真空吸盘装夹技术在框架类零件加工中的应用

吴本兴 徐练光 蒋 凯 覃树兰 刘 川

真空吸盘装夹技术在框架类零件加工中的应用

吴本兴 徐练光 蒋 凯 覃树兰 刘 川

（四川航天燎原科技有限公司，成都 610100）

通过分析框架类零件的结构特点及加工难点，设计工艺薄边，满足零件采用真空吸盘装夹时的气密要求，实现数控设备的连续切削，提高了生产效率；同时，工艺薄边增加了结构的刚性，保证了产品质量。

刚性；真空吸盘；产品质量；生产效率

1 引言

图1 框架类零件实物图

随着当前电子技术的高速发展，航天领域的电子装备系统趋于小型化、高集成化。某框架（见图1）采用铝合金、镁铝合金等轻合金材料整体切削加工而成，此类零件因其结构单一、功能集中、重量轻等优点，颇受设计人员的青睐，越来越多地应用在电子装备系统中。

框架类零件采用轻合金材料，材料自身强度较低，且材料去除率高，导致结构刚性差，在精加工时无法采用虎钳等常规方法装夹，目前常见的加工方法为：制作专用装夹，以外形及内框辅助定位，再采用压板分段装夹并分段加工，无法实现数控切削连续加工，加工效率低；细筋处刚性差，加工时极易产生振纹及啃刀等质量缺陷，因此目前的加工方法难以满足航天产品高质量、短周期的质量需求及进度需求[1]。

针对框架类零件的结构特点，摈弃常见压板装夹加工，采用了真空吸盘装夹技术，实现数控切削连续加工，提高产品质量及生产效率。

2 结构特点

某框架结构示意图见图2，该零件材料变形铝合金板2A12-H112，外形尺寸为280mm×150mm，尺寸精度为0.1mm，粗糙度R3.2μm，有多个台阶、贯通型腔、缺口、凸台、细筋、圆孔。

图2 框架类零件结构示意图

框架类零件结构特点如下：材料加工性能良好，但加工过程中易产生应力而发生变形；尺寸精度较高；结构单元较复杂；材料去除率高达80%，细筋处刚性差。

3 加工难点

框架类零件结构单元较复杂，应采用数控铣加工，在加工过程存在以下难点：零件结构单元较复杂，材料去除率高，加工应力不易控制，一次加工到尺寸，精度难以保证，应分粗精加工，并穿插热时效消除应力，因此涉及多次装夹；材料自身强度较低且材料去除率高，零件刚性不足，在精加工时无法采用虎钳装夹。如采用压板装夹，需设计制作复杂的专用装夹工装，且多次分段装夹，无法实现数控切削连续加工，效率低、成本高、周期长；细筋高度尺寸5mm、宽度尺寸2mm，刚性不足，铣削加工时易颤动产生振纹，尺寸难以保证。

4 工艺方案

根据零件结构特点、加工难点以及多品种、小批量、短周期的生产特点，设计工艺方案：粗加工时材料去除率不高，用虎钳装夹，保证效率；制作简易真空吸盘，精加工时用真空吸盘装夹，实现数控连续切削加工，保证效率，但型腔在真空吸盘装夹过程中不能贯通；对型腔、细筋等结构进行过程控制，设计工艺薄边，解决真空吸盘装夹型腔贯通难题及刚性不足易颤动产生振纹难题；用剃刀剔除工艺薄边。

5 加工流程

零件结构单元较复杂，加工应力不易控制，一次加工到尺寸，精度难以保证，应分粗精加工，并穿插热时效消除应力。精加工时采用真空吸盘装夹，型腔在加工过程中不能贯通。以此原则设计主要工艺流程为：铣毛坯外形—粗铣—热处理—精铣—钳，仅对粗铣、精铣、钳等工序中与型腔、细筋相关的加工要求及装夹方式展开论述。

5.1 粗铣

虎钳装夹毛坯，数铣加工如图2正面所示各型腔及细筋，型腔不铣通，长、宽及深度均留量1mm；虎钳装夹毛坯，铣背面结构，长、宽及深度均留量1mm。粗铣后零件实物图见图3。

图3 粗铣后零件实物图

5.2 精铣背面

此时图3所示正面结构，刚性仍较好，可采用虎钳装夹如图3所示正面，通过数铣精加工图3背面结构到尺寸。型腔处只铣底面与大面齐平，型腔内部暂不加工，保证后续加工中真空吸盘能正常运行。

