铝合金曲面薄壁件柔性工装夹具的研究与设计

铝合金曲面薄壁件柔性工装夹具的研究与设计

王吉豪1   王辛铖2

海宁红狮宝盛科技有限公司.（314400.浙江海宁）

摘要：在机械设计和生产过程中，对夹具的性能提出了更高的要求。汽车行业中，铝合金曲面薄壁件柔性工装夹具被广泛应用于汽车主模检测设备中，为使其更好地制造，必须设计出与之相适应的柔性工装夹具，本文简述了柔性工装夹具设计的原则、柔性工装夹具的发展趋势、汽车主模型薄壁件工装研究现状，并对汽车主模型检具设计作了简要的介绍，以期对从事这方面工作的人员有所帮助。

关键词：铝合金；设计；曲面薄壁件；柔性；工装夹具

机械产品的问世极大地提高了人们的生产和生活水平。在汽车、飞行器等制造过程中，对曲面的机械特性、材料厚度等提出了苛刻的要求，并且这些零件直接影响到了汽车、飞行器的生产质量，因此制造起来非常困难。夹具是一种用来对被加工零件进行定位与紧固，从而确保其加工精度的一种重要机械装备，在车身零件检测全流程中占有举足轻重的位置。所以，工装的设计质量直接关系到机床的设计与加工效率。七十年代末以来，由于数控加工等在机械设计和制造领域的应用越来越多，柔性化已成为当今机械设计和制造领域的一个重要发展趋势，而柔性夹具也随之产生。所谓柔性夹具是指在一个夹具系统中，可以同时夹持多个形状和大小各异的工件。它是一种可以在数控机床上装配各种尺寸的工件的夹具。当前，许多公司在生产薄壁件时，都特别关注柔性夹具的设计和制造。因此，对铝合金曲面薄壁件柔性工装夹具进行研究具有重要的现实意义。

一、柔性工装夹具设计的原则

当工件被处理时，第一个要做的就是在机器上或固定架上占有一个适当的地方，这个工序也称为定位。为保证已被装好的零件在切割时不受外力的影响而移动，必须将被装料固定在正确的位置上，也称为夹紧。定位和夹紧的过程合称装夹。所以，在进行工装的设计时，必须与被加工的薄壁型铝合金零件相联系，对其进行位置和位置的研究，才能保证所设计的工装能够满足其夹紧要求。要做到这一点必须遵守以下设计准则：

1.确保了夹具的工作稳定性。对于柔性夹具而言，虽然能够依据不同工件进行装夹点的变动，但在设计柔性夹具时，仍然要注重夹紧机构是否可以提供充足的夹紧力，以防止在切削过程中，因受切割力、工件重力等因素的作用无法正常的定位，夹持之后，也不会损坏被定位后的准确位置以及己加工表面。

2.确保了机械的精密制造。在制造出充分的夹紧力后，夹具还应该具备一种自锁功能，在被加工出偏差的时候，能够将其锁定，从而避免后续的加工而导致的废弃。

3.确保产品的高效性。在进行工装的设计时，也要注意工装的工作效能，既要便于操作，又要有较高的自动化水平，又要有较快的夹紧力速度，并要能满足产品的生产能力和批次。同时为了简化工装的结构，减少工装的制造费用，也是一项值得研究的课题。

二、柔性工装夹具的发展趋势

随着我国国民经济的快速发展和数控加工中心的发展，对其工作特性和结构的更新也越来越高，迫切需要一种结构简单、高精度、高强度、高适应性，高柔性的柔性夹具。该工装具有适用于不同机床、不同产品以及相同产品不同尺寸的特点，可以最大程度地满足各类机床工装的要求。在未来，柔性夹具的使用工艺主要有以下几点：

1.夹具的多功能性模块

可独立或可与其他部件相结合的多用途模块式单体结构将会越来越多。例如目前所采用的各类定位夹紧座、定位压紧支承、精密虎钳等模块式单元体具有定位、夹紧以及调节的综合功能，既可单个应用，也可组合成多个组件。

2.高强度、高刚度、高精度

为提高工作效率和减少零件的加工时间，零件的加工已经向着高速大切削量发展，工艺更加的密集，在完成了对零件的定位和装夹之后，还要依次进行铣、钻、镗等多道工序的加工。由于受力大小及方向的持续改变，对柔性夹具自身的工作强度及刚性提出了更高的要求，以保证零件的精密加工。

3.专用夹具、组合夹具、成组夹具集成

现代制造装备的多用途化，使得工艺流程更加集中化，在对零件进行一次定位和夹紧后，可以进行多道工序的加工，这就需要一种通用而又能重复使用的组合可调式的夹具系统。

4.工件的快速和自动化夹紧

为了减少零件的人工工时，降低了工作人员的工作强度。工件的装夹和拆卸也要求机械化和自动化。为了达到装配快捷、快捷的目的，对工件夹紧从最初的单纯的压紧件、紧固件向可调节的模件发展。对于批量大的一些零件的加工，液压夹具、气动夹具可实现工件自动化快速夹紧。

三、汽车主模型薄壁件工装研究现状

汽车主模型检具中许多零件属于大型铝合金复杂薄壁结构件，厚度远小于长宽尺寸，薄壁整体结构件材料切除率高达90%以上，平均厚度4mm，局部区域厚度小于1mm。但因其刚性差和强度低，在制造过程中容易发生变形，造成制造困难，很难确保产品的品质。与航空铝合金薄壁件相比，汽车主模型薄壁件为边厚度薄壁结构件，并且表面大多是复杂曲面。

目前，世界先进国家对各种型号的检测设备的研制都比较完善，但在我国还处在初级阶段。目前国内在整车检测方面的生产效率还与国际先进国家相差甚远。然而，目前外国主要模具制作工艺还处于封闭状态，国内尚不能从网上获取相关的工艺信息。

当前，我国对铝合金薄壁件的加工还处于探索的过程中，因为对其制作的精度有很高的需求，所以采用了较为保守的加工方法，选择了很少的铣削深度、铣削步距和切削进给。在装夹方面，也是尽可能多的安装辅助支承。特别是在薄壁处。

由于工件薄壁处均为曲面，并且整个表面均为待加工面，普通夹具既不方便夹持曲面，而且很可能会和刀具产生干扰。因此在实际生产中，通常用的辅助支承夹具为代木，代木是一种复合材料，切割能力强，能够很好地将支撑条做成不同的高度。在代木支撑条的顶部，用一块小小的楔子代替木板，用502胶水把代木顶部和工件、代木底部和桌子之间固定在一起，这样就不会在处理过程中移位。

四、汽车主模型检具设计简要分析

对于汽车主模型检具，它的主体包括发动机罩检具、车灯检具、翼子板检具、车门检具、汽车玻璃检具等，其中毛坯尺寸最大的为引擎盖检具。

在设计的此套夹持系统中，起支撑作用的是由夹具的伸缩机构和夹具头上的顶珠组成，为确保支座刚度在结构上选用铝合金材质。对于夹紧结构，则有升降柱顶部的真空吸盘和真空泵组成。要实现对其进行装夹，并确保其具有良好的柔韧性和良好的附着性，必须采用致密材质，并选择具有一定吸力的真空泵，以减少在加工时因震动或翘曲造成的形变。

结论：对于铝合金曲面薄壁件柔性工装夹具的设计，除了要严格按照通用的方法进行设计外，还要注意其灵活性。该文仅对汽车主模型检具柔性工装系统整体构思进行简单的介绍，对于其中起主要作用的伸缩和夹持部件的设计做了简单的论述，期望能够得到有关人员的关注，并在今后的工作中加以深入研究。

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