薄壁件如何高效裝夾？

一往冇前

如今制造業(yè)中難加工材料大量應(yīng)用，其加工性能差與結(jié)構(gòu)整體化帶來的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和高材料去除率，給薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工帶來了巨大挑戰(zhàn)，對(duì)制造裝備、工藝技術(shù)等也提出了更高要求。特別是大型弱剛性曲面結(jié)構(gòu)件、薄壁回轉(zhuǎn)體類零件、薄型多面體類等零件，在裝夾技術(shù)方面亟待突破。

一、薄壁零件加工的柔性工裝設(shè)計(jì)

航天類的薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件具有弱剛性、形狀結(jié)構(gòu)相似等共性特征，同時(shí)型號(hào)種類呈現(xiàn)系列化發(fā)展特點(diǎn)，如艙體和端框類，舵面和翼面類等，這些零件的定位和夾緊規(guī)律性強(qiáng)。薄壁整體結(jié)構(gòu)在切削加工中零件剛性隨大量毛坯材料的去除而變化，結(jié)構(gòu)剛性低且復(fù)雜，因而客觀上要求加工中工件夾緊力要實(shí)時(shí)調(diào)整以適應(yīng)零件整體動(dòng)態(tài)剛度的變化;需要進(jìn)行多點(diǎn)輔助支撐，以提高加工部位的局部剛度，減少薄壁變形。

▲帶傳感器的柔性工裝

綜合體現(xiàn)機(jī)電液一體化技術(shù)和多傳感器信息融合技術(shù)的柔性工裝是近年來出現(xiàn)的先進(jìn)裝備技術(shù)，柔性工裝的技術(shù)特點(diǎn)是定位和夾緊元件為通用元件，可互換性好;定位夾緊位置可自適應(yīng)調(diào)整;夾緊力大小、方向和夾緊順序可自動(dòng)控制;驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)電液一體化部件;應(yīng)用位移、力和壓電傳感器元件。

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柔性工裝技術(shù)可以使一套夾具滿足系列化多種尺寸規(guī)格的零件安裝要求，既具有機(jī)械式可調(diào)夾具和組合夾具的柔性，又具有特種專用夾具的高效性，適用于數(shù)控加工設(shè)備，可以使高速數(shù)控加工機(jī)床的性能得到更加充分的發(fā)揮，大幅度降低輔助準(zhǔn)備時(shí)間。

二、大型曲面結(jié)構(gòu)件加工方法

大型復(fù)雜鋁合金貯箱網(wǎng)格壁板是焊接成為貯箱的基礎(chǔ)零件，壁板按結(jié)構(gòu)不同，又可分為殼段壁板和筒段壁板，不同型號(hào)的殼段壁板或筒段壁板結(jié)構(gòu)又各不相同。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，壁板在保持足夠剛度和強(qiáng)度的前提下需盡量輕量化，所以其模型存在獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征。

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▲壁板結(jié)構(gòu)

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壁板制造采用整塊鋁制板材輥彎后進(jìn)行五軸銑削加工，整個(gè)加工工藝系統(tǒng)和加工過程具有區(qū)別于其他常規(guī)結(jié)構(gòu)件加工的特點(diǎn),這些特點(diǎn)主要包括：非規(guī)則蜂窩網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、凸臺(tái)和口框等特征交錯(cuò)、整體相似與局部差異并存;宏觀大尺寸與局部變剛性特征相結(jié)合;多應(yīng)力耦合條件下的復(fù)雜轉(zhuǎn)變規(guī)律，使得壁板發(fā)生宏觀的翹曲變形以及不同網(wǎng)格位置的局部變形加大了不同網(wǎng)格壁厚的不均勻性。

▲壁板真空吸附裝置

針對(duì)貯箱壁板高效高精加工需求，可以真空吸附裝夾技術(shù)，通過真空吸附夾具吸附裝夾零件，使其受到均勻分布載荷的夾緊力，從而減少零件因夾緊力造成的變形，提高零件的加工精度。真空吸附柔性裝夾裝置的主要組成包括：壁板內(nèi)型面機(jī)銑加工大型真空吸附裝置、外型面機(jī)銑加工大型真空吸附裝置、真空發(fā)生系統(tǒng)、平臺(tái)一體化控制系統(tǒng)。其中，真空吸附裝置的主要組成包括鑄造形胎、轉(zhuǎn)臂氣缸和真空吸盤、閥塊模組、壓力傳感器、真空管路、快速接頭、手動(dòng)截止閥、密封條等組成。

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真空發(fā)生系統(tǒng)的主要功能是提供持續(xù)、穩(wěn)定的氣壓差，確保吸盤能夠牢靠的吸住工件。真空發(fā)生系統(tǒng)的組成包括：真空泵、消音器、電磁壓差真空閥、高真空隔膜閥、真空阱、高真空手動(dòng)蝶閥、真空表、控制系統(tǒng)等，真空發(fā)生系統(tǒng)中重要的性能參數(shù)是其所能獲得的極限真空度和對(duì)容器的有效抽速。

