自制真空夹具及应用

铝板、聚氨酯板、聚四氟乙烯板和胶木板等薄板类零件在我公司的数控加工中应用广泛，需要加工平面、外轮廓、内腔、长槽和阶梯孔等，传统的加工方法是采用工作台面压平、多次换压的方法。由此造成以下问题：①此种加工方法所必需的生产准备和加工停顿时间过长，切削加工不能够连续进行，严重影响生产效率。②压板不恰当的作用力使工件存在被压伤的可能性，压紧力的不均衡容易造成铝板加工后产生较大变形，多次更换压紧位置的轻微位移可能造成工件接刀痕迹明显，影响加工精度及外观质量。③聚氨酯是一种有机高分子材料，板材软且弹性大，压板压到的位置稍稍用力就会产生塌陷变形，压不到的位置切削时极易随着刀具切削力翻起产生严重过切，尺寸控制非常困难。

工件在夹具上的安装和夹紧，是影响加工精度的重要因素。资料显示，25%～50%的加工误差是由于工件的安装精度不够和夹具的选择不当所引起的。因此，能够解决上述加工问题，满足工艺技术要求，并且有效地提高产品的加工精度和生产效率，改革工装夹具是重要途径。

本文主要阐述一种经过摸索与实践，能够解决此类问题的自制夹具——真空吸盘。

1. 夹具用途

一种通用型夹具，主要应用于加工中心、铣床和平面磨床。能够对铝板、铜板及塑料板等非磁性板类零件的上表面、侧面在一次安装下完成所有加工，达到提质增效的目的。尤其对于易变形类零件，运用此夹具安装，能够更加容易控制零件的平行度、平面度等几何公差，获得更加优秀的加工质量。对于安装困难的工件，在该夹具上的装卸过程快捷方便，能够大幅地提高生产效率。在自制吸盘平面精度能够满足要求的情况下，也可用于研磨作业。

2. 夹具的工作原理

依靠真空吸力吸附零件进行切削加工，操纵手扳阀控制气流的进出达到工件的吸附和释放。具体是对工件与吸盘接触表面进行密封，通过真空发生装置将工件与吸盘密封区域内的空气抽出，使其达到真空负压状态。工件在真空的作用下，上、下两个面所产生的压力差，使工件产生了一个向着吸盘的力。切削加工时，在切削力的作用下，产生的这个力作用于工件与吸盘的接触界面形成摩擦力，当摩擦力大于切削力时，工件能够牢固的吸附在吸盘表面，满足工作需要。

3. 夹具结构

（1）主体结构 如图1～图3所示，夹具主体结构的吸盘和底座可使用45钢制作，在粗加工后需进行调质处理，使硬度达32～38HRC，精加工时精磨加工各个平面，保证各处平面度、平行度以及相邻两面的垂直度≤0.02mm。装配完成后，再次精磨主体结构上下平面，保证上下平面的平行度、平面度≤0.01mm，精加工主体结构上表面的密封槽，保证槽底与主体上表面的平行度≤0.02mm。最后，对主体结构进行表面发蓝处理，对吸盘上平面进行渗氮处理，增加其防腐和表面的硬度及耐磨性。

图1 主体顶部示意

图2 主体底部示意

本夹具主体结构主要包括吸盘、底座、盖板和防护罩。吸盘与底座通过螺栓、定位销联接定位，底座与盖板通过螺钉8联接固定。吸盘、底座和盖板之间形成的封闭腔体结构，可安装固定真空回路元件和管线。底座的侧面加工有安装孔A和安装孔B，用以联接固定真空回路的控制元件和真空表。防护罩使用螺钉1固定在底座侧面的适合位置，防护控制元件和真空表不被切削及切削液等损坏。吸盘上表面加工有纵横均布的密封槽，密封胶条可根据所加工的大小不同、形状各异的工件外轮廓在密封槽内任意围合，形成密闭区域。在密闭区域内的密封槽可以通过真空孔联接真空元件，形成完整的真空回路，实现工件在吸盘上的吸附和释放。

（2）基本的气动系统 如图4所示，基本的真空夹具气动结构主要由提供气源的空压站、稳定气压的储气罐、控制元件——气动控制阀、产生负压的真空发生器以及消声器、过滤器和真空表等组成，这些设备和元器件通过导气管和气动管接头联接形成可控的真空回路。

