黃曉鳳，程世明

（中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024）

0 引言

某機型進氣道的外形扭曲復雜， 且外形表面有多根筋條，壁厚均為1.8mm。 第一套設計方案中，采用模具澆鑄的方式直接生產出所需的產品零件。但考慮到生產過程中，不可避免的會產生砂眼，又考慮到壁薄，其進氣道所要求的密封性又很高，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，很可能因砂眼而漏氣，所以用此方案較難保證零件產品的合格率。 經過討論和研究，產生了第二套設計方案， 即整體機械加工的方式生產出產品零件。這種方式所需成本比較高，但生產出來的產品安全可靠。 然而在生產過程中有一系列的難點，首先是因外形扭曲復雜所產生的三維夾具設計的復雜， 其次是因壁薄所產生的銑削加工難度。 針對第二個難點，本文在工裝設計中利用真空夾具的特點進行設計。

1 真空夾具的主要特點

真空夾具以大氣壓力作為夾緊動力， 這種動力稱為真空吸附力， 是飛機制造工藝中的一項特殊的工藝裝備。 利用真空吸附力夾緊工件吸力均勻的特點，壓緊力的方向直接垂直定位表面；單位有效面積上的壓力只有0.6～0.8公斤力，不超過一個大氣壓。這種特點避免了因夾緊力集中過大造成工件變形，且不會壓傷工件。 十分適用于加工大而薄、剛性差，需要均勻夾緊而又不能采用磁力夾緊的飛機部分零件，如進氣道、機翼壁板、中翼大梁、蜂窩塊等。 本文涉及的進氣道外形扭曲復雜，壁薄，因此在加工方法上也選用真空夾具這種工藝裝備。

2 利用真空夾具加工進氣道的方法

2.1 夾具體的設計

夾具體是真空夾具的主要零件。 夾具體的結構有三種：1）當加工零件定位外型曲面復雜時，一般使用鑄造結構，氣體由管路抽出。2）當加工零件較小且狹長時，可以用小型整體結構。 在夾具體上直接鉆出抽氣孔，氣體由此抽出。 3）當加工零件大時，用焊接結構，氣體從空腔中抽出，焊縫要求氣密。 針對每個零件的特征，選擇相應的結構。 考慮到加工零件定位外型曲面復雜，零件材料為LY12硬鋁板，故夾具體選用了鑄造結構。 且材料為ZL101鑄鋁。 這種結構的優(yōu)點是內應力好， 不易變形； 缺點是周期長且精度不高。 因此，要求鑄造過程中不能有砂眼，且在完成鑄造后仍需對定位面進行精度加工， 使定位表面與工件型面相符（以防不能形成真空）。

2.1.1 定位方案

夾具體的定位表面與工件型面相符位置是真空吸附工作的有效面積，定位表面通過后續(xù)加工，精度很高。 而且精度越高，定位面接觸就越好，吸附效果也就越好。 此外，毛坯件中增加了工藝凸臺，并在其中加工出兩個工藝孔作為統(tǒng)一定位基準 （見圖1），2個定位插銷的尺寸為φ20f9。 此套定位方案存在著過定位， 但是由于夾具體定位表面與定位基準接觸良好，定位精度不會受到影響。 這種過定位是允許的，它有利于提高整個定位系統(tǒng)的剛性，對加工有好處。

2.2 抽氣系統(tǒng)的設計

首先， 在夾具體上開出網格抽氣槽及它的邊界密封槽，并選用密封條壓入密封槽；抽氣槽均勻分布在以密封條為界限的有效面積（F）內。 邊界密封槽的外型由零件本身需吸附的外型邊界決定， 一般由零件外型線向內平行偏進5-10mm作為邊界密封槽中心線。 抽氣槽可以是均勻相通的網格線，也可以是均勻相通的環(huán)形線或不規(guī)則線。

