王新寬 黃 文 吉 方 何建國(guó)

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900）

工裝夾具是保證被加工工件在機(jī)床上獲得正確的位置，并在加工中防止由于切削力造成工件位置改變及工件變形的一種重要工藝設(shè)備［1］。工裝的性能較大程度地影響著零件和產(chǎn)品的加工質(zhì)量，高效、高可靠性的工裝可以極大地提高機(jī)械加工和檢測(cè)的效率［2］。近年來(lái)，激光核聚變工程中大量用到高精度的圓柱形棒狀光學(xué)元件，此類元件規(guī)格繁多，重量不一，在實(shí)際的加工過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行高效、高可靠性的裝夾是一個(gè)難題，為此，必須對(duì)該類工件的夾持工裝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。滿足工件加工面的調(diào)平精度需要是對(duì)調(diào)平工裝的基本要求。當(dāng)前許多工裝主要是通過(guò)調(diào)節(jié)工裝上的調(diào)節(jié)螺釘或可調(diào)支座來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)平，由于在調(diào)平過(guò)程中需要調(diào)節(jié)不同的支撐點(diǎn)以及存在制造誤差，將會(huì)導(dǎo)致同一平面內(nèi)不同調(diào)平方向的相互影響和干擾，即存在調(diào)平耦合，致使調(diào)整工作出現(xiàn)反復(fù)，制約了調(diào)平的效率［3－4］。本文針對(duì)圓柱形棒狀工件的夾持和調(diào)平需求，介紹了一種新型結(jié)構(gòu)的調(diào)平工裝，采用的調(diào)平方法具有良好的解耦作用，能夠快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)工件加工表面的調(diào)平?；谠摴ぱb在實(shí)際使用中存在的不足，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的調(diào)平工裝的裝夾能力得到拓展，可靠性顯著增強(qiáng)，能夠更好地滿足光學(xué)元件的精密加工需求。

1 調(diào)平工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)平工裝結(jié)構(gòu)

調(diào)平工裝的結(jié)構(gòu)如圖1所示，整套工裝由夾持機(jī)構(gòu)和調(diào)平機(jī)構(gòu)兩部分組成，其中夾持部分主要包括卡爪、襯套、立板、加強(qiáng)板、底板等零部件，調(diào)平部分主要包括連接板、調(diào)平臺(tái)、調(diào)平旋鈕等?？ㄗνㄟ^(guò)螺栓固定在立板上，立板通過(guò)螺釘垂直固定在底板上，加強(qiáng)板同立板和底板分別緊固連接，用以保證夾持部分的強(qiáng)度和剛度。調(diào)平臺(tái)共設(shè)有兩個(gè)，上調(diào)平臺(tái)固定在下調(diào)平臺(tái)的臺(tái)面上，調(diào)平方向相互垂直。底板的尺寸同調(diào)平臺(tái)的臺(tái)面尺寸一致，夾持部分通過(guò)底板固定在上調(diào)平臺(tái)的臺(tái)面上。下調(diào)平臺(tái)通過(guò)螺釘同連接板緊密連接。整套工裝通過(guò)連接板緊固在機(jī)床工作臺(tái)上。工裝夾持部分各零部件采用硬鋁制作，調(diào)平部分各零部件采用40Cr制造，整套工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形美觀，拆裝方便。

1.2 調(diào)平工裝夾持方案

在機(jī)械加工中，對(duì)金屬工件多采用壓板和墊塊組合的方式進(jìn)行裝夾，由于夾緊力難以控制，很容易造成工件的變形。本文設(shè)計(jì)的工裝如圖1所示，圓柱工件的兩端面為加工面，要求較高的面形精度。為了避免夾持過(guò)程中損傷加工表面，本工裝選取工件的圓柱側(cè)面為夾持面，采取對(duì)工件“抱裝”的方式夾持，這樣在滿足機(jī)床Z向行程的前提下，可以靈活地選擇裝夾方位。對(duì)工件的夾持主要由卡爪來(lái)完成，卡爪共設(shè)有上、下兩個(gè)，均通過(guò)螺栓固定在立板上，每個(gè)卡爪分為前卡和后卡兩部分，通過(guò)鉸鏈連接。卡爪在立板上的位置可改變，用以滿足不同軸向尺寸工件的夾持需要。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同徑向尺寸工件的裝夾，工裝中設(shè)計(jì)了系列化規(guī)格的襯套，每種規(guī)格的襯套中設(shè)計(jì)有相應(yīng)規(guī)格的V形槽。襯套由聚四氟乙烯材料制作，可減小工件的夾持變形。對(duì)工裝加工和裝配時(shí)，必須保證上、下卡爪中心的同軸度。工件在卡爪中的位置確定以后，通過(guò)蝶形螺母把上、下卡爪的前卡和后卡分別鎖死，則工件即被可靠夾持。