4. 夹具的使用

分析工件受力情况，制订夹具使用流程，具体如下所述。

（1）工件受力分析 工件在自制吸盘吸附下，工作时的受力情况如图5所示。

图3 主体结构

1、8—螺钉 2—防护罩 3—定位销 4—螺栓 5—吸盘 6—底座 7—盖板

图4 基本气动结构示意

1—空压站 2—储气罐 3—气动控制阀 4—消声器 5—真空发生器6—过滤器（油雾分离器） 7—真空表 8—自制吸盘

图5 工件受力示意

1—铣刀 2—密封条（根据加工需要在密封槽内围合密封）3—工件 4—自制吸盘

自制吸盘吸附的工件，在其底面与吸盘真空槽之间形成的真空吸合区域内（真空吸合面积S1，单位cm2），产生了真空负压，大气压力P1（N）作用在工件顶面。切削加工时，被吸附的工件受到切削力P2（N）的作用，作用于工件顶面的大气压力在工件与吸盘的接触界面（接触面积S2区域内，S2单位cm2），形成了抵抗切削力的摩擦力F（N）。

1）P1所示的大气压力，就是自制真空夹具对工件产生的吸合力。计算公式：吸合力P1＝气压P×吸合面积S。式中气压P为真空吸盘工作时产生的负压（N/cm2），大小由自制夹具所能够达到的真空度（kPa）决定。公式中的吸合面积S（cm2）是工件与吸盘之间形成真空吸力的吸合面积S1。S1是在密封条围合的密封范围内，工件底面与吸盘之间能够形成真空的所有真空槽的面积总和。

由此可见，在真空度一定的情况下，自制吸盘吸合力的大小由S1决定，即P1＝P×S1。增大吸力P1的方法，是增大工件与吸盘之间形成真空的吸合面积S1。

2）铣削力（N）（即图5中P2）的计算公式：

式中，FZ（P2）是铣削力（N）；CF是高速钢铣刀加工不同材料的切削系数，其值查表；kF是高速钢铣刀铣削力的修正系数，其数值根据铣刀的几何角度查表；ae是切削层公称宽度（mm）；af是每齿进给量（mm/z）；d0是铣刀直径（mm）；z是铣刀齿数；ap是铣削深度（mm）。

理想的铣削力是在保证工件吸附牢固、加工安全的前提下，能够获得更高的生产效率和更好的加工质量。分析铣削力的计算公式及其各参数定义，在切削系数CF和修正系数kF确定的情况下，决定铣削力FZ大小的关键因素是刀具直径、齿数的选择以及切削用量的确定。可以通过选择直径较小、切削锋利的刀具来减小扭矩和工件受力，从而增加工件吸附的安全可靠性。可以在机床性能允许的情况下，选择高的主轴转速、大的切削速度、小的进给量和切削深度，来达到减小切削力、提高生产效率和加工质量的目的。

3）摩擦力（N），图5所示的S2是工件与吸盘之间的接触面积。切削加工被吸盘吸附的工件时，在大气压力P1的作用下，接触界面S2会形成摩擦力F来抵抗工件所受到的切削力，其大小可根据公式F＝μ×P1（μ为摩擦界面的静摩擦因数，其数值可根据构成摩擦界面的材料配对查表）计算。摩擦力F的大小与接触面积S2大小无关，工件在切削过程中，只有当切削力P2小于大气压力P1产生于S2面的摩擦力F时，工件才能保持稳定。反之，工件就会开始滑动甚至脱离吸盘飞出。

综上所述，利用自制真空吸盘吸附工件进行切削加工，必须满足的基本条件是：切削力小于摩擦力，即P2＜μ×P1。这是判断自制真空吸盘使用性能的重要指标。一方面，关系到夹具使用过程中，必须时刻放在首要位置的安全可靠性。另一方面，在保证加工过程绝对安全可靠的情况下，能够指导使用者综合机床性能，对使用的加工刀具和切削参数进行优化调整，达到充分提高生产效率和加工精度、深入挖掘自制夹具使用潜力的目标。

（2）夹具使用流程 图6是我公司某零件示意图，材料为聚氨酯，采用数控加工，使用自制真空吸盘装夹，工作流程大致如下所述。

图6 某聚氨酯加工件示意

1）将自制夹具固定在数控机床工作台面，联接气源。

2）把工件毛坯摆放在真空吸盘台面上（见图7），工件底面与吸盘表面用发泡胶条在密封槽内围合密封，围合的范围应略小于工件外轮廓。要求毛坯底面平整光洁，以保证吸附的真空密封性。

