飞机薄壁底板夹具设计说明书.doc

目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 真空夹具概述11.2 真空夹具的组成21.2.1 夹具体21.2.2 密封部分21.2.3 控制回路31.2.4 真空泵4第2章 总体设计方案的确定62.1 夹具体方案的确定62.1.1 夹具体材料的确定62.1.2 夹具体尺寸的确定62.2 密封方式及材料的选择62.2.1 密封方式的选择62.2.2 密封材料的选择82.3 控制回路方案的确定10第3章 夹具体结构设计113.1 概述113.2 夹具体上表面的形状设计123.3 槽结构设计123.3.1 密封槽结构设计123.3.2 导气槽结构设计133.4 切削力与密封区域面积的确定143.5 定位装置设计173.5.1 定位方式的确定173.5.2 定位元件材料的确定193.6 真空泵的选择20第4章 零件数控加工工艺分析244.1 概述244.2 零件图结构分析254.3 机床的选择254.4 零件的定位基准和装夹方式的确定254.5 加工顺序和进给路线的确定264.6 刀具及切削用量的确定264.6.1 刀具的确定264.6.2 切削用量的确定27第5章 零部件的强度校核315.1 正确选用通用零部件的重要性315.2 吊耳螺钉的强度校核315.2.1 选择吊耳螺钉的原则315.2.2 受力分析及强度校核31结论33致谢34参考文献35CONTENTSAbstractIChapter1 Introduction11.1 The summarize of vacuum clamp11.2 The contitute of vacuum clamp21.2.1 Clamp body21.2.2 Sealing parts21.2.3 Controling loop31.2.4 Vacuum pump4Chapter2 The determine of design project in general62.1 The determin of the project of clamping body62.1.1 The determine of the material of clamping body62.1.2 The determine of the dimensions of clamping body 62.2 The choice of way and material of the sealment62.2.1 The choice of the the way of the sealment62.2.2 The choice of the material of the sealment82.3 The determine of the project of controling loop10Chapter 3 The design of the clamp body structure113.1 The summarize113.2 The design of top surface of clamp body123.3 The design of groove structure123.3.1 The design of sealing groove structure123.3.2 The design of gas leading slot structure133.4 The determine of cutting force and the sealing area143.5 The design of posioning device173.5.1 The determine of the way of posioning173.5.2 The determine of the material of posioning device193.6 The choice of the vacuum pump20Chapter 4 The process analysis of NC machining to workpiece244.1 The suumarize244.2 The structure analysis of part drawing254.3 The chocie of the machine254.4 The determine of posioning reference and clamping way of workpiece254.5 The determine of machining order and feed way264.6 The determine of tools and cutting datas264.6.1 The determine of tools264.6.2 The determine of cutting