一种薄壁多腔体零件装夹方法及装置与流程

1.本发明涉及精密加工制造技术领域，具体涉及一种薄壁多腔体零件装夹方法及装置。


背景技术：

2.对于应用在航天产品上高精密机械加工零件，如裂缝波导天线类零件，通常具有如下特点：由于航天产品轻量化要求，航天零件一般选用质量较轻的铝合金材料，且在满足使用条件的情况下需要最大程度的减轻重量，零件通常呈现为薄壁、多腔的特点，如某些大型裂缝波导类天线存在许多0.8mm—1mm左右的壁面，同时正反两面均存在大量腔体，数量高达成千上万个。基于以上特点，此类零件的加工过程中装夹问题是一个难点，铝合金相较于钢而言刚性弱，且由于壁薄，正反两面多腔等特点，传统的虎钳、压板搭接等装夹方式无法满足薄壁多腔体零件的加工需求；通常的解决方式是针对不同薄壁多腔体零件的特点设计专用的夹具进行装夹。专利号cn109202140b、cn211804921u、cn110774030a、cn111299515a等专利公布了波导精密法兰加工，一系列薄壁零件加工的方法，其中均设计了专用的夹具进行装夹，可以看出，所有夹具均针对自身零件特点设计，方法应用范围窄，使用成本较高。
3.鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决夹具针对自身薄壁多腔体零件特点设计，方法应用范围窄，使用成本较高的技术问题，提供了一种薄壁多腔体零件装夹方法及装置，针对薄壁多腔体且加工精度要求高的零件，提供了一套通用的装夹装置方法，能够高质量的实现薄壁多腔体高精密零件加工。
5.一种薄壁多腔体零件装夹方法，所述装夹方法包括以下步骤：
6.s1：根据薄壁多腔体零件的特点确定装夹吸附力的大小；
7.装夹吸附力公式：
8.f
′
＝p
·a9.其中，f
′
表示装夹吸附力；p表示内部真空度；a表示维持装夹力的吸附面积；
10.s2：根据数控铣机床铣削力和装夹吸附力计算维持装夹力的吸附面积；
11.数控铣机床铣削力计算公式为：
[0012][0013]
其中，f表示铣削力；cf为铣削力系数；z为铣刀齿数；d0表示铣刀直径；kf表示修正系数；a
p
表示铣削深度，即平行铣刀轴线测量的被切削层尺寸；ae表示铣削宽度，即垂直铣刀轴线测量的被切削层尺寸；af表示每齿进给量；
[0014]
铣削力和吸附力平衡时，数控铣机床铣削力和装夹吸附力之间的关系：f＝μf
′
；
[0015]
则维持装夹力的吸附面积公式为：
[0016][0017]
其中，a表示维持装夹力的吸附面积；k表示安全系数；μ表示摩擦系数；
[0018]
s3：根据维持装夹力的吸附面积以及单个吸附孔的吸附面积计算所需吸附孔的数量，使吸附力均匀分布到若干吸附孔上，利用若干吸附孔的吸力实现对薄壁多腔体零件的吸附夹装。
[0019]
进一步的，所述步骤s3具体内容包括：
[0020]
s31：根据维持装夹力的吸附面积计算吸附端中所需吸附孔的的数量：
[0021][0022]
其中，n表示吸附孔的个数；s表示单个吸附孔的面积；
[0023]
s32：按照计算出的吸附孔的个数，将多个吸附孔均匀地设置在吸附端上。
[0024]
一种使用上述的薄壁多腔体零件装夹方法进行装夹的装夹装置，所述装夹装置包括上层模具和下层模具，所述上层模具顶部为吸附端，所述吸附端与待装夹零件相适配；所述吸附端设置有多个吸附孔；所述下层模具顶部与所述上层模具底部密封连通，所述下层模具上设置有抽气孔和透气腔，所述透气腔与抽气孔相连通；所述上层模具上的多个吸附孔与所述下层模具上的透气腔连通。
[0025]
进一步的，所述上层模具与下层模具的连接处焊接密封。
[0026]
进一步的，所述下层模具的透气腔外侧设置有密封槽，所述密封槽内设置有弹性密封圈，所述密封圈凸出透气腔顶面，所述上层模具底部通过密封圈与下层模具顶部密封连接。
[0027]
进一步的，所述密封圈沿透气腔顶面向上凸出0.3mm至0.5mm。
[0028]
进一步的，所述吸附端包括与待装夹零件的结构相适配的凸起部和凹陷腔，所述凸起部采用负公差设计，所述凸起部的高度值高于其标准值0.2mm；所述凹陷腔采用正公差设计，所述凹陷腔2的高度值低于其标准高度0.2mm。
[0029]
进一步的，所述吸附端的凸起部与待装夹零件的腔体的结构相匹配，所述吸附端的凹陷腔与待装夹零件的薄壁的结构相匹配。
[0030]
进一步的，多个所述吸附孔均匀设置于吸附端的凸起部。
[0031]
