用橡胶气囊解决薄壁工件加工产生的振动

林斌

(广东省粤东技师学院，广东 粤东515041)

当前在模具制造、玩具生产等机械工业领域，薄壁复杂形状回转体工件越来越多，而且此类工件大多对精度的要求很高，材质特殊，而且批量较大。因为这类工件刚度低，加工工艺性差，对振动、切削力及切削温度等均十分敏感，不易控制加工精度和提高加工效率。特别是越接近最终加工尺寸时加工起来越困难。对此类复杂薄壁工件实现高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是玩具制造业面临的一个重要课题。然而传统的安装系统对此类工件的安装存在相当大的困难，因此就需要从非传统装夹技术出发，重新开发设计出新的安装夹具系统以实现对低刚度、复杂形状的薄壁工件的柔性、可靠装夹。本文介绍一种橡胶气囊夹具以满足这个要求。

1 工件综合分析

1.1 对象介绍

笔者单位设计出一种新产品，材料为铝的玩具陀螺，如图1 所示。它的结构如图2 所示。其中，顶盖1 与主体2 以螺纹连接进行配合，主体2 和3 也是采用螺纹连接进行配合，尖部4 内孔里装有一个小轴承，利用轴承和内曲面，分别与主体3 右端的轴承位和外曲面进行配合。零件壁薄只有1.5 mm，表面粗糙度要求Ra= 1.6 μm，其次，还要考虑陀螺玩具直立旋转的动平衡。所以工艺安排和夹具选用难度较大。

本文以陀螺主体作为研究对象，零件如图3 所示。工件毛坯尺寸分别为φ85 mm×40 mm 和φ85 mm×58 mm 的铝棒料。工件的最大直径约80 mm，壁厚为1.5 mm，且壁厚要求均匀，壁厚差要求控制在0.05 mm 以内，而且外表面配合要求较为一致，使得加工更加困难。加工过程中为了减小工件变形，保证加工质量和精度，虽然在工艺上采用了诸多办法，例如合理采用工艺方法、预留合理的加工余量、合理选择加工参数等，但如果能在加工过程中采用一些辅助工装，减小或消除加工中的振动，则相当于减小了加工变形系数，从而提高加工质量和精度。

1.2 工艺分析与加工方案拟定

由于主体2 的外圆曲面与主体3 的外圆曲面应该为一体，两件配合后较为一致，外观要求比较严格。另外，玩具陀螺是一种旋转运动的玩具，如果两主体件单独加工后再进行配合的话，玩具陀螺将会因为每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，陀螺在旋转的时候动平衡较差。所以，主体2 应内外轮廓先加工完成，并且外圆曲面应该留有余量;而主体3 应该先把内孔轮廓全部加工完成，然后利用螺纹配合与主体2 紧配在一起，使用专用夹具夹紧定位后，再进行主体3 右边外圆轮廓的粗加工，最后一刀完成主体2 与主体3 外圆曲面的精加工，如图4 所示。所以，主体3 外圆还存在着粗加工的重切削和最后的精加工，工件壁薄容易产生振动与变形，工件装夹定位十分困难。

1.3 定位与夹紧

要加工薄壁陀螺的外表面，就需用工件内表面初定位，因为薄壁陀螺左开口端内表面有一段内圆柱面，以及右端一段内圆柱面，可以用两个内圆孔进行初定位，并在工件右端孔用螺钉压住垫片与夹具连接，对工件进行辅助支撑如图5 所示。同时，在工件内壁上设置周向均布的多组多个支撑胀紧点，用胀紧元件或机构对工件薄壁进行胀紧，如图6 所示这些元件或机构的顶端应带有仿形接触面的非刚性夹紧材料，这些材料与工件内壁仿形面接触并以适当的胀紧力胀紧工件，限制工件剩余的自由度，保持工件的初定位没有发生变化，也就保证了夹具体回转轴、工件回转中心以及机床主轴中心的同轴度，从而保证了工件的加工精度。

2 工件安装系统设计

本安装系统，采用仿形面接触、非刚性材料接触夹紧的橡胶气囊夹具，可以对陀螺实现工件柔性、高精度、高效率和低成本的可靠装夹。

2.1 橡胶气囊夹具

陀螺为薄壁复杂形状回转体工件，工件的外表面为流线型曲面，所以要用非刚性材料对工件进行仿形接触夹紧，并尽可能增加夹紧接触面积，以保证对其外表面切削加工的加工质量。根据工件的横截面，设计橡胶气囊夹具如图7 所示。

2.2 工作原理

根据工件8 的曲面制作的仿形橡胶气囊2 装在夹体1 的心轴上，用夹具体上的外圆柱面7 定位，右端用螺栓5 与夹具1 连接，并锁住工件，保证定位的可靠，然后向气囊中充入压缩空气，靠气囊膨胀后与心轴外表面和工件内表面的作用与反作用力来胀紧工件，消除了加工过程中薄壁工件产生的振动，然后对工件进行加工。加工完成后，放出气囊中的空气，松开右端螺栓取出工件，并进行批量生产。

3 结语

本设计已应用于玩具复杂薄壁件的加工中，夹具利用橡胶气囊充气后胀紧工件，保证适当并有足够的胀紧力，通过螺栓的调节，便于调整和装卸。结构简单，制造使用都很方便，解决了工件加工变形和振动的难题，薄壁陀螺的加工质量和加工精度都有大幅度的提高，工件加工合格率提高到95%以上，降低了单件加工成本。

［1］吴拓.现代机床夹具设计［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［2］韦富基、李振尤. 数控车床编程与操作［M］. 北京:电子工业出版社，2008.

［3］阎世才，安平.机械制造工艺与装备［M］. 北京:中国劳动社会保障出版社，1999.

［4］徐鸿本.机床夹具设计手册［M］.沈阳:辽宁科学技术出版社，2004.

［5］刘守勇. 机械制造工艺与机床夹具［M］. 北京:机械工业出版社，1994.