datas27Chapter 5 The strength calibration of the univesal parts315.1 The importance of choosing universal parts in right way315.2 The strength calibration of the shackle315.2.1 The principle of choosing shackle315.2.2 Force analysis and strength calibration31Conclusion33Convey thanks34References35摘 要随着科学技术的发展和进步，铝合金材料在航空制造业得到了广泛的应用。在航空制造业中，工件变形是薄壁件在加工中影响零件加工精度的主要问题。针对飞机薄壁底板加工变形的问题，设计了用于加工该种零件的真空夹具，采用真空夹具对该种零件进行装夹，以达到简单、准确、高效、高质量的效果。在真空夹具的设计过程中，对其夹具体、密封部分、控制回路进行了设计。在这三方面的设计中，着重对夹具体进行了设计。夹紧力和密封的可靠性是真空夹具设计必须考虑的两大主要因素，而密封区域的面积与夹紧力的大小是密切相关的，故在设计的过程中，该真空夹具的密封结构和密封区域面积的设计是其重点内容。说明书从真空夹具的原理入手，详细的阐述了该真空夹具的设计过程。此种真空夹具的设计，能够很好的解决飞机薄壁底板在加工过程中变形的问题，极大程度上满足了航空制造业的需要。关键词：真空吸附；工件变形；薄壁件 AbstractWith increasing and developing in science and technology, alloy has been widely used in modern aeronautic industry. In aeronautic manufacture, the deformation is a main problem that affect the accuracy of manufacturing for thin-wall part in processing. To solve the problem of deformation for thin-wall part, vacuum clamp is designed for processing the thin-wall. Clamping the thin-wall part with vacuum clamp, it can reach its goal that is simple, accuracy, efficiency and high quality.Clamping body, sealing part and controlling loop are designed in designing process of vacuum clamp. Clamping body is a key point in designing process. Clamping force and reliability of the sealment must be considered in designing, however, the sealing area is closely related with the clamping force, so the sealing structure and sealing area can be focused in designing process. The leaflet is origined from principle of vacuum clamp, the designing process of vacuum clamp can be stated in detail.It can be sovled that the deformation of thin-wall in processing and meet the demand of aeronautic industry. Keywords：vacuum adsorption；the deformation of the workpiece；thin-wall part第1章 绪论1.1 真空夹具概述薄壁零件刚性差，在加工过程中因受到切削力、夹紧力以及切削热和残余应力极易产生变形，所以控制变形是保证薄壁零件数控加工质量的关键在众多的加工变形控制措施中，如进给量局部调整、刀具路线修正、改进装夹方案和改进毛坯的结构工艺性等，改进装夹方案是最行之有效的一种方法。