5.3 制作简易真空吸盘

图3背面结构已加工到尺寸，此时零件刚性已不足，无法继续采用虎钳装夹，应设计制作真空吸盘装配。

5.3.1 真空吸盘工作原理

真空吸盘是将吸盘与真空发生装置连接，通过吸气管抽去吸盘与零件之间的空气，利用大气压力与真空吸盘内部的真空形成的压力差吸附于零件表面，完成吸平装夹。真空吸盘所需真空度由真空泵持续提供，夹紧力均匀、稳定，不会造成零件装夹的变形，该吸紧装夹方式可实现零件快速装夹定位,能避免因采用常规的装夹方式零件在加工时受集中应力而变形的缺陷，更消除了多次分段装夹铣削造成较大的接刀痕,同时装夹效率较高,加工质量一致性更好，目前广泛应用在薄板类金属零件加工。

真空吸盘吸力大小与环境压力和吸盘内部空间的压力差及真空作用面积成正比。

真空吸盘吸力计算：=。其中：为吸力，为气压压差，为真空作用的面积[2]。其工作原理如图4所示。

图4 真空吸盘工作原理图

5.3.2 简易真空吸盘

根据真空吸盘工作原理及零件结构特点、工艺薄边，设计制作简易真空吸盘，见图5。设计真空吸盘时应综合考虑根据当地的气压差、吸附面积及切削力，保证真空吸盘安全可靠运行。为防止零件在加工过程中移位，可采用挡板及压板辅助装夹；吸盘上的密封槽位置，应选择尽量大的密封面积装夹。另外，为保证吸附强度，还可以采用密封条局部密封。

图5 简易真空吸盘实物图

5.4 精铣正面

真空吸盘装夹图3背面（见图6），数铣正面外形、型腔及细筋，实现了数铣加工连续切削的优势，在一次装夹中，完成多个型腔、筋、孔及外形等结构的加工，缩短了工序，提高加工效率，同时也提高零件表面加工质量，减少了零件装夹次数，有利于减小加工变形量。在加工型腔时沿型腔周边将底部留工艺薄边0.1～0.15mm不铣穿（为减少切削量，可不用将底面全部加工成薄边，只需将沿型腔周边留工艺薄边），保证在连续切削加工过程中，真空吸附系统持续稳定地工作，而且薄边增加了细筋刚性，加工时不会产生振纹。

图6 真空吸盘装夹实物图

5.5 剔除工艺薄边

精加工后零件型腔未贯通，预留了工艺薄边。将零件放在聚四氟乙烯板上用锋利的剃刀剔除工艺薄边并锉修圆滑，使结构、尺寸满足图纸要求。操作图见图7。

图7 薄边剔除实物图

6 结束语

真空吸盘因夹紧力均匀、稳定，能实现零件快速装夹定位，极大地提高了生产效率，目前广泛应用在薄板类金属零件加工，但真空吸盘装夹因气密性要求无法加工一些贯穿性结构。框架类零件有贯穿型腔，常规的方法无法使用真空吸盘装夹。针对框架类零件结构特点及真空吸盘工作原理，在加工过程中巧妙地设计了工艺薄边，采用真空吸盘装夹技术，实现数控加工自动化连续切削，减少了零件装夹次数，提高了框架类零件的加工效率，同时工艺薄边提高了细筋刚性，使产品质量得到提升，此方法具有很好的推广价值。但工艺薄边需剔除，剔除薄边属纯手工操作，影响效率，因此此方法适用于单件、小批量生产。

1 冯宪冬. 一种超大直径贮箱筒段壁板铣切工装的设计与应用[J]. 航天制造技术，2018(2)：40～43

2 高尚雪. 一种平面真空吸取器的改进[J]. 机械，2011(1)：9～14

Application of Vacuum Chuck Clamping Technology in Machining of Frame Parts

Wu Benxing Xu Lianguang Jiang Kai Qin Shulan Liu Chuan

(Sichuan Aerospace Liaoyuan Science and Technology Co., Ltd., Chengdu 610100)

In this paper, by analyzing the structural characteristics and processing difficulties of frame parts, the thin edges of the process are designed to meet the airtight requirements of parts clamped by vacuum suction cups, so as to realize the continuous cutting of CNC equipment and improve the production efficiency. Moreover, the thin edges of the process increase the rigidity of the structure and ensures the product quality.

rigidity；vacuum chuck；product quality；production efficiency

V461

B

吴本兴（1976），高级工程师，机械类专业；研究方向：机加工艺。

2021-09-01