本套工裝選用的是網格線。 接下來在抽氣槽的匯集處鉆出抽氣孔， 通過抽氣孔在夾具體的側面再開孔形成抽氣管路。 這樣，夾具體的整個抽氣系統(tǒng)就形成了（見圖1）。 抽氣系統(tǒng)需通過管接頭與真空系統(tǒng)相連，將夾具與工件間的空腔抽成真空，利用大氣壓吸緊工件。 在實際加工中，常常需要考慮這種壓緊力是否足夠，而足夠壓緊力是由有效面積（F）、真空度、加工刀具及切削進給量等綜合決定。 設計中經常通過三維模擬來計算。

2.3 真空吸附力的計算

2.3.1 真空吸附力的計算公式

真空夾緊力是根據(jù)夾具空腔的真空度來計算的，當空腔內是絕對真空時，作用在工件上的吸力為1公斤/厘米2，即一個大氣壓，但實際上由于殘余氣壓的存在，夾緊力應按下式計算：

式中：F—有效面積（厘米2），即夾具體表面以密封條為界的投影面積；P—真空壓強(公斤/厘米2)；

Pa—大氣壓強(公斤/厘米2)；P0—空腔內殘余氣壓(公斤/厘米2)；K—密封系數(shù)，取0.8～0.85。

圖1 夾具體

為了得到足夠的夾緊力， 要求真空度保持在一定的范圍內，一般是選擇真空度為400～700毫米汞柱（表值），這時壓強P為0.53～1公斤/厘米2。 當工件的有效面積大， 所受切削力小時， 可以選擇較低的真空度，反之，則應選擇較高的真空度。 壓強P與真空度的關系（見圖2）。

圖2 壓強與真空度的關系

2.3.2 校核銑切進氣道的真空吸附力

以上論述，若要保證可靠夾緊，需綜合考慮刀具的切削力及真空度的選擇等情況。 首先計算真空壓緊力：加工進氣道的夾具體是利用UG建模設計，通過UG軟件測出它的有效面積為F=4210厘米2，P取下限真空度532毫米汞柱時的壓強，查圖P=0.7公斤/厘米，k=0.8。

則 Q=F·P·k=2357.6 公斤

由垂直夾緊力而產生的摩擦力G=Q·f

摩擦系數(shù)f=0.2

則 G=Q·f=2357.6×0.2=471.52公斤

而切削力又受刀具的種類及切削進給量、速度等影響。 此進氣道的材料為LY12， 選擇刀具情況如下：直柄立銑刀，直徑d0=18毫米，Z=3，每齒最快送進量af=0.15毫米/齒，最大吃刀深度ap=2，銑切寬度ae=0.9毫米。 經查證，加工時切削力計算公式：

以上計算得出G＞Pf， 即真空壓緊力大于切削力，因此可以確保夾緊可靠。

3 輔助裝夾

雖然真空吸附力遠遠大于切削力， 可以保證夾緊可靠性， 但在工件夾緊方面， 工序上仍然使用雙保險：

1) 使用工件內表面定位， 再通過真空吸附力壓緊工件外表面作為壓緊力。 這種定位與夾緊點的分布很均勻，使每個支承點都承受大小相同的夾緊力，避免了因夾緊力集中過大造成工件變形， 且不會壓傷工件。

2) 使用工藝凸臺， 通過壓板壓緊工藝凸臺進一步增強壓緊力（見圖1）。 壓板均勻分布，避免工件在切削過程中產生不能允許的振動， 進一步增強加工時的穩(wěn)定性。

4 結語

真空夾具在飛機制造工藝中，對大而薄、剛性差的工件及有色金屬板、 型材變截面等工件的加工已經是廣為應用。 隨著航空制造業(yè)的不斷發(fā)展，加工質量的要求不斷提高， 真空夾具也逐漸標準化、 自動化，以進一步提高生產效率。 針對加工一系列用平面定位、真空吸附力壓緊的工件，我們將不斷向通用真空夾具方向研究。

[1]《航空工藝裝備設計手冊》編寫組.夾具設計.北京：國防工業(yè)出版社，1979.

[2]《金屬機械加工工藝人員手冊》修訂組.金屬機械加工工藝人員手冊. 上海： 上?？茖W技術出版社，1982.

[3]《機床夾具設計手冊》編寫組.上海：上?？茖W技術出版社，1994.