近年来，人们开始尝试在传统的机械加工领域引入真空夹具，真空夹具通过真空泵将工件与夹具接触面之间的空气抽出，形成真空，在大气压的作用下将工件夹紧在夹具体上，真空夹具的实质就是：使薄板零件与夹具体之间形成相对的真空，产生负压，并在周围用密封圈密封，利用大气压的压力，使工件产生一个向着接触面的力，利用这个力和工件与夹具体接触面间的静摩擦力将工件牢固的吸附在夹具体上，从而进行铣削的加工。夹紧力的大小由夹具系统的真空度和吸附面积决定。真空夹具系统可以确保加工好的工件不会产生夹痕， 更重要的是可以确保加工好的工件不会发生弯曲和变形， 能够非常快速地夹紧工件， 提高工件的装夹效率并减少机器的待机时间。同时， 由于真空夹具的真空吸附力是均匀地分布在被加工的工件上， 在加工时， 工件不会产生振动， 因此加工噪声非常小，系统不仅能加工复杂几何形状的工件，同时还能满足工件铣形、钻孔、修边等加工要求。此外， 通过机械夹持元件和真空夹具系统的完美结合， 可以达到更为理想的效果。综上所述，真空吸附夹具具有以下特点：1. 通常用于夹紧精细平面的非铁磁性材料，如铝、塑料制的工件进行切削力不大的加工；2. 适合于紧密铣削，经过热处理的刚性差、易于变形的薄壁工件，这种零件在电磁工作台上加工时，由于其壁厚很小，在切削热的作用下产生变形而离开工作台平面引起平面的翘曲。采用真空夹具可减少工件发热的影响而保证工件的平面度要求。3. 工件夹紧时，没有集中载荷的夹紧力，故不致破坏某些形式的工件和损坏工件表面。4. 一次装夹可加工最多的工件表面，生产效率高；5. 夹具开敞，待加工表面充分暴露在外，加工方便、安全；6. 夹具的刚性与稳定性好；7. 装夹方便，效率高，不仅减少了装夹占机时间，而且减轻了操作的 劳动强度；8. 夹具设计简单，造价低。真空夹具主要实现的是对薄、大尺寸工件的装夹和定位，达到高效、高质量的加工效果。由于该产品相对于传统的机械夹具有着较多的优势，故在航空制造业中的薄壁、大尺寸、复杂零件的加工中得到广泛的应用。1.2 真空夹具的组成1.2.1 夹具体夹具体是工件定位夹紧的承托件。夹具体可以用钢或铝合金制造，为了使零件均匀的吸附在夹具体上，夹具体必须开有密封槽和导气槽。在通常情况下，夹具体的设计应满足以下要求：1应有较高的精度和尺寸的稳定性。由于在加工过程中，要保证工件与夹具体上表面充分的接触，则会产生误差累积效应，夹具体表面的误差会最终体现在工件上，故夹具体应具有较高的精度。2应有足够的刚度和强度。为了保证在加工过程中不因夹紧力、切削力等外力的作用而产生不允许的变形和振动、夹具体应有足够的壁厚。3应有良好的结构工艺性和使用性。应做到装夹工件方便，夹具维修方便。在满足刚度和强度的前提下，尽可能的减轻重量，缩小体积，力求简单。1.2.2 密封部分密封是真空夹具设计的关键因素之一。在真空夹具中，密封部分可大致的分为两类：工件与夹具体间的密封和连接件间的密封。在这两种密封中，前者显得更加的重要，若工件与夹具体间密封的可靠性不能保证，将会极大程度上降低工件的加工精度。工件与夹具体之间的密封方式主要有以下三种形式。1自由密封 工件与夹具之间无密封材料，靠彼此紧密贴合的一种密封方式。这种密封要求工件定位基准面与夹具定位面均具有较小数值的表面粗糙度，较高的贴合率。这种密封的可靠性差，仅可用于切削力小或不重要的工件。2涂覆密封 工件在夹具上定位后，在工件周边与夹具接缝处涂密封胶泥或用胶带覆盖接缝，隔断大气的一种密封方式。这种密封使夹具构造简单，可通用化但操作繁琐，辅助时间长，仅可用于批量不大的轻型工件。3密封条密封 在夹具定位面上距离工件外边缘一定距离内开有安放密封条的槽，沿槽一周安装封闭的密封条，抽气时工件压缩密封条后，再贴靠夹具定位面。这种密封广泛的应用1。1.2.3 控制回路真空夹具的控制回路是多种多样的，但应用的基本回路可以归纳为下面的三种。1 “U”回路“U”回路的组成见图1-1所示。真空泵通过橡胶管与阀门2相连，当阀门2导通，阀门3截止时，夹具体获得真空，工件被夹紧在夹具体上。当阀门2截止，阀门3导通时，空气被引入夹具体，工件真空被破坏，工件被放开。这种回路的特点是响应迅速，对其它用气单元无影响，但工作是耗气量很大2。1-真空发生器；2-真空供给阀；3-真空破坏阀；4-夹具体；5-真空压力表图1-1 “U”回路组成图2 三位三通阀回路三位三通阀回路的组成见图1-2。当三位三通阀4的A端电磁铁通电时，真空泵1与夹具体6接通，工件被吸紧；当三位三通电磁阀不通电时，真空吸附状态能够被保持。当三位三通电磁阀4的B端通电时，空气进入夹具体，真空被破坏，工件与夹具体脱离，进气量由节流阀3来进行调整。1.真空泵；2.真空压力表；3.节流阀；4.三位三通换向阀；5.过滤器；6.夹具体图1-2 三位三通阀回路1.2.4 真空泵真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。按其工作原理，真空泵基本上分为气体输送泵和气体补集泵。气体输送泵包括：水环式真空泵、往复式真空泵、旋片式是真空泵、定片式真空泵、滑阀式真空泵等；气体补集泵包括吸附泵和低温泵。工业上应用最多的是水环式真空泵和旋片式真空泵。