［摘 要］以企业中实际加工薄壁壳体零件为例，通过分析薄壁壳体零件加工的难点，制定合理的工艺流程、采用真空夹具装夹加工。在分析真空夹具的工作原理和特点基础上，重点阐述如何改进真空夹具的设计。通过制作专用真空夹具，并采用专用真空夹具装夹零件，保证零件精度，提高生产效率。
［关 键 词］数控加工；制作夹具；薄壁壳体；专用真空夹具
本人结合自己对数控铣床的操作经验，下面以企业中实际加工薄壁壳体类光通讯零件为例，介绍零件加工工艺，真空夹具的结构、特点，以及如何使用真空夹具和如何改进真空夹具。零件如图1所示，加工零件材料为LY12。
图1
技术要求：（1）未注公差尺寸按GB1804—f。（2）未注倒角0.5×450。
一、工艺流程分析
该零件为薄壁壳体类零件，其四侧为3 mm的薄壁，底面最薄处为2 mm。零件不仅需要铣削外形、铣削型腔，也需保证形位公差要求，零件材料为2A12铝合金，需小批量生产。加工这种复杂薄壁类零件，因其装夹受力后易变形，加工工件周边容易有弹刀现象。因此，工艺上的难点是要解决如何保证零件加工精度，以及零件方便、可靠装夹的问题。
根据零件图纸要求，经过工艺分析后，采用以下加工工艺流程：（1）采取平口虎钳装夹，面铣零件底面，并通过钻孔→粗铰→精铰方案分别加工通孔Φ4、Φ8H7至图示尺寸；（2）采取专用真空夹具装夹，粗铣→铣削四角→再加工外轮廓，最后按挖槽方式把底面和侧面精铣至尺寸。
从上述工艺流程来看，在第2步加工时，由于被加工产品为薄壁壳体零件，如采用普通平口虎钳装夹零件，零件容易产生变形问题，因而可选用真空夹具装夹。但零件是批量生产，普通真空夹具无法满足批量生产的要求，故需对夹具做修改，制作专用真空夹具，用一面两孔定位的装夹方法来加工。结果证明，采用制定的专用真空夹具可以明显减轻劳动强度，实现批量生产的目标。故在此类零件的加工生产中主要考虑零件的装夹及定位。
二、数控铣床夹具简介
夹具的功能是使工件获得定位和夹紧。机床夹具作为机床上的附件，具有装夹工件的功能，能使工件相对于机床（刀具）获得具体相对位置，并把工件可靠地夹紧。常见的夹具有很多，例如，三爪、四爪卡盘，平口钳，组合夹具等。但由于被夹持零件的特殊性，如铝板、铜板、塑料板等易切削材料的批量加工，相对传统加工的装夹方法，数控铣床加工中使用真空夹具装夹具有装夹拆卸方便、生产效率高的特点。在实际生产中，如果能正确掌握真空夹具的使用，并适当改进真空夹具，将其变为专用真空夹具，将更有利于减轻操作强度和提高产品的生产效率。
三、通用真空夹具
（一）真空夹具系统的结构与工作原理说明
根据平常真空应用技术中的定义，真空主要针对大气而言，具体是指在给定的某一空间内把内部气体排除，使其压力小于一个标准大气压力的气体状态，我们通称此空间为真空或真空状态。而在真空技术中使用的单位除国际单位制的压强单位外，也常以托尔（Torr）作为真空度的单位。常见的通用真空夹具的结构如图2所示。
图2
一个真空系统主要由以下元件组成：（1）抽气设备：如真空泵；（2）真空阀门：如气压开关阀；（3）连接管道：如气压管；（4）真空测量装置：如真空压力表；（5）其他元件：如快速接头、密封圈等。
真空夹具工作原理为真空夹具通过其系统能将工件接触面积的密封区域内气体吸出，从而使工件的接触面受到很小的大气压强，而任何物体的表面都受到1bar的大气压力，这样就形成了一个压强差。压强差大小具体需要根据真空系统的性能而定，一般为0.7～0.8bar。故真空系统产生的真空度只是一个范围。此外，现代的真空系统基本都能自动检测真空压力是否达到一定范围，当真空压力低于一定范围时会自动保压。
（二）夹具工作中的零件的受力情况分析
常用的真空度单位有：Pa、Kpa、Mpa、大气压、公斤（Kgf/cm2）、mmHg、mbar、bar、PSI等。
1KPa=1000Pa、1MPa=1000KPa1、大气压=100KPa=0.1Mpa、
1大气压=1公斤（Kgf/cm2）=760mmHg、1大气压=14.5PSI、
1KPa=10mbar。
在铣削加工过程中，真空夹具通过外部的大气压把零件压在工作台上，而不是通常认为的“吸”在夹具工作台上。为了使夹具上工件定位稳固可靠，必须保证被加工工件所受到的夹持力（即零件与夹具之间的摩擦力）远大于铣削力。而工件的表面结构、气压差和接触面积都能影响工件所受到的侧向力，其中，零件表面被吸附面积与摩擦力的大小成正比，即零件被吸附面积越大，则受到的大气压强差也越大，得到的摩擦力也越大。
