不當(dāng)所引起的。因此，能夠解決上述加工問題，滿足工藝技術(shù)要求，并且有效地提高產(chǎn)品的加工精度和生產(chǎn)效率，改革工裝夾具是重要途徑。本文主要闡述一種經(jīng)過摸索與實(shí)踐，能夠解決此類問題的自制夾具——真空吸盤。1.夾具用途一種通用型夾具，主要應(yīng)用于加工中心、銑床和平面磨床。能夠?qū)︿X板、銅板及塑料板等非磁性板類零件的上表面、側(cè)面在一次安裝下完成所有加工，達(dá)到提質(zhì)增效的目的。尤其對于易變形類零件，運(yùn)用此夾具安裝，能夠更加容易控制零件的平行度、平面度等幾何公差，獲得更加優(yōu)秀的加工質(zhì)量。對于安裝困難的工件，在該夾具上的裝卸過程快捷方便，能夠大幅地提高生產(chǎn)效率。在自制吸盤平面精度能夠滿足要求的情況下，也可用于研磨作業(yè)。2.夾具的工作原理依靠真空吸力吸附零件進(jìn)行切削加工，操縱手扳閥控制氣流的進(jìn)出達(dá)到工件的吸附和釋放。具體是對工件與吸盤接觸表面進(jìn)行密封，通過真空發(fā)生裝置將工件與吸盤密封區(qū)域內(nèi)的空氣抽出，使其達(dá)到真空負(fù)壓狀態(tài)。工件在真空的作用下，上、下兩個(gè)面所產(chǎn)生的壓力差，使工件產(chǎn)生了一個(gè)向著吸盤的力。切削加工時(shí)，在切削力的作用下，產(chǎn)生的這個(gè)力作用于工件與吸盤的接觸界面形成摩擦力，當(dāng)摩擦力大于切削力時(shí)，工件能夠牢固的吸附在吸盤表面，滿足工作需要。3.夾具結(jié)構(gòu)（1）主體結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示，夾具主體結(jié)構(gòu)的吸盤和底座可使用45鋼制作，在粗加工后需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，使硬度達(dá)32～38HRC，精加工時(shí)精磨加工各個(gè)平面，保證各處平面度、平行度以及相鄰兩面的垂直度≤0.02mm。裝配完成后，再次精磨主體結(jié)構(gòu)上下平面，保證上下平面的平行度、平面度≤0.01mm，精加工主體結(jié)構(gòu)上表面的密封槽，保證槽底與主體上表面的平行度≤0.02mm。最后，對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面發(fā)藍(lán)處理，對吸盤上平面進(jìn)行滲氮處理，增加其防腐和表面的硬度及耐磨性。圖1主體頂部示意圖2主體底部示意圖3主體結(jié)構(gòu)1、8—螺釘2—防護(hù)罩3—定位銷4—螺栓5—吸盤6—底座7—蓋板本夾具主體結(jié)構(gòu)主要包括吸盤、底座、蓋板和防護(hù)罩。吸盤與底座通過螺栓、定位銷聯(lián)接定位，底座與蓋板通過螺釘8聯(lián)接固定。吸盤、底座和蓋板之間形成的封閉腔體結(jié)構(gòu)，可安裝固定真空回路元件和管線。底座的側(cè)面加工有安裝孔A和安裝孔B，用以聯(lián)接固定真空回路的控制元件和真空表。防護(hù)罩使用螺釘1固定在底座側(cè)面的適合位置，防護(hù)控制元件和真空表不被切削及切削液等損壞。吸盤上表面加工有縱橫均布的密封槽，密封膠條可根據(jù)所加工的大小不同、形狀各異的工件外輪廓在密封槽內(nèi)任意圍合，形成密閉區(qū)域。在密閉區(qū)域內(nèi)的密封槽可以通過真空孔聯(lián)接真空元件，形成完整的真空回路，實(shí)現(xiàn)工件在吸盤上的吸附和釋放。（2）基本的氣動(dòng)系統(tǒng)如圖4所示，基本的真空夾具氣動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由提供氣源的空壓站、穩(wěn)定氣壓的儲(chǔ)氣罐、控制元件——?dú)鈩?dòng)控制閥、產(chǎn)生負(fù)壓的真空發(fā)生器以及消聲器、過濾器和真空表等組成，這些設(shè)備和元器件通過導(dǎo)氣管和氣動(dòng)管接頭聯(lián)接形成可控的真空回路。圖4基本氣動(dòng)結(jié)構(gòu)示意1—空壓站2—儲(chǔ)氣罐3—?dú)鈩?dòng)控制閥4—消聲器5—真空發(fā)生器6—過濾器（油霧分離器）7—真空表8—自制吸盤4.夾具的使用分析工件受力情況，制訂夾具使用流程，具體如下所述。（1）工件受力分析工件在自制吸盤吸附下，工作時(shí)的受力情況如圖5所示。自制吸盤吸附的工件，在其底面與吸盤真空槽之間形成的真空吸合區(qū)域內(nèi)（真空吸合面積S1，單位cm2），產(chǎn)生了真空負(fù)壓，大氣壓力P1（N）作用在工件頂面。切削加工時(shí)，被吸附的工件受到切削力P2（N）的作用，作用于工件頂面的大氣壓力在工件與吸盤的接觸界面（接觸面積S2區(qū)域內(nèi)，S2單位cm2），形成了抵抗切削力的摩擦力F（N）。圖5工件受力示意1—銑刀2—密封條