按其真空度可以分为粗真空、高真空、超高真空。随着真空应用技术在生产和科学研究领域中对其应用压强范围的要求越来越宽，大多需要由几种真空泵组成真空抽气系统共同抽气后才能满足生产和科学研究过程的要求，由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵3。第2章 总体设计方案的确定2.1 夹具体方案的确定2.1.1 夹具体材料的确定夹具体是工件定位夹紧的承托件，在整个的真空夹具系统中起着重要的作用，选择合理的材料及结构尺寸对于夹具体来说有着重要的意义。制造夹具体的材料大致的可以分为两种：铝合金和钢。从结构工艺性方面来考虑，相同体积的铝合金和钢，铝合金的重量远远的小于钢的重量，故夹具体在搬运的过程中，材料为铝合金的则显得更加的方便、可行。从加工性能来说，铝合金切削加工性能良好，质地较软，易于加工。在通常情况下，加工同样规格的铝合金和钢，刀具在正常磨损的情况下，加工钢的刀具的寿命要远低于加工铝合金所用的刀具，刀具的损耗较大。从强度和刚度来说，高强度的可热处理的铝合金能够满足切削加工的要求。从以上的分析可知，铝合金更加的适合作为夹具体的材料。在比较常见的铝合金中，强度和刚度最好的就是7075-T651,7075材料中一般都加入少量的铜、铬等合金，7075的优点为：(1) 高强度可热处理合金；(2) 良好的机械性能；(3) 易于加工，耐磨性好；(4) 抗腐蚀性、抗氧化性好，可长时间的露天放置，主要的应用于航空航天、机械设备、工装夹具等方面。综上所述，选择7075作为夹具体的材料。2.1.2 夹具体尺寸的确定结构尺寸方面：零件的尺寸为77044053(mm)。夹具体的整体尺寸应大于零件的尺寸，考虑到夹具体上应安装必要的辅助工装，满足结构工艺性的要求，最终夹具体的尺寸定为1040740120(mm)。2.2 密封方式及材料的选择2.2.1 密封方式的选择真空密封所采用的密封方式常见的主要有以下的几种方式。1自由密封 工件与夹具之间无密封材料，靠彼此紧密贴合的一种密封方式。这种密封要求工件定位基准面与夹具定位面均具有较小数值的表面粗糙度，较高的贴合率。这种密封饿可靠性差，仅可用于切削力小或不重要的工件。2涂覆密封 工件在夹具上定位后，在工件周边与夹具接缝处涂密封胶泥或用胶带覆盖接缝，隔断大气的一种密封方式。这种密封使夹具构造简单，可通用话但操作繁琐，辅助时间长，仅可用于批量不大的轻型工件。3密封圈密封 在夹具定位面上距离工件外边缘一定距离内开有安放密封条的槽，沿槽一周安装封闭的密封条，抽气时工件压缩密封条后，再贴靠夹具定位面。这种密封广泛的应用。常见的密封条主要有一下几种形式(1) O型密封圈 它是一种断面为O型的密封元件，应用最广。(2) Y型密封圈 在一般情况下，可不用支撑环而直接装入沟槽内即可起密封作用。但在压力变化较大、滑动速度较高的场合，要使用支撑环以固定密封件。(3) V型密封圈 它由形状不同的支撑环，密封环和压环组成。这种密封圈接触面大，密封性能好，但摩擦力大。(4) YX型密封圈 截面尺寸小，结构简单，其截面长度为宽度的两倍以上，因而密封圈在加支撑环的情况下，在沟中也不会发生扭转和翻滚现象。密封圈的内、外唇具有不同的长度，短唇为工作唇，与密封表面接触，与工作表面的滑动摩擦力小，耐磨性好，寿命长；长唇与非运动表面有较大的过盈量，摩擦阻力大，这样使Yx型密封圈稳定性好，并能补偿磨损的影响。这种结构无论在高压低压或快速运动中，均具有良好的密封性。因此YX型密封圈应用也很广泛。现在工业中最常用的橡胶O形圈，其形状简单，制造容易，价格低廉。同时O形圈的使用方法简便，出差错的可能性比其它密封圈少，安装拆卸都很方便，更突出的优点在于O形圈有良好的密封性能。它是一种压缩性密封件，同时又具备自封能力；能承受很大的压力。而且如果材料选择得当，温度范围可达到-60至+200。同时，使用不同材料的O形圈，大多可以满足各种介质，各种运转条件的要求。不同材料的O形圈的耐热性、耐油性和耐化学品性能也各不相同4。O形圈密封是指用它填塞在泄漏通道内来组织液流或气流泄漏。与平行密封垫不同，O形圈的初始接触压力是不均匀的，工作时在内压作用下的O形圈会朝作用力方向移动，并改变其断面形状，同时密封面上的接触压力也相应变化，其最大值将大于介质内压，所以泄漏现象不会发生，这就是静密封用O形圈的密封机理5。这种借助介质本身压力来改变O型密封圈的接触状态，使之实现密封的过程称为“自封作用”。为了实现自封作用，在安装型密封圈时应使其有一定的压缩量。O型密封圈密封设计应能保证真空系统密封性能的要求。它与O型密封圈的泄漏率、密封圈材料、表面接触宽度、接触长度、表面粗糙度、密封力等诸多因素有关。这就要求正确选择密封圈材料和尺寸，正确设计密封槽尺寸，同时根据密封力大小设计卡紧机构。O型密封圈密封设计的关键是确定O型密封圈压缩到合适的压缩比时所需施加的比压力。