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
[0032]
1、本发明中的吸附式装夹方法，为了达到吸附效果，需要确定维持装夹力的吸附面积，并根据每个吸附孔的吸附面积，计算出所需吸附孔的数量，吸附力均匀分布在若干吸附孔上，利用吸附孔的吸力对待装夹零件完成吸附装夹，该方法操作简单，受力均匀，能够为待装夹零件的后续精密加工提供保障；
[0033]
2、本发明确定了装夹装置的结构形式，其加工方法简单，装夹装置的所有部件可以直接采用数控加工的方式制作，降低了制作难度，也提高了加工精度；
[0034]
3、本发明中吸附式装夹方法可以适用不同结构形式的多种薄壁多腔体零件，不受尺寸影响。
附图说明
[0035]
图1是第一种薄壁多腔体零件的正面示意图；
[0036]
图2是第一种薄壁多腔体零件的背面示意图；
[0037]
图3是第一种上层模具与下层模具连接方式的结构示意图；
[0038]
图4是第二种上层模具与下层模具连接方式的结构示意图；
[0039]
图5是第二种薄壁多腔体零件的结构示意图；
[0040]
图6是多个薄壁多腔体零件装夹平面示意图。
[0041]
图中数字表示：
[0042]
11-薄壁；12-腔体；13-通腔；14-凸部；31-上层模具；311-吸附孔；32-下层模具；321-透气腔；322-抽气孔；323-侧壁；4-密封槽；51-凸台；52-隔板；61-第一搭接处；62-第二搭接处
具体实施方式
[0043]
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0044]
一种薄壁多腔体零件装夹方法，所述装夹方法包括以下步骤：
[0045]
s1：根据薄壁多腔体零件的特点确定装夹吸附力的大小；
[0046]
装夹吸附力公式：
[0047]f′
＝p
·a[0048]
其中，f
′
表示装夹吸附力；p表示内部真空度；a表示维持装夹力的吸附面积；
[0049]
s2：根据数控铣机床铣削力和装夹吸附力计算维持装夹力的吸附面积；
[0050]
数控铣机床铣削力计算公式为：
[0051][0052]
其中，f表示铣削力；cf为铣削力系数；z为铣刀齿数；d0表示铣刀直径；kf表示修正系数；a
p
表示铣削深度，即平行铣刀轴线测量的被切削层尺寸；ae表示铣削宽度，即垂直铣刀轴线测量的被切削层尺寸；af表示每齿进给量；
[0053]
铣削力和吸附力平衡时，数控铣机床铣削力和装夹吸附力之间的关系：f＝μf
′
；
[0054]
则维持装夹力的吸附面积公式为：
[0055][0056]
其中，a表示维持装夹力的吸附面积；k表示安全系数；μ表示摩擦系数；
[0057]
s3：根据维持装夹力的吸附面积以及单个吸附孔的吸附面积计算所需吸附孔的数量，使吸附力均匀分布到若干吸附孔上，利用若干吸附孔的吸力实现对薄壁多腔体零件的吸附夹装。
[0058]
实施例1
[0059]
本发明提供的加工方法主要针对高精度薄壁多腔体零件，本实施例所针对的第一种薄壁多腔体零件结构示意图如附图1所示，此类薄壁多腔体零件主要采用铝合金、镁合金
等相对于钢来说强度、刚度明显较“软”的原材料，结构上表现为大平面薄板结构，长宽尺寸较大，某毫米波天线单层长宽尺寸达800mm，厚度尺寸较小，通常小于10mm以内，特征主要集中在上下两个大面，主要包括薄壁11，薄壁11多为0.8mm-1mm左右，薄壁11与薄壁11之间形成腔体12，腔体12内还包括通腔13与凸部14，且薄壁多腔体零件上下两面具有相似的结构特点，如附图2所示，附图2为附图1第一种薄壁多腔体零件的反面特征示例，其结构特征与附图1中所示基本相同，不同之处在于附图2中无凸部14特征。
[0060]
针对此类材料与特征的薄壁多腔体零件，由于壁薄，无有效压紧边，采用压板等装夹比较困难，同时，在薄壁多腔体零件尺寸很大的情况下，压板等只能对周边进行，薄壁多腔体零件中间位置无法压紧，影响薄壁多腔体零件加工精度，另一方面，压板等装夹若操作不当还会破坏薄壁多腔体零件表层；因此，本发明设计的加工方法提出了一种装夹装置的设计，通过对上述薄壁多腔体零件结构特点的分析，选取装夹装置类型为吸附式装夹装置；传统的吸附式装夹装置通常包括吸附端，吸附端具有吸附槽，所有吸附槽连通并通过一个抽气孔与外界相通，薄壁多腔体零件放置在吸附端上并采取密封措施，如使用密封圈等进行密封，通过抽真空设备将吸附端吸附槽内的空气抽出，从而利用大气压将薄壁多腔体零件吸附在装夹装置上，此种装夹方式对于薄壁多腔体零件没有尺寸限制，装夹完成后薄壁多腔体零件整个大面能够均匀受力，从而提高加工精度。