夹紧力=压强×面积
F（N）=bar×A（m2）×105
1bar=10N/cm2
（三）真空夹具特点
1.真空夹具的特点主要是相比较数控铣床一些常见的通用夹具而言，真空夹具有以下优点：（1）夹持无变形、无振动，可一次装夹加工五面，便于编程；（2）可以用于夹持外轮廓不规则工件；（3）零件装夹操作简单、快捷，能提高效率，增升效益；（4）高夹持力，可装夹零件质料较广，如铝、铜、合金等有色金属或塑料、木料等常见材料（该点相比磁性夹具）。
2.真空夹具的局限性：（1）要求工件的接触面平整，平面粗糙度Ra1.6以上；（2）工件定位装夹不方便。
四、制作专用真空夹具
（一）零件定位分析
通过分析零件特征，制作夹具如图3。该夹具装夹零件主要依靠零件底面和对应的定位孔进行定位。其中以底面基准定位，可以限制三个自由度：工件Z轴的移动、X轴的旋转、Y轴的旋转；再结合两圆柱销为定位销，根据六点定位原理来分析，当工件的一个或多个自由度被不同的定位元件重复限制时，定位则出现重复定位情况，产生过定位现象，故本零件被两个圆柱销定位属于重复定位。当重复定位导致工件或定位元件变形，影响零件加工精度时，应该严禁采用。但如果定位面和定位元件的尺寸、形状都做得比较准确，而且定位孔中心距位置精度很高，则重复定位不但对工件加工面的位置尺寸影响不大，而且可以增加加工时的刚性。经过实际生产验证，这样的重复定位可以采用。
图3
（二）夹具制作方法
参考通用真空夹具制造原理，制作专业真空夹具的材料选用45号钢，外形尺寸为350×200×45。凸台为工件外轮廓向内偏移0.5 mm，凸台高1 mm夹具平台中间纵横交错的槽深为0.2～0.5 mm，用来通气，周围一周槽深为6 mm。吸盘侧边的大孔为细牙螺纹孔，它的另一端接真空泵，平台中间的小不通孔与侧边的大孔相通。
（三）切削用量选择
切削用量的选择原则是在保证质量的条件下，充分发挥刀具的切削性能和机床性能，获得较高的生产效率和较低的加工成本。
粗加工时，切削用量选用要尽可能达到较高的金属切除率，同时又要兼顾必要的刀具耐用度，故在达到工艺要求和工艺系统刚度要求的条件下，一般优先选取尽可能大的背吃刀量ap，其次选取较大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度Vc。切削速度在工件材料和刀具材料确定后，切削速度是决定刀具耐用度的最重要因素,计算公式为Vc=πdn/1000；半精加工和精加工时，应先确保在获得必要的加工精度和表面质量条件下，同时要考虑得到必要的刀具耐用度和生产率。故切削用量一般先采取较小的进给量f和切削深度ap,并尽可能采取较快的切削速度，同时考虑经济性和加工成本。
此外，切削用量的选择该充分分析机床、工件、刀具的具体条件。（1）机床方面：机床功率、切削速度、进给速度、行程范围、传动机构强度等。（2）工件方面：工件刚度、尺寸和形状精度、加工表面粗糙度等。（3）刀具方面：刀具强度及刚度、刀具最大磨损、刀具耐用度等。
（四）专用真空夹具的使用
夹具安装：先把夹具主体放在数控铣床工作台上，再用螺栓通过螺栓孔与T形螺母连接，然后用百分表打表校正夹具体的其中一个侧面，最后拧紧螺栓固定夹具。
工件装夹：为了保证工件装夹稳固可靠，在真空夹具平台上的圈密封槽内垫上8 mm的橡胶条（有一定尺寸要求的空心或实心圆形截面），然后根据上述所讲的零件定位原理，把工件装在真空平台上，再开动真空泵，真空泵通过吸盘侧面的大孔以及和其相通的小不通孔，把工件和纵横槽之间的空气抽出，如真空压力表显示数值到达真空度指定值时，就可以将工件夹紧。实际中工件装夹如图4所示。
图4
注意事项：在使用过程中，必须保持真空压力稳定；遵守安全文明生产操作规程；注意真空夹具的后期维护。
通过实际加工生产证明，加工薄壁壳体零件采用专用真空夹具是可以明显减轻操作者的劳动强度，并能保证产品的加工质量和产品的生产效率的。
目前，真空夹具在外国先进制造业中逐渐被广泛采用，在国内数控加工企业中的应用也正在推广。因此，学会灵活制造专用真空夹具，无论是对企业生产还是对教学研究都是有价值的。