而比压力既要满足真空要求，又与O型密封圈本身的性能、硬度、压缩比等因素有关，甚至也和O型密封圈在压缩后侧面是否有限制等因素有关。目前，我国的计算方法是以实验为依据的，即把各种不同截面直径、不同内径和不同硬度的O型密封圈放在两平面法兰间。当O型密封圈压缩至所需的压缩比时，得到极限比压力。经实验表明，对于普通橡胶材料，一般以13105Pa为标准比压。通常对尺寸不大、刚度较低的工件可用直径不小于5mm圆形实心或空心截面的容易变形的密封圈；尺寸较大、刚度也较高的工件最好采用44mm方形或矩形截面的密封衬垫。考虑到实际加工要求及工件性能，经查资料，考虑到O形圈属于外购产品，使用寿命长且更换容易，连接方便，密封可靠，并考虑到密封槽的形状，初选用直径6mm的O形圈作为夹具体与工件之间的密封方式。对于真空控制系统的密封，管道和接头之间的连接用生胶带缠好后,涂上专用的密封胶水粘牢,外面用卡箍夹紧,待胶水干后再在接头的外面涂上一层硅橡胶,保证系统的气密性。而且真空系统运行后由于内部处于真空状况,外部大气压力会使整个系统的气密性更好,这样就可保证系统长期的气密性要求。2.2.2 密封材料的选择O形密封圈材料的选择对其密封性能和使用寿命有着重要的意义。材料的性能直接影响O形密封圈的使用性能。除应具备密封圈材料的一般要求外，O形密封圈还应注意下述条件：(1) 富有弹性和回弹性；(2) 适当的机械强度，包括扩张强度、伸长率和抗撕裂强度等；(3) 性能稳定，在介质中不易溶胀，热收缩效应小。(4) 易加工成形，并能保持精密的尺寸。(5) 不腐蚀接触面，不污染介质等。密封材料种类繁多，包括多种纤维、合成橡胶、合成树脂、金属等。对这些材料的简要介绍如下： (1) 合成橡胶：非金属弹性体的橡胶是密封材料中应用最广泛的一种，是制造各种密封元件的主要材料。橡胶品种繁多，且弹性好，不渗透，可模压成各种形状。(2) 合成树脂：合成树脂具有良好的塑性，比重小，化学稳定性好。机械强度高、耐油、抗腐蚀、耐压、耐冲击，隔热绝缘性好。但是不如橡胶柔软，并且硬度随温度变化较大7。(3) 非金属与金属材料：非金属材料有皮革、毛毡、纸、石棉、石墨和陶瓷等。金属也是密封材料的重要部分。常用的品种有铸铁、碳钢、与硬质合金等。其中，橡胶具有较大的弹性，在很小的力的作用下就会产生很大的变形。而且橡胶的体积不易压缩，在任何方向上的伸长和压缩，其体积几乎不变。橡胶密封圈的断面形状主要有圆形和矩形，也有梯形和碗形。它的残余变形、温度、渗透性及出气速率是影响橡胶真空密封性能的重要因素8。为了保证真空密封性能，在橡胶密封圈上要施加一定的预压力。应选择适当的压缩比，使密封圈表面再真空中暴露的愈少愈好。橡胶密封圈的压缩比指其压缩前后的高度差和压缩前的高度比。橡胶密封圈的压缩比直接影响密封性能，研究表明，当橡胶邵氏硬度在50以上、压缩比为15、密封表面没有径向擦伤时，不论密封圈的性状如何，其气体渗漏率可小于1.3310-7 。我国通常把压缩比15定为真空橡胶密封的最小压缩比。这一渗漏率通常可满足普通真空系统的要求。综上，考虑到本课题中被加工零件是薄壁复合材料，刚性较差且极易变形，由于成型填料是靠填料本身在机械压紧力或介质压力的自紧作用下产生弹塑性变形而堵塞流体泄漏通道的，且其结构简单紧凑，密封性能良好，品种规格多，工作参数范围广，所以对其进行夹紧定位的密封材料，选择用弹性较好、不渗透，可模压成各种形状的橡胶密封圈。在合成橡胶中，氯丁橡胶和丁苯橡胶适用于介质为空气的密封，但氯丁橡胶的使用温度范围更大些。综上所述，选择氯丁橡胶作为O型密封圈的材料。2.3 控制回路方案的确定图1-1和图1-2所示的控制回路中可知：“U”回路的特点是响应迅速，对其它用气单元无影响，但工作是耗气量很大。在三位三通回路中，通过通断电控制电磁换向阀进行换向，从而实现真空的获得和破坏，在换向阀不通电时，真空吸附状态能够被保持住，此时，真空泵可停止工作，经济可行。 综上所述，选择三位三通回路作为该真空夹具的控制回路。其控制原理图如1-2所示。第3章 夹具体结构设计3.1 概述夹具体是将夹具上各种装置和元件连接成一个整体的最大、最复杂的基础件。夹具体的形状和尺寸取决于夹具上各种装置的布置及夹具与机床的连接，而且在零件加工的过程中，夹具体还要承受夹紧力切削力及由此产生的冲击和振动，因此，夹具体必须要有合理的结构及强度。切削加工过程中产生的切削有一部分还会落在夹具体上，切削积聚过多将影响工件的可靠定位和夹紧，因此设计夹具体时，必须考虑其结构应便于排屑。此外，还需要考虑夹具体结构的工艺性、经济性，以及操作和拆装的便捷性8。夹具体的设计应满足以下的基本要求。1. 应有适当的精度和尺寸的稳定性。夹具体上的重要表面，如安装定位元件的表面，安装对刀或导向元件的表面以及夹具体的安装基面等，应有适当的尺寸精度和形状精度，它们之间应有适当的位置精度。为使夹具体的尺寸保持稳定，铸造夹具体应进行是小处理，焊接和锻造的夹具体要进行退火处理。2. 