[0061]
对于上述装夹装置，为了加工方便，吸附端的设计思路是将所有吸附槽连通，并通过一个抽气孔与外界相通，但是，若吸附槽无法连通时，通常采用吸附槽内钻吸附孔，并将吸附孔连通起来的方式代替，此时，在装夹装置面积较大，吸附孔与吸附孔之间若距离太远时，需通过深孔钻设备横向钻孔将吸附槽内所有孔连通在一起，但是，深孔钻设备加工存在切削状态无法检测、排屑困难、加工精度难以保证等缺点；因此，本发明根据薄壁多腔体零件的特点以及装夹装置不同加工策略的优缺点，确定吸附式装夹装置的结构形式如附图3所示：
[0062]
本实施例采用的装夹装置采用分体式设计，其主要由两大部分组成：
[0063]
第一部分为上层模具31，上层模具31的顶部为吸附端，吸附端为吸附式装夹装置的工作端，待加工的薄壁多腔体零件装夹在吸附端上，因此，吸附端的形状采用赋型的方式设计，即吸附端的形状设计为与所加工零件腔体形状相反的形状，即薄壁多腔体零件的薄壁11与吸附端的凹陷腔相适配，薄壁多腔体零件的腔体12与吸附端的凸起部相适配；如附图2、3所示，附图3中上层模具顶部的吸附端的形状即与附图2中薄壁多腔体零件腔体形状相反，当然，也可将吸附端的形状设计为与附图1中薄壁多腔体零件腔体形状相反形式。采用此种方法设计，薄壁多腔体零件装夹时装夹面的曲面特征能够完全反扣在吸附端内，相当于将复杂曲面特征转化为平面特征进行装夹，简化了装夹难度。
[0064]
还需注意的是，为了顺利装夹，吸附端加工时应注意凸起部侧面采用负公差设计，即凸起部侧面低于其标准值0.2mm，凹陷腔侧面采用正公差设计，即凹陷腔侧面高于其标准值0.2mm，同时平面部分优先保证薄壁多腔体零件精度要求高的部分与吸附端接触，其余位置留负公差。
[0065]
进一步的，在吸附端设置有两个以上吸附孔311；吸附孔311统一设置在吸附端的凸起部，即与薄壁多腔体零件凹陷腔配合的面，且吸附孔311为通孔，直接连通到上层模具的底部；工作状态下，吸附孔311中产生吸力，将薄壁多腔体零件的下凹面与吸附端的凸起
部吸附在一起，防止薄壁多腔体零件在加工过程中移动。
[0066]
第二部分为下层模具32，下层模具32的顶部与上层模具31底部相连，其中，在下层模具32的顶部开设有透气腔321，上层模具31设置的所有吸附孔311透过其底部与下层模具32顶部的透气腔321连通，透气腔321通过抽气孔322与下层模具侧壁323相连。
[0067]
进一步的，上层模具与下层模具之间进行连接，可以通过多种方案连接，连接的原则为：工作状态下保持上层模具与下层模具结合处形成密闭空间；
[0068]
如可采用的一种方案参考附图3：上层模具31与下层模具32连接处均留有台阶，台阶可通过盖板相连，盖板覆盖在上层模具31与下层模具32结合处的台阶位置，盖板、上层模具31与下层模具32三者之间的结合处通过搅拌摩擦焊的方式进行焊接密封。
[0069]
如可采用的另一种方案参考附图4：在下层模具32透气腔321外侧设置密封槽4，使用时，在密封槽4内盘上密封圈，密封圈具有弹性，使其稍微凸出透气腔顶面0.3-0.5mm，将上层模具底部与密封圈贴合进行密封。
[0070]
吸附式装夹装置采用本实施例所述的设计与加工方式，吸附装夹装置的所有部件可以直接采用数控加工的方式制作，降低了制作难度，也提高了加工精度。
[0071]
基于上述设计，整个吸附装置的工作原理为：将薄壁多腔体零件的装夹面放置在吸附式装夹装置的吸附端，由于采用赋型的结构设计，零件装夹面能够贴合在装夹装置吸附端上，通过密封圈的密封，零件装夹面与外界的连通处仅为装夹装置上设置的吸附孔311，而所有吸附孔311仅通过装夹装置下层模具侧壁的抽气孔323与外界连通，此时，通过外界的抽真空设备将抽气孔311内的空气吸出，由于空气的压力便会将零件装夹面吸附在装夹装置上。
[0072]
设计过程中，为了达到满足要求的吸附效果，需要确定总的吸附面积，并将其分配在吸附端的吸附孔311上；吸附面积的计算方法为：
[0073]
确定切削力大小：
[0074]
采用的加工设备为数控铣床，通过文献资料等介绍，采用计算结果较为准确的一种数控铣床铣削力进行估算，公式为：
[0075][0076]
其中，f表示铣削力，单位n；cf为铣削力系数；z为铣刀齿数；d0表示铣刀直径，单位mm；kf表示修正系数；a