3—工件4—自制吸盤1）P1所示的大氣壓力，就是自制真空夾具對工件產(chǎn)生的吸合力。計(jì)算公式：吸合力P1＝氣壓P×吸合面積S。式中氣壓P為真空吸盤工作時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓（N/cm2），大小由自制夾具所能夠達(dá)到的真空度（kPa）決定。公式中的吸合面積S（cm2）是工件與吸盤之間形成真空吸力的吸合面積S1。S1是在密封條圍合的密封范圍內(nèi)，工件底面與吸盤之間能夠形成真空的所有真空槽的面積總和。由此可見，在真空度一定的情況下，自制吸盤吸合力的大小由S1決定，即P1＝P×S1。增大吸力P1的方法，是增大工件與吸盤之間形成真空的吸合面積S1。2）銑削力（N）（即圖5中P2）的計(jì)算公式：FZ＝CFkFae0.86af0.72d0-0.86zap式中，

FZ（P2）是銑削力（N）；CF是高速鋼銑刀加工不同材料的切削系數(shù)，其值查表；kF

是高速鋼銑刀銑削力的修正系數(shù)，其數(shù)值根據(jù)銑刀的幾何角度查表；ae

是切削層公稱寬度（mm）；af

是每齒進(jìn)給量（mm/z）；d0是銑刀直徑（mm）；z是銑刀齒數(shù)；ap是銑削深度（mm）。理想的銑削力是在保證工件吸附牢固、加工安全的前提下，能夠獲得更高的生產(chǎn)效率和更好的加工質(zhì)量。分析銑削力的計(jì)算公式及其各參數(shù)定義，在切削系數(shù)CF和修正系數(shù)kF確定的情況下，決定銑削力FZ大小的關(guān)鍵因素是刀具直徑、齒數(shù)的選擇以及切削用量的確定。可以通過選擇直徑較小、切削鋒利的刀具來減小扭矩和工件受力，從而增加工件吸附的安全可靠性。可以在機(jī)床性能允許的情況下，選擇高的主軸轉(zhuǎn)速、大的切削速度、小的進(jìn)給量和切削深度，來達(dá)到減小切削力、提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量的目的。3）摩擦力（N），圖5所示的S2是工件與吸盤之間的接觸面積。切削加工被吸盤吸附的工件時(shí)，在大氣壓力P1的作用下，接觸界面S2會(huì)形成摩擦力F來抵抗工件所受到的切削力，其大小可根據(jù)公式F＝μ×P1（μ為摩擦界面的靜摩擦因數(shù)，其數(shù)值可根據(jù)構(gòu)成摩擦界面的材料配對查表）計(jì)算。摩擦力F的大小與接觸面積S2大小無關(guān)，工件在切削過程中，只有當(dāng)切削力P2小于大氣壓力P1產(chǎn)生于S2面的摩擦力F時(shí)，工件才能保持穩(wěn)定。反之，工件就會(huì)開始滑動(dòng)甚至脫離吸盤飛出。綜上所述，利用自制真空吸盤吸附工件進(jìn)行切削加工，必須滿足的基本條件是：切削力小于摩擦力，即P2＜μ×P1。這是判斷自制真空吸盤使用性能的重要指標(biāo)。一方面，關(guān)系到夾具使用過程中，必須時(shí)刻放在首要位置的安全可靠性。另一方面，在保證加工過程絕對安全可靠的情況下，能夠指導(dǎo)使用者綜合機(jī)床性能，對使用的加工刀具和切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，達(dá)到充分提高生產(chǎn)效率和加工精度、深入挖掘自制夾具使用潛力的目標(biāo)。（2）夾具使用流程圖6是我公司某零件示意圖，材料為聚氨酯，采用數(shù)控加工，使用自制真空吸盤裝夾，工作流程大致如下所述。圖6某聚氨酯加工件示意1）將自制夾具固定在數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)面，聯(lián)接氣源。2）把工件毛坯擺放在真空吸盤臺(tái)面上（見圖7），工件底面與吸盤表面用發(fā)泡膠條在密封槽內(nèi)圍合密封，圍合的范圍應(yīng)略小于工件外輪廓。要求毛坯底面平整光潔，以保證吸附的真空密封性。圖7毛坯安裝示意3）工件受力計(jì)算與切削條件驗(yàn)證：大氣壓力（吸合力）P1經(jīng)計(jì)算，圖6所示工件面積為514.2cm2，圖7所示的加工前毛坯面積為677cm2，自制吸盤真空壓強(qiáng)P＝－85kPa，有效真空吸合面積S1＝265cm2。則吸合力