应有足够的强度和刚度，为了保证在加工过程中不因夹紧力、切削力等外力的作用而产生不允许的变形和振动，夹具体应有足够的壁厚，刚性不足可适当的增设加强筋。近年来，许多的工厂采用框形薄壁结构的夹具体，不仅减轻了重量，而且可以进一步提高其刚度和强度。3. 应有良好的结构工艺性和使用性。夹具体一般外形尺寸较大，结构比较复杂，而且各表面间的相互位置精度要求高，因此，应特别的注意其结构的工艺性，应做到装卸工件方便、夹具体维修方便。在满足刚度和强度的前提下，应尽量减轻重量、缩小体积、力求简单、便于操作。4. 应便于排屑。机械加工中，切屑不断的积聚在夹具体周围，如不及时的排屑，切屑热量的积聚会破坏夹具的定位精度，切屑的抛甩可能缠绕定位元件，也会破坏定位精度，甚至发生安全事故。因此，设计夹具体时，要考虑切屑的排除问题。5. 在机床上的安装应稳定可靠。夹具体在机床上的安装都是通过夹具体上的安装基面与机床上相应表面的接触或配合来实现的。当夹具体在机床工作台上安装时，夹具体的重心应尽量低，支撑面积应足够大，安装基面应有较高的配合精度，保证安装稳定可靠，夹具体底部应尽量的胃中空，大型夹具还应设置吊环或起重孔。3.2 夹具体上表面的形状设计夹具体的上表面是夹具体与零件的接触面，由于零件为薄壁件，在加工过程中存在着切削力、切削热等加工因素的作用，极易产生变形，为最大限度的降低零件的变形，特将夹具体上表面的形状与待加工件的底面形状吻合，使之在加工的过程中，在夹紧力的作用下，保证零件的底面与夹具体的上表面充分的接触，于此同时，夹具体上表面的粗糙度值和加工精度值较小，从而大大的提高了零件的加工精度。3.3 槽结构设计3.3.1 密封槽结构设计当密封结构的密封出现泄漏时，将发生夹紧力的丧失，不能有效夹紧、定位。引起泄漏的原因很多，主要有两个方面：一是由于机械加工精度较低的结果，机械产品的表面必然会存在各种缺陷和形状与尺寸偏差，从而，在机械零部件连接处不可避免地会产生间隙；二是由于密封两侧存在压力差，工作介质会通过没有封严的间隙而发生泄漏。就一般设备而言减少或消除间隙是阻止泄漏的主要途径9。现阶段，在真空密封所采用的密封槽结构中，主要有以下的几种方式，如图3-1所示。图3-1 常见密封槽结构示意图在本次的真空夹具的设计中，为了提高密封的可靠性，采用的密封槽的结构在采用了优弧的结构。如图3-2所示。图3-2 密封槽结构示意图在常见的三种密封槽结构中，在零件加工的过程中，由于刀具与工件之间的相互接触，产生切削力，使工件在平行于进给方向上有移动的趋势，这时安装在密封槽中的密封圈就有可能松动，进而不能实现与密封槽之间的完全的接触，从而产生间隙，最终导致真空被破坏，加工的零件报废。而采用优弧结构的密封槽，能在极大程度上避免此类问题的发生。由于采用的密封条的截面形状与密封槽的截面形状相同，在安装时，直接将密封圈塞到密封槽中，保证了二者的充分的接触，而在零件的加工过程中，由于优弧的作用，密封圈会牢牢的贴在密封槽中，从而保证了密封的可靠性。当密封衬垫截面的高度不够时，其弹力不能确保夹具空腔的密封性能；而当期过高或变形过大时，虽能确保密封性，但无助于工件在切削力作用下的移动。密封衬垫沿着工件四周安装。选择密封衬垫的形状和断面尺寸。通常加工刚性较差的工件时，可采用直径不小于5mm的圆形实心的密封圈。对于大型刚度较好的工件，最好采用尺寸不小于44mm矩形断面的密封衬垫。在定位和夹紧的过程中，密封圈的侧面和工件的弧面接触，根据以往的加工经验，推荐密封圈的露出的高度为1-2mm,为保证较高的安全系数，本次设计中，取值为2mm，即密封槽的深度为4mm。综上所述，密封槽的结构为深度为4mm，直径为6mm的优弧。3.3.2 导气槽结构设计在抽气系统中，导气槽的结构也显得相当的重要，夹具体上的抽气孔及其相连通的槽和管路的作用，将夹具与工件间的空腔抽成真空并吸紧工件，抽气槽应对称分布在以密封圈限制的面积内，使其抽真空后，均匀迅速的夹紧工件。为防止工件被压紧时产生变形，夹具体的吸附空腔应开成窄槽，槽宽一般取2-8mm10。在本次设计中，考虑到加工的可行性，导气槽的形状为直径为6mm的半圆，并且均匀的分布在密闭空间内。密封条的安装。海绵橡胶轴直径公差1mm。必须选用直径大小一致，质地柔软，无老化，表面光滑的海绵橡胶轴安放在密封槽内。密封条做成圆环状，周长大小与槽长相适应。当密封条老化，表面起皱，有裂纹时，要及时的更换。在安装前，密封槽必须清理干净，才可安放密封条。3.4 切削力与密封区域面积的确定在真空夹具设计的过程中，密封区域面积的大小是其中设计的一个重点环节。密封区域面积过小，则会导致工件的夹紧力不足，造成工件在加工的过程中发生移动，进而工件报废；密封区域面积过大，则会出现抽真空的时间过长，造成不必要的经济浪费。另外，在密封区域范围内，不应有不宜抽气又不宜封严的空穴，以免形成“气袋”而恶化真空度。如图3-3所示，工件在加工过程中，立铣刀铣削时受力分析图。图3-3 立铣刀铣削受力分析图在加工的过程中，立铣刀共受到以下几个力的作用。