基于真空吸附的机顶盒壳体夹具优化设计

梁柱彬，黄仲庸

1. 东莞市德勤教育科技有限公司 广东东莞 523000

2. 东莞市高技能公共实训中心 广东东莞 523000

1 序言

机顶盒是一种终端装置，其发展与电视技术的发展息息相关[1]。随着电子与信息技术的迅速发展，多功能增值业务开发和应用不断进步，导致作为接入设备的机顶盒发展趋势呈现材料多样化、结构紧凑化的特点，机顶盒精度要求和制造难度也随之提高。机顶盒是现代生活中常用的产品，该类产品尺寸适中，市场需求量大[2]。通过引进自动化设备代替部分操作人员的工作，改进加工方案，能降低生产成本，从而提高生产效率，并确保产品质量。引入夹具是有效的手段，本文主要对夹具设计、加工工艺、夹紧结构和达到产品加工合格率等几个方面进行说明，为薄壁壳体类零件夹具设计提供参考。

2 产品的工艺分析

2.1 机顶盒工艺要求

机顶盒为批量件，材料为AL-6063，该材料屏蔽性好、防静电、抗辐射，即使在湿度较大的环境下也不易生锈腐蚀。机顶盒结构如图1所示，外形尺寸96mm×96mm×13.5mm，外观设计规则，没有复杂曲面，要求外观完整无破损，内部结构以台阶位为主，孔系多，制造精度要求高，加工工艺较多。机顶盒比较薄，加工时容易变形，周边材料厚度为2mm，最薄处的正面薄壁厚度只有0.8mm。考虑到装夹和外观要求，确定机顶盒加工工序为：机顶盒反面加工→机顶盒正面加工→机顶盒侧面加工。

图1 机顶盒结构

2.2 机顶盒工艺难点

此产品的工艺难点有两个，第一个为侧面四边的几何公差，加工后工件的公差要求为平行度0.01mm，平面度0.01mm，垂直度0.01mm，容易超差。第二个难点为平板的尺寸公差，最薄处0.8mm的公差要求是上偏差+0.05mm、下偏差-0.02mm，平面允许形变要求是上偏差-0.15m m，下偏差-0.25mm，加工正面薄壁时受切削弹性变形作用，加工面整体尺寸精度产生超差，对产品整体精度和质量造成影响。

3 夹具设计

3.1 夹具设计思路

考虑批量生产的要求，加工中采用气动夹具进行装夹，采用真空吸盘通过负压吸附的原理施加夹紧力进行固定加工。机顶盒几何公差要求苛刻，厚度较薄，易变形。若需保证机顶盒加工后达到合格要求，则需慎重考虑吸附力对产品变形的影响，其影响与作用点和作用方向有关。先判断设计夹具的支承点、定位点和夹紧点是否满足所有的约束条件，再计算出吸附力在切削时是否满足薄壁处允许形变要求，进而制定一款快速装夹的夹具。

3.2 吸附力的原理

真空吸盘使用时，切削受力情况如图2所示。其中F0表示切削力（N），F1表示工件所受垂直方向压力（N），S1为真空吸力的吸附面积（mm2），S2为工件与真空吸盘的接触面积（mm2）。吸附力F1＝（Pa-P）S1，其中Pa为大气压强（MPa），P为真空吸盘抽空力压强（MPa）。按工件与真空吸盘吸附面积S2为接触面积考虑，由于接触面属于精加工面，静摩擦系数0.15，得出摩擦力为0.15F1。工件切削时，切削力F0小于由F1产生的S2面上的摩擦力时，才能达到加工精度要求。当真空吸盘的真空度达到一定程度时，吸附力的大小只取决于吸附面积S1的大小。真空吸盘在真空时，吸附力与接触面积S2无关，因此真空吸盘设计时抽气孔要合理均匀，使吸附面积S1＞接触面积S2[3]。

图2 机顶盒切削受力情况

3.3 吸附力的计算

根据吸附力的计算公式，结合产品的实际情况，得到公式

其中F0为100N，Pa为1.01MPa，d为吸附孔的直径3mm，n为孔的数量150。将数值代入公式，计算可得理想吸附压强P为0.38MPa。

3.4 夹具优化

产品加工后的几何公差没有达到要求，经过反复测试，无论改变加工方法，还是改变切削量范围，都无法达到要求。既然切削力无误，则考虑吸附力出现误差的可能性。由于产品反面特征的原因，真空吸盘的孔位无法均匀分布。夹具优化前是采用4个气缸使吸附力均匀吸附工件，如图3a所示，加工中出现摆动现象[4]。夹具优化后是以中心位为真空吸盘抽空力作用点，以此来解决加工中出现摆动的问题，优化后产品（见图3b）达到合格要求，见表1。

表1 优化前后公差对比 （单位：mm）

图3 机顶盒夹具

夹具优化设计中既要考虑减少企业额外设备投入的需求，也要满足批量生产高效率的需要[5]。由于产品的反面特征复杂，几何公差要求高，为了达到加工要求，真空吸盘加工要求也相对高[6]。考虑到真空吸盘的加工将使企业增加成本，因此第二工序与第三工序进行夹具共用优化，如图3b所示。优化后，装卸工件时十分简单方便，真空吸盘停止工作后，接触面形成“分子黏着”现象，利用压缩空气“出”与“入”防止工件划伤的情况。

3.5 夹具结构

夹具设计结构采用了吸附力的方式来解决薄壁处加工后变形情况[7]，如图4所示。

图4 机顶盒夹具示意

夹具主要由两大部分组成，分别是吸紧部分、定位部分，包括连接板、真空吸盘、螺母、橡胶圈、4轴装夹板和T形块组。真空吸盘是工件定位部分，真空吸盘、橡胶圈是工件加工时用来减少变形量的，属于吸紧部分，连接板、螺母和4轴装夹板是辅助功能部件，4轴装夹板是为了三工序操作方便稳定、减少调试工序、提高装夹速度、降低生产成本及降低劳动强度[8]。

3.6 夹具的定位与装夹

工件与夹具外形贴合面进行快速定位装夹，利用吸附力保证定位的稳定性，有足够的承载能力，通过压力的大小来控制夹持力度（依据“基准重合”原则[9]）。如图5所示，工件与真空吸盘通过气管口控制吸附力大小来实现完全定位，满足工件加工的定位原则[10]。因工件较薄，易变形，所以在真空吸盘、连接板位置上通过橡胶圈的密封状态控制吸附力，减少变形量。夹具优化后，工序二和工序三的装夹方式一样，工序三通过4轴装夹板与第4轴进行安装，控制气管和真空吸盘可快速方便装卸工件[11]。

图5 夹具安装示意

4 生产和检测

优化夹具后再多次检验和测试生产出来的产品，在三坐标测量仪和仿形检具的检测下，工件尺寸和几何公差满足精度要求，检测方式和结果见表2。通过吸附力控制，定位装夹准确快速，降低了制造成本，减少了调试工序时间并提高了生产效率[12]。

表2 检具清单和检测结果

5 结束语

通过夹具优化设计思路，采用真空吸附的方式能有效地解决薄壁类零件变形的问题，提高了生产效率，适用于多数的薄壁类产品有针对性地设计夹具。真空吸盘工作原理简单、性能可靠，既能满足工艺要求，又能满足薄壁壳类零件应用要求。应用真空吸盘的夹具优化，无论在柔性制造大批量生产中，还是在单独机台量产时，都可以缩短调试周期、降低生产成本。