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。針對薄壁結(jié)構(gòu)件如飛機蒙皮的裝夾問題，近年來出現(xiàn)了多點柔性夾具，如西班牙M.Torres公司的TORRESTOOL多點柔性工裝系統(tǒng)，該夾具可用于飛機機身、機翼等飛機蒙皮的切邊和鉆銑。北京航空航天大學(xué)建立了基于可重構(gòu)柔性多點模具的飛機蒙皮數(shù)字化拉形試驗系統(tǒng)，突破了飛機蒙皮CAD數(shù)模工藝補充面的自動生成技術(shù)。中航工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司針對大型薄壁件的加工變形采取的措施之一是設(shè)計正反兩面加工的真空夾具。這些真空夾具的設(shè)計都為薄壁構(gòu)件的加工變形控制和加工精度的保證提供了有效方法。
典型的飛機薄壁構(gòu)件表面由多個型腔組成，這些小型腔的腹板部分厚度最薄處達到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，無法保證夾具的通用性。本文針對整體壁板類薄壁結(jié)構(gòu)的加工設(shè)計了一套真空柔性夾具，并研究了吸盤結(jié)構(gòu)以及板厚對薄壁結(jié)構(gòu)的影響。
某飛機的薄壁構(gòu)件如圖1所示。由于腹板較薄，加工時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夾具，既能提供均勻的夾緊力，又能使腹板得到有效支撐。真空柔性夾具結(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 真空柔性夾具結(jié)構(gòu)
真空柔性夾具的工作原理是：未供油壓時，夾具處于釋放狀態(tài)；開始供油后，活塞上升，柱塞彈簧帶動吸盤上升直至完全接觸工件；接著，在油壓的作用下錐套下移，通過鋼球?qū)μ淄伯a(chǎn)生較大的徑向作用力，從而對柱塞產(chǎn)生強勁的抱緊力；最后，通過真空泵對密封腔抽真空，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，即可松開工件。真空柔性夾具安裝方便，具有自適應(yīng)性，不用手動調(diào)整吸盤的高度，針對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)進行分析。簡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，加工期間對腹板的變形影響可忽略不計，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代替負壓，選取q=55 kPa。為了避免吸盤割傷鋁合金工件，吸盤材料選擇鋁合金，工件和吸盤的材料參數(shù)見表1。
圖3 簡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)點六面體單元C3D8R對承載盤和工件進行網(wǎng)格劃分，并對承載盤和工件接觸區(qū)域的網(wǎng)格進行細化。為了對位移的求解結(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個單元。工件腹板下表面和吸盤上表面定義Surface Intact，其接觸屬性設(shè)置為庫倫摩擦，摩擦因數(shù)為0.09。施加邊界條件時，吸盤下表面和整體框左右端突出部分施加固定約束。
采用真空柔性夾具輔助支撐腹板，即增加了一塊剛性支撐，又得到了均勻分布的夾緊力，從而提高了加工時工件的剛度。若對腹板上所有點進行受力分析計算，計算量比較龐大，因此僅選取一些參考點進行仿真分析。從腹板上表面中心向左依次選取A至G共7個參考點，參考點與腹板中心的距離如表2所示。
表2 參考點與腹板中心的距離 mm
參考點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，通過有限元軟件模擬了有、無真空柔性夾具作為輔助支撐兩種條件下的腹板法向變形。
圖4(a)給出了無真空夾具作為支撐情況下，不同參考點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A至G處單獨施加載荷所引起的腹板各點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A至G處單獨施加載荷所引起的腹板各點Z向位移。
圖4 不同加載情況下腹板上各點Z向位移
由圖4可以看出，在有、無真空夾具作為支撐的兩種情況下，腹板中心區(qū)域節(jié)點Z向位移量都較其他區(qū)域節(jié)點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Z向位移較無支撐狀態(tài)明顯減小。分別在參考點A、B、C、D處施加載荷時，在腹板上引起的節(jié)點Z向位移總體較大，越靠近載荷處，節(jié)點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。在真空柔性夾具作為輔助支撐、其余條件同上節(jié)情況下，分別選取不同腹板厚度進行分析，表3中列出了各參考點處節(jié)點最大Z向位移量隨厚度的變化。
表3 參考點處節(jié)點Z向位移 μm
板厚(mm)參考點ABCDEFG2625848393222123272624201510541514129754
由表3可知，當(dāng)板厚h為3 mm、4 mm時，腹板在各參考點處節(jié)點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，在腹板中心區(qū)域受力導(dǎo)致的節(jié)點位移量明顯增加，腹板在其余參考點處受力時，節(jié)點Z向位移量都有所增加。腹板厚度較小時，增加真空柔性夾具是有必要的。
由第4節(jié)可知，對于同一套吸盤而言，當(dāng)腹板厚度變小時，由于密封腔邊界相對腹板厚度較大，腹板剛度不足，節(jié)點Z向位移明顯增加。針對上述問題，提出以下改善措施：減小真空腔邊界間距，劃分成多個真空腔，同時增大吸盤直徑，改進后的簡化裝夾模型如圖5所示。在其他條件同第4節(jié)的情況下，對腹板進行了有限元仿真分析。圖6為改進后有真空吸附單元作為支撐情況下，不同參考點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A至G處單獨施加載荷所引起的腹板各點Z向位移。
圖5 吸盤改進后的簡化裝夾模型
由圖4和圖6可以看出，吸盤結(jié)構(gòu)改進后，腹板中心區(qū)域受載時，腹板節(jié)點Z向位移明顯減小；同時腹板中心區(qū)域節(jié)點位移量大小基本相等，較改進前得到有效改善。
設(shè)計了一種新型的真空柔性夾具，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腹板不同點受力時腹板整體變形進行了數(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，對于厚度在3 mm以下的腹板，應(yīng)增加輔助支撐來減小腹板的變形，同時真空腔邊界間距不宜過大。
圖6 吸盤改進后不同加載情況下腹板上各點Z向位移