某型机进气道利用真空夹具加工的方法

0 引言

某机型进气道的外形扭曲复杂， 且外形表面有多根筋条，壁厚均为1.8mm。 第一套设计方案中，采用模具浇铸的方式直接生产出所需的产品零件。但考虑到生产过程中，不可避免的会产生砂眼，又考虑到壁薄，其进气道所要求的密封性又很高，在试验过程中发现，很可能因砂眼而漏气，所以用此方案较难保证零件产品的合格率。 经过讨论和研究，产生了第二套设计方案， 即整体机械加工的方式生产出产品零件。这种方式所需成本比较高，但生产出来的产品安全可靠。 然而在生产过程中有一系列的难点，首先是因外形扭曲复杂所产生的三维夹具设计的复杂， 其次是因壁薄所产生的铣削加工难度。 针对第二个难点，本文在工装设计中利用真空夹具的特点进行设计。

1 真空夹具的主要特点

真空夹具以大气压力作为夹紧动力， 这种动力称为真空吸附力， 是飞机制造工艺中的一项特殊的工艺装备。 利用真空吸附力夹紧工件吸力均匀的特点，压紧力的方向直接垂直定位表面；单位有效面积上的压力只有0.6～0.8公斤力，不超过一个大气压。这种特点避免了因夹紧力集中过大造成工件变形，且不会压伤工件。 十分适用于加工大而薄、刚性差，需要均匀夹紧而又不能采用磁力夹紧的飞机部分零件，如进气道、机翼壁板、中翼大梁、蜂窝块等。 本文涉及的进气道外形扭曲复杂，壁薄，因此在加工方法上也选用真空夹具这种工艺装备。

2 利用真空夹具加工进气道的方法

2.1 夹具体的设计

夹具体是真空夹具的主要零件。 夹具体的结构有三种：1）当加工零件定位外型曲面复杂时，一般使用铸造结构，气体由管路抽出。2）当加工零件较小且狭长时，可以用小型整体结构。 在夹具体上直接钻出抽气孔，气体由此抽出。 3）当加工零件大时，用焊接结构，气体从空腔中抽出，焊缝要求气密。 针对每个零件的特征，选择相应的结构。 考虑到加工零件定位外型曲面复杂，零件材料为LY12硬铝板，故夹具体选用了铸造结构。 且材料为ZL101铸铝。 这种结构的优点是内应力好， 不易变形； 缺点是周期长且精度不高。 因此，要求铸造过程中不能有砂眼，且在完成铸造后仍需对定位面进行精度加工， 使定位表面与工件型面相符（以防不能形成真空）。

2.1.1 定位方案

夹具体的定位表面与工件型面相符位置是真空吸附工作的有效面积，定位表面通过后续加工，精度很高。 而且精度越高，定位面接触就越好，吸附效果也就越好。 此外，毛坯件中增加了工艺凸台，并在其中加工出两个工艺孔作为统一定位基准 （见图1），2个定位插销的尺寸为φ20f9。 此套定位方案存在着过定位， 但是由于夹具体定位表面与定位基准接触良好，定位精度不会受到影响。 这种过定位是允许的，它有利于提高整个定位系统的刚性，对加工有好处。

2.2 抽气系统的设计

首先， 在夹具体上开出网格抽气槽及它的边界密封槽，并选用密封条压入密封槽；抽气槽均匀分布在以密封条为界限的有效面积（F）内。 边界密封槽的外型由零件本身需吸附的外型边界决定， 一般由零件外型线向内平行偏进5-10mm作为边界密封槽中心线。 抽气槽可以是均匀相通的网格线，也可以是均匀相通的环形线或不规则线。

本套工装选用的是网格线。 接下来在抽气槽的汇集处钻出抽气孔， 通过抽气孔在夹具体的侧面再开孔形成抽气管路。 这样，夹具体的整个抽气系统就形成了（见图1）。 抽气系统需通过管接头与真空系统相连，将夹具与工件间的空腔抽成真空，利用大气压吸紧工件。 在实际加工中，常常需要考虑这种压紧力是否足够，而足够压紧力是由有效面积（F）、真空度、加工刀具及切削进给量等综合决定。 设计中经常通过三维模拟来计算。

2.3 真空吸附力的计算

2.3.1 真空吸附力的计算公式

真空夹紧力是根据夹具空腔的真空度来计算的，当空腔内是绝对真空时，作用在工件上的吸力为1公斤/厘米2，即一个大气压，但实际上由于残余气压的存在，夹紧力应按下式计算：

式中：F—有效面积（厘米2），即夹具体表面以密封条为界的投影面积；P—真空压强(公斤/厘米2)；

Pa—大气压强(公斤/厘米2)；P0—空腔内残余气压(公斤/厘米2)；K—密封系数，取0.8～0.85。

图1 夹具体

为了得到足够的夹紧力， 要求真空度保持在一定的范围内，一般是选择真空度为400～700毫米汞柱（表值），这时压强P为0.53～1公斤/厘米2。 当工件的有效面积大， 所受切削力小时， 可以选择较低的真空度，反之，则应选择较高的真空度。 压强P与真空度的关系（见图2）。

图2 压强与真空度的关系

2.3.2 校核铣切进气道的真空吸附力

以上论述，若要保证可靠夹紧，需综合考虑刀具的切削力及真空度的选择等情况。 首先计算真空压紧力：加工进气道的夹具体是利用UG建模设计，通过UG软件测出它的有效面积为F=4210厘米2，P取下限真空度532毫米汞柱时的压强，查图P=0.7公斤/厘米，k=0.8。

则 Q=F·P·k=2357.6 公斤

由垂直夹紧力而产生的摩擦力G=Q·f

摩擦系数f=0.2

则 G=Q·f=2357.6×0.2=471.52公斤

而切削力又受刀具的种类及切削进给量、速度等影响。 此进气道的材料为LY12， 选择刀具情况如下：直柄立铣刀，直径d0=18毫米，Z=3，每齿最快送进量af=0.15毫米/齿，最大吃刀深度ap=2，铣切宽度ae=0.9毫米。 经查证，加工时切削力计算公式：

以上计算得出G＞Pf， 即真空压紧力大于切削力，因此可以确保夹紧可靠。

3 辅助装夹

虽然真空吸附力远远大于切削力， 可以保证夹紧可靠性， 但在工件夹紧方面， 工序上仍然使用双保险：

1) 使用工件内表面定位， 再通过真空吸附力压紧工件外表面作为压紧力。 这种定位与夹紧点的分布很均匀，使每个支承点都承受大小相同的夹紧力，避免了因夹紧力集中过大造成工件变形， 且不会压伤工件。

2) 使用工艺凸台， 通过压板压紧工艺凸台进一步增强压紧力（见图1）。 压板均匀分布，避免工件在切削过程中产生不能允许的振动， 进一步增强加工时的稳定性。

4 结语

真空夹具在飞机制造工艺中，对大而薄、刚性差的工件及有色金属板、 型材变截面等工件的加工已经是广为应用。 随着航空制造业的不断发展，加工质量的要求不断提高， 真空夹具也逐渐标准化、 自动化，以进一步提高生产效率。 针对加工一系列用平面定位、真空吸附力压紧的工件，我们将不断向通用真空夹具方向研究。