浮動(dòng)卡具概覽：從航天領(lǐng)域走向普通零件生產(chǎn)

浮動(dòng)卡具最早在加工飛機(jī)蒙皮上被廣泛使用。由于蒙皮為曲面結(jié)構(gòu)，并且是薄壁零件，剛性極差，普通的裝夾方法無法滿足要求。在沒有浮動(dòng)卡具的時(shí)候，多采用化學(xué)銑的方法，一點(diǎn)一點(diǎn)地將蒙皮材料溶解掉，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且存在化學(xué)品污染的問題。

浮動(dòng)卡具由多個(gè)按矩陣排列的支撐桿組成，每一根桿可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，通過高度調(diào)整，可以將頭部組成一個(gè)曲面，與需要被加工的零件相符，各桿頭部為球形，配有萬向的吸盤，通過真空的方法，將零件吸緊，貼緊到頭部的球形表面，從而實(shí)現(xiàn)了定位和夾緊功能，而不需要其他的輔助方式進(jìn)行夾緊，整個(gè)被加工表面完全暴露在機(jī)床的加工區(qū)，沒有阻擋，非常適合于快速加工，如圖1所示。

圖1

浮動(dòng)卡具的各桿是單獨(dú)調(diào)節(jié)的，可以適應(yīng)各種形狀的零件，并且各桿的行程可以做得很大，一般50～800mm均可，可以適應(yīng)曲面變化較大的零件，也可以適應(yīng)有多個(gè)臺(tái)階的表面。各桿按移動(dòng)形式可以分為以下3種：

（1）液壓或氣動(dòng)式。利用三點(diǎn)定位的原理，將零件的主定位點(diǎn)支撐好，再向各輔助桿內(nèi)通以液壓油或壓縮空氣，將桿緩慢地推起，推向工件底面，當(dāng)桿頭部與工件接觸并產(chǎn)生一定的力后，將桿鎖緊，如圖2所示，在整個(gè)零件加工過程中，持續(xù)保持桿的鎖緊狀態(tài)，通過各桿的輔助支撐，減少剛性差的零件在加工過程中的振動(dòng)，平衡切削力，減少零件受力變形和讓刀的情況。

圖2

（2）電動(dòng)式。每一根桿的內(nèi)部由一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)和一根滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，可以通過數(shù)控程序?qū)γ恳桓鶙U的高度進(jìn)行主動(dòng)的、自動(dòng)的調(diào)節(jié)，可在安裝零件之前即將各桿的高度調(diào)整到位，將零件放置后，直接夾緊（如圖3）。由于事先已經(jīng)通過各桿頭部形成了零件的輪廓，將零件放上后，可以通過觀察各支撐點(diǎn)與零件的間隙，來判斷零件外表面形狀誤差，對(duì)于蒙皮這樣的薄板，還可以通過浮動(dòng)卡具進(jìn)行形狀校正，通過壓砂袋的方法，將蒙皮調(diào)整到理想的形狀。但這種形式的浮動(dòng)卡具的最大缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，各桿間的距離會(huì)受到電動(dòng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的影響， 只適用于專機(jī)固定化的使用。

圖3

（3）被動(dòng)式。各桿沒有自已的動(dòng)力，但均可以單獨(dú)運(yùn)行，在使用時(shí)，通過數(shù)控機(jī)床編程，利用主軸定位到各桿上方，通過專用的工具，由主軸將各桿拉到設(shè)計(jì)的高度，再鎖緊，這樣逐根桿地操作，最后將需要的各桿高度調(diào)節(jié)好，以適應(yīng)零件形狀。優(yōu)點(diǎn)是較為緊湊、柔性好、易于維護(hù)，適用于移動(dòng)使用和小批量生產(chǎn)，存在的問題是調(diào)整時(shí)間較長。

浮動(dòng)卡具的關(guān)鍵部分有兩點(diǎn)，一個(gè)是“浮動(dòng)”，即可以通過各桿的調(diào)整，將卡具變換為適應(yīng)工件的裝夾系統(tǒng)；另一個(gè)就是“卡具”。這里所說的“卡”是指需要各桿能夠在任何需要的位置停下來， 并且承受一定的工件自重和加工力量，要有一定的剛性。

圖4

一般用于浮動(dòng)卡具抱緊的是液壓脹緊機(jī)構(gòu)。圖4所示的MATRIX公司產(chǎn)品，其工作原理如圖5所示，當(dāng)3號(hào)件軸向運(yùn)動(dòng)到正確的位置后，通過進(jìn)油孔對(duì)液壓油或液體塑料加壓，即可以件1塑料密封壁變形，作用到件6金屬襯套后，就可以將件3抱緊。

圖5

由于液壓油或液體塑料的不可壓縮性，只要給進(jìn)油孔一定的壓力，力量就會(huì)均勻分散到整個(gè)圓柱面上，產(chǎn)生穩(wěn)定的抱緊力，確保各桿能夠在加工過程中，始終保持在固定的位置。利用液壓聯(lián)通器的原理，對(duì)于各桿可以方便地通過控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以單獨(dú)控制，也可以成批控制。對(duì)于自動(dòng)化要求不高、需要結(jié)構(gòu)緊湊的場合，還可以將加壓機(jī)構(gòu)直接制作在各桿上，利用類似加工刀具液壓刀柄的結(jié)構(gòu)，可以方便地實(shí)現(xiàn)定位和支撐功能。對(duì)于工件支撐面不平的問題，使用帶球鉸鏈的浮動(dòng)卡具，仍能確保支撐桿吸住工件，避免工件上下振動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生，如圖6所示。

圖6

來看一個(gè)大直徑、小斷面尺寸環(huán)類零件的案例，其中一個(gè)端面堆焊了合金材料，需要磨削端面，以往的做法是通過端面墊塞尺的方法，一點(diǎn)一點(diǎn)將零件底面墊實(shí)，再進(jìn)行磨削，經(jīng)過多次操作，才能將端面磨平，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，并且經(jīng)常出現(xiàn)平面度或厚度尺寸超差的現(xiàn)象。

圖7

受MATRIX公司產(chǎn)品（見圖7）的啟發(fā)，如圖8所示，經(jīng)過對(duì)浮動(dòng)卡具的改造，將工件放到多個(gè)可以單獨(dú)調(diào)整的圓柱上，圓柱底部用彈簧支撐，將零件直接放到圓柱端面上，各圓柱可以自動(dòng)調(diào)整高度，適應(yīng)工件端面形狀，鎖緊各圓柱后，即可磨削，翻轉(zhuǎn)1～2次，即可以將平面磨平，可以輕松達(dá)到平面度0.02mm的要求。

圖8

浮動(dòng)卡具的柔性特點(diǎn)逐漸被認(rèn)同，開始從高端的飛機(jī)蒙皮加工走向普通零件的生產(chǎn)，特別是對(duì)于單個(gè)且剛性不足的零件生產(chǎn)，有著特殊的應(yīng)用價(jià)值，可以極大地節(jié)省定位、裝夾時(shí)間，提高裝夾精度，減少加工過程中因切削力產(chǎn)生的振動(dòng)或變形。