(1) 水平切削分力FH 又称为切向铣削分力，它消耗了机床电动机的大部分功率，故也称为主切削力。(2) 垂直切削分力 FV作用在铣刀半径方向上，又称为径向铣削分力，它使铣刀刀杆有产生弯曲的趋势。(3) 背向力 FP 总切削力沿着铣刀轴向的力。对于直齿圆柱铣刀来说FP=0。加工零件材料为7010铝合金时，其粗铣切削圆周力F的计算公式为 11 (3-1)式中 切削深度，mm 每齿进给量，mm 切削宽度，mm 刀刃数 立铣刀直径，mm 转速，r/min。目前，受高速机床技术性能，刀具及工件材料加工性能等诸多因素的限制，典型的铝合金高速加工主轴转速一般在8000-35000r/min。用于加工零件的机床为三坐标龙门高速加工中心。根据现场的加工经验，取切削参数如下所示。mm，mm，mm，mm， r/min将以上数据代入公式(3-1)计算可得N则有NN则工件铣削时受到的切削合力N真空夹具夹紧力按下式计 12 (3-2)式中 夹紧力，N 夹具中真空腔的有效面积， m2 大气压强，Pa 夹具中真空腔内剩余气压，Pa 密封系数其中,Pa，Pa，取值为Pa，,取值为。加工过程中，切削力和切削力矩，通常是力图推动夹具支撑面上的工件并使其离开支撑面。阻止工件移动的两个力，是工件与夹具体支撑面之间的摩擦力和工件与密封圈接触面上的摩擦力。两个力之和应大于均匀作用的切削推力。但如密封圈与夹具体沟槽的参数不符时，工件与密封圈之间的摩擦力会使其产生侧向变形而是工件随着密封圈一起移动。结果，只能由工件与夹具体之间的接触面上的摩擦力阻止工件的移动。因此，在切削力的作用下，夹具工作可靠的条件是: (3-3)式中 摩擦系数 安全系数其中，则取，。由上述的3-1、3-2、3-3式联立可得代入数据后解得m2由计算结果可知，密封区域内的面积应不小于0.244m2。3.5 定位装置设计3.5.1 定位方式的确定工件在夹具中要先获得正确的定位，首先应正确选择定位基准，其次是选择合适的定位元件。工件定位时，工件的定位基准与夹具的定元件接触形成定位副。所谓的定位，工件在加工前相对于刀具和机床占有正确的位置。要使工件在夹具中完全定位，可用合理分布的六个支撑点限制工件的六个自由度，使工件在夹具中占有正确的位置。六点定位原理应注意以下几个主要问题。(1) 定位支撑点是定位元件抽象而来的。在夹具的实际结构中，定位支撑点是通过夹具体的定位元件体现的，即支撑点不一定用点或销的顶端，而常用面或线来代替。在夹具应用时，还可用窄长的平面代替直线，用较小的平面来代替点。(2) 定位支撑点与工件的定位基准面始终保持接触，才能起到约束自由度的作用。(3) 分析定位支撑点的定位作用时，不考虑力的影响。工件的某一自由度被约束，是指工件在某个坐标方向上有了确定的位置，并不是指工件在受到使其脱离定位支撑点的外力时不能移动。使工件在外力作用下不能移动，要靠夹紧来完成。工件的定位分类主要有以下几种：(1) 完全定位：工件在定位时，需要六个自由度全部被限制。(2) 不完全定位：只要满足加工精度的要求，六个自由度不一定需要全部的消除，只需限制应限制的自由度就可。(3) 欠定位:定位支撑点的实际数目少于应限制的自由度的数目。在实际的加工中，欠定位时绝对的不允许的。(4) 过定位：工件的六个自由度中，有一个或一个以上的自由度被重复限制。对于过定位，要具体情况具体分析，在某些情况下，过定位是允许的。常用的定位元件有支撑钉、支撑板、定位销、V形架等。在本次夹具的设计中，采用支撑板和大平面实现对工件的定位。如图3-4所示。图3-4 工件定位示意图由图分析可知，长定位块限制了工件一个自由度，即X方向的移动；短定位块限制了工件一个个自由度，即Y方向的移动；定位基准面则限制了工件的四个自由度，即Z方向的移动、X方向的转动、Y方向的转动和Z方向的转动，对此，工件实现完全定位，定位可靠。采用上述的定位方式主要有以下几个方面的优点。(1) 定位元件有良好的工艺性。定位块结构简单、合理，便于制造和更换。(2) 定位准确。两个定位板是紧靠在两个互相垂直的面上，在通过压板进行固定。工件在装夹时，只需紧紧的靠在定位块上即可，从而保证了定位的准确性。(3) 高效。工件在数控机床上加工时，通常是正反面进行加工，即程序员在编程时，要编出两个坐标系才能实现对工件的完整加工。此时，就出现了工件需要拉直、找正的问题。通常，毛坯在铣方的过程中，需要铣出两条互相垂直的边，用于工件的拉直。工件在加工之前，都需要进行拉直，否则加工出的零件是斜的或者是造成超出给定毛坯的范围，造成不必要的损失。在批量生产中，如果每装一次工件都要进行拉直的话，就大大的降低了生产效率。采用此种方式定位，则在加工时只需加工首件时拉直一次即可，以长定位块得长边进行拉直。之后的工件装夹上即可进行加工，大大的节省了拉直找正的时间，提高了生产效率，从而获得更大的经济效益。3.5.2 定位元件材料的确定夹具设计中对定位元件有如下基本要求。(1) 限位基面应有足够的精度。