P1＝P×S1＝－85×265＝2207.45（N）。摩擦力F：按照聚氨酯-鋼配對，查表得到靜摩擦因數(shù)μ

為0.18。則摩擦力

F

＝

μ

×

P1

＝0.18×2207.45＝397.34（N）。銑削力P2：銑削此零件使用高速鋼立銑刀，主軸轉(zhuǎn)速5000r/min，切削速度3000mm/min，根據(jù)被加工材料和選用的高速鋼銑刀幾何角度查表得到系數(shù)CF＝167，kF＝0.92，切削參數(shù)預(yù)設(shè)ae＝16mm，af＝0.2mm/z，d0＝16mm，z＝3，ap＝1mm。根據(jù)公式計(jì)算，銑削力P2（FZ）＝144.5N。切削條件驗(yàn)證：根據(jù)計(jì)算，銑削力P2（144.5N）＜μ

×

P1

（2207.45N），完全滿足該零件利用自制吸盤吸附加工的切削條件。4）操縱手扳閥，打開真空回路，工件牢固地吸附在吸盤表面。觀察真空表，負(fù)壓顯示－85kPa，壓力穩(wěn)定可以開始加工。5）工作中，注意觀察真空表的負(fù)壓值是否穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)（正常范圍數(shù)據(jù)可參考上述切削條件驗(yàn)證方法進(jìn)行計(jì)算）。6）如圖8所示，聚氨酯毛坯在自制吸盤的吸附下，通過一次安裝可以完成此工件的所有加工，解決了傳統(tǒng)加工聚氨酯板存在的各種困難。加工精度能夠滿足工藝技術(shù)要求，生產(chǎn)效率可以提高40%左右。圖8加工完成示意7）加工完成后，將夾具上的切屑及切削液等清理擦拭干凈。操縱手扳閥，關(guān)閉真空回路，取下從吸盤釋放的工件。5.夾具的經(jīng)濟(jì)適用性夾具的經(jīng)濟(jì)適用性如下所述。1）本夾具適用于有穩(wěn)定氣源的任何場所。2）夾具自身工作中所需的能源消耗低，用電量小。使用過程環(huán)保無污染，沒有光、熱和電磁等產(chǎn)生。3）當(dāng)通用型吸盤不能夠完全滿足于特殊產(chǎn)品的生產(chǎn)需求時(shí)，可針對該產(chǎn)品的加工特點(diǎn)，柔性化地設(shè)計(jì)、制作專用吸盤。6.夾具的安全可靠性通過自制真空夾具并實(shí)際應(yīng)用，單件或者批量加工上述鋁板和聚氨酯板等零件，得出以下結(jié)論：1）聯(lián)接本公司集中供氣的空壓站，空壓站供壓為0.7～0.8MPa。安裝工件并合理密封底面，操縱手扳閥，使真空發(fā)生器達(dá)到工作狀態(tài)，真空表數(shù)值顯示負(fù)壓0.085MPa，負(fù)壓數(shù)值穩(wěn)定。2）工件底面與吸盤表面快速達(dá)到真空狀態(tài)后，貼合緊密且牢固。3）根據(jù)不同的加工材料合理選擇加工刀具與切削用量，盡量選擇以高的主軸轉(zhuǎn)速、大的切削速度、小的進(jìn)給量和切削深度切削加工以減小切削力，提高工件吸附的安全可靠性。4）加工不同材質(zhì)的工件通過運(yùn)用不同的工藝方案，工件加工精度高、表面粗糙度好，完全滿足了工藝技術(shù)要求。加工平面平行度實(shí)測≤0.02mm。5）氣源提供壓力的大小是決定真空夾具與工件之間真空度的重要因素，嚴(yán)重影響工件加工的安全可靠性。因此，夾具使用過程中，必須嚴(yán)格控制氣源的穩(wěn)定和可靠。6）突然的斷電和氣源故障等小概率事件，可能會(huì)使正在加工的工件產(chǎn)生滑動(dòng)或者飛出而造成報(bào)廢，利用空壓站儲(chǔ)氣罐的緩沖作用可以延遲其突然性。因此，加工中應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測真空表數(shù)據(jù)變化，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取措施。7.夾具的綜合性能夾具的綜合性能如下所述。1）制作、使用和維護(hù)成本相對低廉，應(yīng)用范圍廣泛。2）解決傳統(tǒng)加工方法中的多次安裝夾