三、薄壁回轉(zhuǎn)體類零件加工
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艙體、端框等結(jié)構(gòu)件屬于典型薄壁回轉(zhuǎn)體類零件，這類結(jié)構(gòu)件的數(shù)控銑削加工柔性工裝可用于零件周向孔、槽、口框、型腔的銑削、鉆削與鏜削加工，而長(zhǎng)度方向和直徑方向的夾持范圍均可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，工裝系統(tǒng)夾緊力范圍也可調(diào)，從而適應(yīng)多品種相似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的裝夾需求，其外圓車削夾具、內(nèi)腔與端面車削夾具均具備軟爪卡盤裝夾功能，以適應(yīng)薄壁結(jié)構(gòu)的小變形裝夾需求。

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傳統(tǒng)裝夾條件下，薄壁回轉(zhuǎn)體類零件多采用機(jī)械壓板、悶蓋的組合裝夾方式，裝夾時(shí)間長(zhǎng)，裝夾可靠性完全依靠工人態(tài)度和工作規(guī)范性，夾緊力大小和一致性無法保證。根據(jù)薄壁回轉(zhuǎn)體類零件特征設(shè)計(jì)液壓柔性工裝系統(tǒng)，形成軸向夾緊位置可調(diào)，夾緊與浮動(dòng)支撐結(jié)合，多點(diǎn)自動(dòng)定心的柔性?shī)A緊技術(shù)，從而滿足不同直徑和不同長(zhǎng)度的回轉(zhuǎn)體類零件夾緊需求。

▲薄壁回轉(zhuǎn)零件銑削加工柔性工裝

多類型號(hào)的艙體、端框等薄壁回轉(zhuǎn)體類結(jié)構(gòu)件均可采用同一套夾具裝夾，柔性?shī)A具的軸向行程徑向行程均可以調(diào)整，軸向夾緊位置可以隨艙體外形加工的位置而改變，解決加工干涉問題。通過液壓站控制系統(tǒng)壓力和夾緊力大小，采用有限元仿真分析不同夾緊力條件下，零件裝夾變形情況，從而確定最優(yōu)夾緊力。夾具底部采用360度轉(zhuǎn)臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)艙體等回轉(zhuǎn)體類結(jié)構(gòu)件不同位置的旋轉(zhuǎn)和加工。

▲薄壁件外圓夾持示意

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在艙體類零件的外圓與內(nèi)腔加工中，六爪或八爪卡盤特別設(shè)計(jì)適于薄壁件和易變形工件的多點(diǎn)夾持。多爪卡盤基爪兩兩相連可浮動(dòng)向心夾緊，這樣使多個(gè)夾緊點(diǎn)的力方向皆指向中心，保證工件不易變形。同時(shí)，此種設(shè)計(jì)使得在卡盤上直接使用傳統(tǒng)卡爪成為可能，并兼具離心力補(bǔ)償。

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四、薄型多面體類零件加工
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薄型多面體類零件一般有較高的空氣動(dòng)力學(xué)要求，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，表面加工質(zhì)量要求較高。這類結(jié)構(gòu)件以多斜面為主，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，刃口部位局部最薄壁厚不足0.5mm，零件材料去除率達(dá)70%以上，典型零件對(duì)象包括舵面、翼面、罩板等。

傳統(tǒng)裝夾模式下，針對(duì)薄型多面體類零件舵采用機(jī)械壓板夾緊，裝夾時(shí)間長(zhǎng)，裝夾可靠性完全依靠工人經(jīng)驗(yàn)和工作規(guī)范性，夾緊力大小和一致性無法保證。根據(jù)薄型多面體類零件特征設(shè)計(jì)液壓柔性工裝系統(tǒng)，通過合理分布夾緊點(diǎn)，結(jié)合自動(dòng)壓緊和壓緊力控制，形成適用于多種型號(hào)舵面、翼面類零件的柔性工裝系統(tǒng)。

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▲柔性工裝示意圖

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舵翼類在加工過程中需要進(jìn)行兩面加工，因此需要設(shè)計(jì)兩套柔性工裝系統(tǒng)來分別完成正面和反面的加工，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。以翼面零件為翼面零件毛坯正面夾緊采用六個(gè)液壓轉(zhuǎn)角下壓油缸完成六個(gè)位置壓緊，毛坯放置底座采用挖空設(shè)計(jì)，防止在零件加工時(shí)底座干涉。通過液壓站控制系統(tǒng)壓力控制六個(gè)夾緊點(diǎn)夾緊力大小，采用有限元仿真分析不同夾緊力條件下，零件裝夾變形情況，確定最優(yōu)夾緊力。

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在完成正面加工后，利用正面夾緊工藝搭子，反面夾緊采用六個(gè)液壓轉(zhuǎn)角下壓油缸完成與正面相同的六個(gè)位置壓緊，毛坯放置底座采用挖空設(shè)計(jì)，防止在零件加工時(shí)底座干涉。

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加油加油

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外圓夾持可以改為圓錐形的定位夾頭效果應(yīng)該更好，更容易使工件不打滑很穩(wěn)固