真空夾具在薄壁件的加工中應(yīng)用廣泛,，如SCHMALZ(施邁茨)公司設(shè)計(jì)的真空裝夾系統(tǒng)，適合底部平整,、面積較大的金屬薄壁件加工,。針對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件如飛機(jī)蒙皮的裝夾問(wèn)題，近年來(lái)出現(xiàn)了多點(diǎn)柔性?shī)A具,，如西班牙M.Torres公司的TORRESTOOL多點(diǎn)柔性工裝系統(tǒng),，該夾具可用于飛機(jī)機(jī)身,、機(jī)翼等飛機(jī)蒙皮的切邊和鉆銑,。北京航空航天大學(xué)建立了基于可重構(gòu)柔性多點(diǎn)模具的飛機(jī)蒙皮數(shù)字化拉形試驗(yàn)系統(tǒng)，突破了飛機(jī)蒙皮CAD數(shù)模工藝補(bǔ)充面的自動(dòng)生成技術(shù),。中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司針對(duì)大型薄壁件的加工變形采取的措施之一是設(shè)計(jì)正反兩面加工的真空夾具,。這些真空夾具的設(shè)計(jì)都為薄壁構(gòu)件的加工變形控制和加工精度的保證提供了有效方法。
典型的飛機(jī)薄壁構(gòu)件表面由多個(gè)型腔組成,，這些小型腔的腹板部分厚度最薄處達(dá)到1 mm以下,，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀和尺寸多變,。該類結(jié)構(gòu)件通常不能采用上述的真空夾具,，而采用專用的真空夾具，則夾具品種多,、數(shù)目多,，無(wú)法保證夾具的通用性。本文針對(duì)整體壁板類薄壁結(jié)構(gòu)的加工設(shè)計(jì)了一套真空柔性?shī)A具,，并研究了吸盤(pán)結(jié)構(gòu)以及板厚對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)的影響,。
某飛機(jī)的薄壁構(gòu)件如圖1所示。由于腹板較薄,，加工時(shí)受到刀具軸向切削力的作用容易變形,，因此為每處腹板增加一套真空柔性?shī)A具，既能提供均勻的夾緊力,，又能使腹板得到有效支撐,。真空柔性?shī)A具結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 JSF/F35典型結(jié)構(gòu)件幾何特征
圖2 真空柔性?shī)A具結(jié)構(gòu)
真空柔性?shī)A具的工作原理是：未供油壓時(shí),，夾具處于釋放狀態(tài),；開(kāi)始供油后，活塞上升,，柱塞彈簧帶動(dòng)吸盤(pán)上升直至完全接觸工件,；接著，在油壓的作用下錐套下移，通過(guò)鋼球?qū)μ淄伯a(chǎn)生較大的徑向作用力,，從而對(duì)柱塞產(chǎn)生強(qiáng)勁的抱緊力,；最后，通過(guò)真空泵對(duì)密封腔抽真空,，在吸附區(qū)域產(chǎn)生均勻的夾緊力,，工件加工完成后，使密閉腔與大氣相通,，即可松開(kāi)工件,。真空柔性?shī)A具安裝方便，具有自適應(yīng)性,，不用手動(dòng)調(diào)整吸盤(pán)的高度,，針對(duì)不同型腔大小的腹板結(jié)構(gòu)，僅更換真空吸附夾具上方的組件即可,。
在相同的切削用量和切削方式情況下,，腹板的變形規(guī)律相似，這里僅取某一處腹板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,。簡(jiǎn)化后的裝夾幾何模型如圖3所示,。密封件由橡膠制成，材質(zhì)較軟,，加工期間對(duì)腹板的變形影響可忽略不計(jì),，因此在有限元仿真中忽略密封件三維模型，在工件相應(yīng)區(qū)域施加分布載荷q代替負(fù)壓,，選取q=55 kPa,。為了避免吸盤(pán)割傷鋁合金工件，吸盤(pán)材料選擇鋁合金,，工件和吸盤(pán)的材料參數(shù)見(jiàn)表1,。
圖3 簡(jiǎn)化后的裝夾幾何模型
表1 組件的主要材料參數(shù)
名稱材料彈性模量EN·mm-2泊松比v密度kg·m-3屈服極限MPa工件7050-T74517.17×1040.32830449.493吸盤(pán)LY127.1×1040.32800325
將建立的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件內(nèi)，采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D8R對(duì)承載盤(pán)和工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,，并對(duì)承載盤(pán)和工件接觸區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,。為了對(duì)位移的求解結(jié)果要求精確，因此選擇線性縮減積分單元,；腹板在受力分析中承受彎矩,，沿厚度方向上至少應(yīng)劃分4個(gè)單元。工件腹板下表面和吸盤(pán)上表面定義Surface Intact,，其接觸屬性設(shè)置為庫(kù)倫摩擦,，摩擦因數(shù)為0.09。施加邊界條件時(shí),，吸盤(pán)下表面和整體框左右端突出部分施加固定約束,。