定位元件有足够的精度，才能保证工件的定位精度。(2) 限位基面应有较好的耐磨性。由于定位元件的工作表面经常与工件接触和摩擦，容易磨损，为此要求定位元件限位表面的耐磨性要好，以保持夹具的使用寿命和定位精度。(3) 定位元件应有足够的刚度和强度。工件在加工过程中，定位元件受工件重力、夹紧力和切削力的作用，因此要求定位元件应有足够的强度和刚度，避免使用中变形和损坏13。在工件定位过程中，需保证工件的定位基面与定位板基面紧密的贴合在一起，以保证足够的定位精度。由于工件为批量生产，量较大，则在长时间的定位工件的过程中，会造成定位板得磨损，为此，定位板的材料的耐磨性一定要好，同时保证一定的强度和刚度。45Mn，强度、韧性及淬透性均比45钢高，调质处理后可获得较好的综合力学性能，切削加工性能尚好，一般在调质状态下使用，也可在淬火和回火或正火状态下使用。用于制造受磨损的零件，如转轴、心轴、曲轴、花键轴、连杆、万向。它具有较高的强度、硬度、 耐磨性及良好的韧性，在油中临界淬透直径达1833mm；正火后可切削性良好，热处理工艺性能也都较好，高温下晶粒长大、氧化、脱碳倾向及淬火变形倾向均较小。综上所述，选择45Mn作为定位元件的材料。3.6 真空泵的选择真空泵是真空系统最基本的元件，它作为真空系统的动力源，直接提供系统所需的真空度。选用真空泵时，需要注意一下几点：(1) 真空泵在其工作压强下，应能排走真空设备工艺过程中产生的全部气体(2) 正确的组合真空泵。由于真空泵有选择性抽气，因而，有时选用一种泵不能满足抽气要求，需要几种泵组合起来，互相补充才能满足抽气要求。另外，有的真空泵不能再大气压下工作，需要预真空；有的真空泵出口压强低于大气压，需要前级泵，故都需要把泵组合起来使用。(3) 真空设备对油污染的要求。若设备严格要求无油时，应该选择各种无油泵，如水环泵、旋片泵等。如果要求不严格，可以选择有油泵，加上一些防油污染的措施。(4) 了解被抽气体的成分。气体中含不含有可凝蒸汽，有无颗粒灰尘，有无腐蚀性等。如果气体中含有蒸汽、颗粒、及腐蚀性气体，应该考虑在泵的进气管路上安装辅助设备，如冷凝器、除尘器等。(5) 真空泵工作时产生的振动对工艺过程的影响。若工艺过程不允许，应选择无振动的泵或者采取防振动措施平。在真空吸附系统中，常用的真空泵为水环式真空泵和罗茨泵。罗茨泵在泵腔内，有两个“8”字形的转子相互。罗茨泵的极限真空除取决于本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断的旋转，被抽气体从进气孔吸入到转子与泵可之间的空间内，再经排气孔排气孔排除。由于吸气后空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。但当转子顶部转过排气口边缘，密闭空间与排气孔相通，由于排气侧气体压强较高，则有一部分反冲到密闭空间内，是气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排除泵外。水环泵最初用作自吸水泵，而后逐渐的应用于石油、化工、机械、矿山、轻工、医药及食品等许多的工业部门。在工业生产中的许多工艺过程中，如真空过滤、真空吸水、真空送料、真空蒸发、真空浓度、真空回潮和真空脱气等，水环泵得到广泛的应用。水环真空泵时一种粗真空泵，由于真空技术的飞跃发展，水环泵在粗真空获得方面一直被人们所重视，由于水环泵中气体压缩是等温的，故可抽处易燃、易爆的气体，因此，水环泵的应用日益增多。水环式真空泵工作原理如图3-5所示。叶轮与泵体呈偏心配置，启动时向泵体内注入适量的工作液。当叶轮按图示箭头方向旋转时，沿泵体内壁形成旋转的液环，液环内表面与叶轮轮毂表面形成月牙形的工作腔，并被叶轮叶片分割成大小不等的十几个空腔。随着转子的旋转，此气腔在泵的吸气区体积逐渐增大，其内部压力下降，从而将气体吸入泵内；相反，气体在排气区体积逐渐减小，其内部压力上升，从而将气体排出泵外，从而完成吸气、压缩、排气三个工作阶段。图3-5 水环真空泵工作原理图水环式真空泵主要有一下几方面的优点。(1) 结构简单，制造精度要求不高，容易加工。(2) 结构紧凑，泵的转数较高，一般可与电动机直联，无需减速装置。故用小的结构尺寸，可以获得大的排气量，占地面积小。(3) 压缩气体基本上是等温的，即压缩气体过程温度变化很小。(4) 由于泵腔内没有金属摩擦表面，无需对泵内进行润滑，而且磨损很小。转动件和固定件之间的密封可直接有水封来完成。(5) 吸气均匀，工作平稳可靠，操作简单，维修方便。综上所述，真空泵的类型定位水环式真空泵下面将进行水环式真空泵规格的确定。由3-1、3-2和3-3可得出以下关系式：经过CATIA建模分析，真空腔内有效的接触面积为m2，则带入数据后计算可得MPa即真空泵提供的真空度应大于0.084693MPa，才能保证工件被；牢牢的夹紧。因此，根据本次真空夹具的设计要求，根据需要，查阅相关的资料，真空泵的型号