图7 毛坯安装示意

3）工件受力计算与切削条件验证：大气压力（吸合力）P1经计算，图6所示工件面积为514.2cm2，图7所示的加工前毛坯面积为677cm2，自制吸盘真空压强P＝－85kPa，有效真空吸合面积S1＝265 cm2。

则吸合力P1＝P×S1＝－85×265＝2 207.45（N）。

摩擦力F：按照聚氨酯-钢配对，查表得到静摩擦因数μ为0.18。

则摩擦力F＝μ×P1＝0.18×2207.45＝397.34（N）。

铣削力P2：铣削此零件使用高速钢立铣刀，主轴转速5 000r/min，切削速度3 000mm/min，根据被加工材料和选用的高速钢铣刀几何角度查表得到系数CF＝167，kF＝0.92，切削参数预设ae＝16mm，af＝0.2mm/z，d0＝16mm，z＝3，ap＝1mm。

根据公式计算，铣削力P2（FZ）＝144.5N。

切削条件验证：根据计算，铣削力P2（144.5N）＜μ×P1（2 207.45N），完全满足该零件利用自制吸盘吸附加工的切削条件。

4）操纵手扳阀，打开真空回路，工件牢固地吸附在吸盘表面。观察真空表，负压显示－85kPa，压力稳定可以开始加工。

5）工作中，注意观察真空表的负压值是否稳定在正常范围内（正常范围数据可参考上述切削条件验证方法进行计算）。

6）如图8所示，聚氨酯毛坯在自制吸盘的吸附下，通过一次安装可以完成此工件的所有加工，解决了传统加工聚氨酯板存在的各种困难。加工精度能够满足工艺技术要求，生产效率可以提高40%左右。

图8 加工完成示意

7）加工完成后，将夹具上的切屑及切削液等清理擦拭干净。操纵手扳阀，关闭真空回路，取下从吸盘释放的工件。

5. 夹具的经济适用性

夹具的经济适用性如下所述。

1）本夹具适用于有稳定气源的任何场所。

2）夹具自身工作中所需的能源消耗低，用电量小。使用过程环保无污染，没有光、热和电磁等产生。

3）当通用型吸盘不能够完全满足于特殊产品的生产需求时，可针对该产品的加工特点，柔性化地设计、制作专用吸盘。

6. 夹具的安全可靠性

通过自制真空夹具并实际应用，单件或者批量加工上述铝板和聚氨酯板等零件，得出以下结论：

1）联接本公司集中供气的空压站，空压站供压为0.7～0.8MPa。安装工件并合理密封底面，操纵手扳阀，使真空发生器达到工作状态，真空表数值显示负压0.085MPa，负压数值稳定。

2）工件底面与吸盘表面快速达到真空状态后，贴合紧密且牢固。

3）根据不同的加工材料合理选择加工刀具与切削用量，尽量选择以高的主轴转速、大的切削速度、小的进给量和切削深度切削加工以减小切削力，提高工件吸附的安全可靠性。

4）加工不同材质的工件通过运用不同的工艺方案，工件加工精度高、表面粗糙度好，完全满足了工艺技术要求。加工平面平行度实测≤0.02mm。

5）气源提供压力的大小是决定真空夹具与工件之间真空度的重要因素，严重影响工件加工的安全可靠性。因此，夹具使用过程中，必须严格控制气源的稳定和可靠。

6）突然的断电和气源故障等小概率事件，可能会使正在加工的工件产生滑动或者飞出而造成报废，利用空压站储气罐的缓冲作用可以延迟其突然性。因此，加工中应严密监测真空表数据变化，发现异常及时采取措施。

7. 夹具的综合性能

夹具的综合性能如下所述。

1）制作、使用和维护成本相对低廉，应用范围广泛。

2）解决传统加工方法中的多次安装夹紧以及压变形、压伤等问题。通过固定工件底面，一次性完成其他面的加工。工件装卸快捷方便，加工精度高，提质增效效果明显。

3）对于单件生产或者批量生产都能达到降低生产成本、减轻劳动强度的目的，能够促进企业的节能降耗。

4）经济适用性高，安全可靠性好。

8. 结语

本文所述的自制真空夹具结构简单，通用性强。经过实践验证，使用方便，安全可靠，能够很好地满足生产需要。利用该真空吸附夹具高速铣削本文所述薄板类零件，有效地解决了传统加工中存在的困难，有效地提高了加工质量和生产效率，为企业生产取得了良好的经济效益。