采用真空柔性?shī)A具輔助支撐腹板,，即增加了一塊剛性支撐，又得到了均勻分布的夾緊力,，從而提高了加工時(shí)工件的剛度,。若對(duì)腹板上所有點(diǎn)進(jìn)行受力分析計(jì)算，計(jì)算量比較龐大,，因此僅選取一些參考點(diǎn)進(jìn)行仿真分析,。從腹板上表面中心向左依次選取A至G共7個(gè)參考點(diǎn)，參考點(diǎn)與腹板中心的距離如表2所示,。
表2 參考點(diǎn)與腹板中心的距離 mm
參考點(diǎn)ABCDEFG距離07.512.517.522.527.532.5
取D=40 mm,，D1=8 mm，D2=50 mm,，a=80 mm,，板厚h=2 mm，其余板厚為5 mm,，分別在各參考點(diǎn)處直徑Φ1 mm內(nèi)的范圍加載幅值為100 N的變載荷,，在其他條件不變的情況下，通過(guò)有限元軟件模擬了有,、無(wú)真空柔性?shī)A具作為輔助支撐兩種條件下的腹板法向變形。
圖4(a)給出了無(wú)真空夾具作為支撐情況下,，不同參考點(diǎn)處施加載荷所引起腹板受力變形,，圖中曲線1～7分別代表在參考點(diǎn)A至G處單獨(dú)施加載荷所引起的腹板各點(diǎn)Z向位移；圖4(b)給出了有真空夾具作為支撐情況下,，不同參考點(diǎn)處施加載荷所引起腹板受力變形,，圖中曲線1～7分別代表在參考點(diǎn)A至G處單獨(dú)施加載荷所引起的腹板各點(diǎn)Z向位移。
圖4 不同加載情況下腹板上各點(diǎn)Z向位移
由圖4可以看出,，在有,、無(wú)真空夾具作為支撐的兩種情況下，腹板中心區(qū)域節(jié)點(diǎn)Z向位移量都較其他區(qū)域節(jié)點(diǎn)Z向位移大,；在有輔助支撐的情況下,，腹板中心區(qū)域節(jié)點(diǎn)Z向位移較無(wú)支撐狀態(tài)明顯減小。分別在參考點(diǎn)A,、B,、C、D處施加載荷時(shí),，在腹板上引起的節(jié)點(diǎn)Z向位移總體較大,，越靠近載荷處，節(jié)點(diǎn)Z向位移越大,。受力區(qū)域越靠近框壁,，整體變形越小,，受力區(qū)域的最大節(jié)點(diǎn)Z向位移同樣也減小。
薄壁件厚度越小,，抵抗變形的能力越弱,，在加工過(guò)程中極易因切削作用而產(chǎn)生“讓刀現(xiàn)象”和顫振。在真空柔性?shī)A具作為輔助支撐,、其余條件同上節(jié)情況下,，分別選取不同腹板厚度進(jìn)行分析，表3中列出了各參考點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)最大Z向位移量隨厚度的變化,。
表3 參考點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)Z向位移 μm
板厚(mm)參考點(diǎn)ABCDEFG2625848393222123272624201510541514129754
由表3可知,，當(dāng)板厚h為3 mm、4 mm時(shí),，腹板在各參考點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)Z向位移量整體較小,，這是由于腹板厚度增大，剛度變大的緣故,；當(dāng)板厚h=2 mm時(shí),，在腹板中心區(qū)域受力導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)位移量明顯增加，腹板在其余參考點(diǎn)處受力時(shí),，節(jié)點(diǎn)Z向位移量都有所增加,。腹板厚度較小時(shí)，增加真空柔性?shī)A具是有必要的,。
由第4節(jié)可知,，對(duì)于同一套吸盤(pán)而言，當(dāng)腹板厚度變小時(shí),，由于密封腔邊界相對(duì)腹板厚度較大,，腹板剛度不足，節(jié)點(diǎn)Z向位移明顯增加,。針對(duì)上述問(wèn)題,，提出以下改善措施：減小真空腔邊界間距，劃分成多個(gè)真空腔,，同時(shí)增大吸盤(pán)直徑,，改進(jìn)后的簡(jiǎn)化裝夾模型如圖5所示。在其他條件同第4節(jié)的情況下,，對(duì)腹板進(jìn)行了有限元仿真分析,。圖6為改進(jìn)后有真空吸附單元作為支撐情況下，不同參考點(diǎn)處施加載荷所引起腹板受力變形,。圖6中曲線1～7分別代表在參考點(diǎn)A至G處單獨(dú)施加載荷所引起的腹板各點(diǎn)Z向位移,。
圖5 吸盤(pán)改進(jìn)后的簡(jiǎn)化裝夾模型
由圖4和圖6可以看出，吸盤(pán)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,，腹板中心區(qū)域受載時(shí),，腹板節(jié)點(diǎn)Z向位移明顯減?。煌瑫r(shí)腹板中心區(qū)域節(jié)點(diǎn)位移量大小基本相等,，較改進(jìn)前得到有效改善,。
設(shè)計(jì)了一種新型的真空柔性?shī)A具，介紹了其主要結(jié)構(gòu)和工作原理,，較普通真空夾具有較好的通用性,，適合各類型腔腹板的加工，可大大減少專用夾具的數(shù)量,。
應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)腹板不同點(diǎn)受力時(shí)腹板整體變形進(jìn)行了數(shù)值模擬,，研究表明真空夾具作為薄壁件的輔助支撐，能有效改善薄壁件的變形,，對(duì)于厚度在3 mm以下的腹板,，應(yīng)增加輔助支撐來(lái)減小腹板的變形，同時(shí)真空腔邊界間距不宜過(guò)大,。
圖6 吸盤(pán)改進(jìn)后不同加載情況下腹板上各點(diǎn)Z向位移