p
表示铣削深度，指平行铣刀轴线测量的被切削层尺寸，单位mm；ae表示铣削宽度，指垂直铣刀轴线测量的被切削层尺寸，单位mm；af表示每齿进给量。
[0077]
装夹吸附力的计算公式为：
[0078]f′
＝p
·aꢀꢀ
(2)
[0079]
其中，f
′
表示吸附力，单位n；p表示装夹装置内真空度，单位kpa；a表示装夹装置的有效吸附面积，单位cm2。
[0080]
通过受力分析可知，铣削力和吸附力平衡时，可得：
[0081]
f＝μ
·f′ꢀꢀ
(3)
[0082]
其中，μ表示摩擦系数。
[0083]
将公式(1)、(2)代入(3)中并计入安全系数后，则，维持工件装夹力的吸附面积为：
[0084]
[0085]
其中，k表示安全系数。
[0086]
由此可知，整个吸附装置所应该设置的吸附孔的最小个数为：
[0087][0088]
其中，n表示吸附孔的个数；s表示单个吸附孔的面积，单位mm2；
[0089]
因此，在确定吸附孔的数量后，确定出本发明中吸附装置上吸附孔的排布规则：
[0090]
对于高精度的薄壁多腔体零件，如典型的裂缝波导类零件，高精度的部位通常为波导腔部分，即薄壁多腔体零件的腔体部分，因此，加工时优先需要保证腔体的精度，零件腔体对应装夹装置的凸起部，因此，吸附孔的位置优先选择设置在与零件腔体相对应的凸起部，由于波导腔的内部存在辐射缝等通腔特征，吸附孔的位置应避开此类特征，在此基础上，尽量保证吸附孔均匀排布在装夹装置上，保证吸附时薄壁多腔体零件均匀受力，达到良好的吸附效果。
[0091]
上述内容提供了一种高精度薄壁多腔体零件吸附式装夹装置的通用性设计原则与方法，在本实施例所提供的发明方法的指导下，可以针对不同结构形式的高精度薄壁多腔体零件，设计出满足装夹要求的吸附式装夹装置，为薄壁多腔体零件后续的精密加工提供保障。
[0092]
实施例2
[0093]
本实施例所述的高精度薄壁多腔体零件加工方法与实施例1中所述相同，包括工装夹具的设计思路、结构形式，精密加工的加工原则以及具体的加工实施过程方法等；其不同之处在于，本实施例针对实施例1中附图1所示的第一种薄壁多腔体零件结构示意图，提供了其他不同特征形式的薄壁多腔体零件结构形式。
[0094]
如附图5所示的第二种薄壁多腔体零件，其主要特征与附图1中结构形式基本相同，不同之处在于附图4中的腔内凸台51特征高于整个薄壁多腔体零件的隔板52，同时多个凸台51特征也可以具有不同的高度；又如附图6所示的多个薄壁多腔体零件平面示意图，薄壁多腔体零件在包含附图1、附图5等相同特征的情况下还具有为大阵面尺寸结构或模块阵列式结构，模块阵列式结构可以扩展至机床加工行程的极限；针对这些模块阵列式的薄壁多腔体零件，且在需要保证薄壁多腔体零件加工精度的情况下，采用通用的装夹方式进行装夹十分困难，而采用本发明所述的工装设计方法制作的吸附式装夹装置能够很好的满足装夹要求，且制作成本较低，结合本发明所述的加工原则与方法，能够制造出满足高精度要求的薄壁多腔体零件。
[0095]
同时，附图6所示的多个薄壁多腔体零件平面示意图中突出了辅助装夹位置，如图所示，在整个阵面的中间位置具有相对较宽的筋条，筋条所在位置即图中虚线所示位置，此时，可以在筋条上选取合适的位置设计螺纹装夹孔，并在吸附装夹装置相应位置开设螺纹，采用螺钉进行辅助装夹，或者在筋条的边缘位置第一搭接处61、第二搭接处62等空余位置搭接压板等进行辅助装夹；结合上述示例，本领域技术人员可以想到，在此类薄壁多腔体零件具有足够空余位置的地方，均可以采用此种方式进行辅助装夹。
[0096]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”等指示方向或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有的特定方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明
的限制。
[0097]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连通”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
[0098]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。