薄壁件加工的柔性夹具研究现状探讨

朱 浩， 龙敦鹏

（湖南有色金属职业技术学院， 湖南 株州 412000）

引言

随着科学技术的不断发展和进步，在进行薄壁件加工时使用的柔性夹具也不断更新与升级。目前，有一种新型的柔性夹具，能对一定尺寸范围内任何形状和尺寸的零件进行安装，在安装的过程也不会受到薄壁件的影响，能够克服薄壁件在加工过程中产生的装夹变形，为加工质量和加工效率等提供了技术保证。

1 相变材料夹具分类

零件加工时采用相变材料夹具，须将零件放置于液相材料内，通过一定程度的刺激，液相材料能够在物理形态上发生变化，由最初的液态化为固态，从而实现对零件的固定[1]。

一般情况下，相变材料的夹具包括真相变材料夹具和伪相变材料夹具。真相变材料夹具在工作的过程中真正实现了材料形态的变化，从最初的液态经过外力作用等变成了固态，在加工完毕后，其材料又会重新进行归位，从固态又转变成液态。伪相变材料夹具指的是在夹紧过程中，材料的流动性在外界因素的作用下发生了一定的变化。在进行零件安装的时候，材料的状态相对比较疏松，有助于夹紧，可实现工件的固定，保持材料的状态稳定性，就可保证安装效果。在工件正式安装后，对这些悬浮颗粒介质施加压力，在这样的状态下悬浮颗粒往往不能进行流动，可实现对工件的固定，将其进行定位和夹紧。

真相变材料夹具主要有温度流变材料夹具、电流变材料夹具和磁流变夹具三种。

温度流变材料夹具主要有冰固夹具、石蜡夹具和低熔点合金夹具。冰固夹具在进行工作的时候，将需要加工的夹具放置到夹具座上的水中，然后等待液态水在一定条件下冷却成冰，从而实现对零件的冻结，这样就能够实现对零件的加工。在正式加工完成后，融化包裹夹具的冰，就可顺利将夹具取出。这种夹具在实际应用中，主要是对导热差的非金属不规则零件进行磨削加工，是一种最为环保而且成本较低的材料。但是这种材料在实际的应用中，由于室温的原因，有可能冰融化为水，从而影响其夹紧功能的正常发挥。石蜡成本比低熔点合金的成本要低，这看起来似乎是一件好事，但是由于其强度较低，在现实中很难大量推广和应用。低熔点合金夹具在应用中较为广泛，已经被广泛应用于航天航空领域，主要是应用在方箱工艺中，通过使用低熔点合金，实现叶片和方箱的浇筑和结合，从而完成对叶片的加工[2]。

电流变材料和磁流变材料的夹具，其主要技术缺点是强度较低，尽管磁流变夹具在实际工作中，可以通过外力的作用对强度进行强化，但是强化之后仍不能达到实际所需的标准，而且在对其进行强化时，还需借助于加压机构，操作比较困难。

2 相变材料夹具的研究进展

国外的研究人员在对相变材料夹具进行具体研究时，先后提出了能够装夹不同尺寸和形式的柔性夹具是整个夹具制造和发展工艺的关键、真相变夹具和伪相变夹具等理论、概念。在对伪相变夹具进行研究的过程中，相关研究人员建立了数字模型，并分析了夹紧参数和夹紧力之间的关系[3]，提出了自适应夹具设计原则，并结合实际的实验对其应用效果进行了详细的验证。研究人员还做了在对大工件进行平面加工时应用电流变材料的夹紧实验，提出了基于低熔点合金包裹的无参考工件装夹技术，能够实现对复杂零件的加工。利用这种工艺能够实现对各种形式的零件的装夹，而且也简化了工艺。

我国从1998 年开始有关于相变夹紧材料的报道，康忠民教授和刘璇教授针对相变夹紧材料提出的理论，主要包括温度相变的石蜡夹具、相变材料柔性夹具等，对它们的特点和工作原理等都进行了详细和系统的介绍[4]。除此之外，李智蓓教授也实施并开展了对RFPE 材料的详细研究，在对其进行实验的过程中，依靠材料的切削性能、固化收缩性能以及强度等，首先对封装材料进行了一定的选择，通过实验实现了对因工序转化导致的误差分析。该技术在应用过程中实现了对传统夹具实验的突破，具有广阔的应用前景，特别适用于新产品的开发，尤其是复杂、多工序工件的加工。但是，在实际的应用中也存在着一定的局限性，在对一般材料进行加工时，并不需要对其进行全部封装，如果在加工过程中对其进行全部封装，会造成材料浪费。

3 新型低熔点相变材料柔性夹具

目前市场上柔性夹具的应用主要包括可调夹具和组合夹具两种。前者在应用中主要是对同一类型的零件进行加工，在加工中利用可调夹具可以实现自由、灵活地调节，通过调节夹具，满足安装需要。而另一类主要指的是组合夹具，主要是通过模块化和系统化的部件组合而成，这种夹具虽然存在一定的优势，但是也具有明显的不足。为了实现多个部件组合的良好效果，对其部件的质量要求较高，导致成本增加，而且组合夹具刚度较差，不能适应重切削。对不规则的零件也不能进行装夹。在装夹结束之后，需要对其进行装配和调试，技术要求较高，在实际生产加工中必须安排专业人员对其进行集中管理，管理成本较大。

国内外学者在不断尝试着创建新的柔性夹具，使其在工作中不受到零件结构和状态的限制，能够实现对复杂零件的装夹。吕彦明教授所带领的团队提出了利用低熔点合金为相变材料的柔性夹具能够在工作状态中，实现对不同类型和不同尺寸的零件进行夹紧，也不会受到零件位置的限制。在进行实际的操作中，利用柔性夹具将工件定位在合适的位置之后，加注液相材料，并在一定的条件的作用和影响之下，使其能够转换成固相材料，实现对零件的夹紧。这一实验的成功真正实现了柔性装夹，也就是说在进行零件装夹的时候，只需要借助一个设备和机器，就能够实现对不同形状、不同尺寸甚至是不同部位的零件准确夹紧。在实际加工制造时，能够有效缩短装夹时间，提高工作效率，对提高企业经济效益具有重要的意义。

相变材料选择低熔点合金，能实现对定位件、夹紧体的有效连接。对不同的零件进行加工时，只需要将低熔点合金熔化，重新选用调整定位及夹紧体固定零件，就可以实现对不同形状的零件夹紧，灵活性强[5]。而且相变材料可以重复使用，其熔点相对较低，在进行熔化的过程中对于零件的机械性能影响很小。该技术在使用中有较多的优势，能够实现对任意材料的夹紧，在使用中不会受零件形状、位置以及尺寸大小等方面的限制，而且当所加工的材料刚性较差时，可以向里面加入一些合金材料增强零件的刚性。种类少、成本和消耗低，而且定位和夹紧的位置是可以随意调动的，灵活性强，定位精度高，夹紧速度快，能够满足对各种形式零件的夹紧。

4 结语

结合国内外的相关研究情况，对相变材料的研究进行了具体的阐述和分析，并且基于技术的进步和时代的发展，提出了一种新兴的柔性夹具，即低熔点相变材料的柔性夹具，能够真正实现对不同尺寸和形状的零件的快速夹紧安装。