2 調(diào)平工裝調(diào)平原理

2.1 調(diào)平方法

工件在工裝中裝夾完成以后，其加工面的調(diào)平主要通過(guò)空間二維角度調(diào)平方法實(shí)現(xiàn)。二維角度調(diào)平基于升高低點(diǎn)調(diào)平技術(shù)，該原理易于實(shí)現(xiàn)，控制效果好，即通過(guò)不斷升高待調(diào)平面中的較低點(diǎn)直至所有點(diǎn)的高度相同，其技術(shù)關(guān)鍵是如何確定各低點(diǎn)應(yīng)該升高的高度，以及采取何種措施來(lái)精確控制各低點(diǎn)的升高量［5］。本工裝通過(guò)千分表打表測(cè)量的方法來(lái)確定加工面上各點(diǎn)的升高量，千分表的磁力表座固定在機(jī)床的Z軸上，表針適當(dāng)接觸工件加工面。調(diào)平過(guò)程中，機(jī)床Z軸不動(dòng)，工裝隨機(jī)床工作臺(tái)沿X軸和Y軸移動(dòng)，測(cè)量的基面為機(jī)床的XY平面，通過(guò)調(diào)平臺(tái)臺(tái)面的弧擺運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工件加工面上各點(diǎn)Z向坐標(biāo)的變化。整套工裝共設(shè)置有兩個(gè)調(diào)平臺(tái)，下調(diào)平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)工件加工面X向的調(diào)平，上調(diào)平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)加工面Y向的調(diào)平。為減少迭代次數(shù)以提高調(diào)平效率，需要解除不同調(diào)節(jié)方向的耦合。本工裝中上、下調(diào)平臺(tái)的調(diào)平方向相互垂直，較好地避免了傳統(tǒng)三點(diǎn)調(diào)平各支撐點(diǎn)之間的干擾，減少了調(diào)平的反復(fù)，具有較高的調(diào)平效率。調(diào)平臺(tái)內(nèi)部設(shè)計(jì)有精密蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)旋鈕同蝸桿固聯(lián)，調(diào)平臺(tái)面同蝸輪固聯(lián)，旋動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕即可驅(qū)動(dòng)調(diào)平臺(tái)臺(tái)面進(jìn)行弧擺運(yùn)動(dòng)。

調(diào)平時(shí)，先通過(guò)千分表打表找到X向的低點(diǎn)，旋動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕緩慢增大該點(diǎn)的Z向坐標(biāo)，若過(guò)調(diào)則反向旋動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕降低該點(diǎn)的Z向坐標(biāo)，直至X向的調(diào)平精度滿足要求。用同樣的方法調(diào)節(jié)另一調(diào)平臺(tái)，使Y向的調(diào)平精度也滿足加工要求。由兩條相交直線決定一個(gè)平面的幾何原理可知，若加工面內(nèi)X向和Y向都已實(shí)現(xiàn)調(diào)平，則該加工面即被調(diào)平。調(diào)平臺(tái)內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的強(qiáng)度和剛性，蝸輪、蝸桿結(jié)構(gòu)自身具有自鎖功能，用以保持運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的調(diào)平精度。

2.2 調(diào)平精度分析

調(diào)平工裝主要通過(guò)調(diào)平臺(tái)臺(tái)面的弧擺實(shí)現(xiàn)工件表面的調(diào)平，為分析其調(diào)平精度，必須計(jì)算出臺(tái)面擺動(dòng)最小角度（分辨率）時(shí)工件表面各點(diǎn)的最大高度變化。

（1）Y向調(diào)平精度分析

如圖2所示，Y向調(diào)平時(shí)，下調(diào)平臺(tái)臺(tái)面不擺動(dòng)。工件隨上調(diào)平臺(tái)臺(tái)面擺動(dòng)時(shí)，加工面上Y向邊緣點(diǎn)的Z向高度變化最大，且工件尺寸越大，加工面上各點(diǎn)Z向高度變化越大，也即工裝的調(diào)平精度越差（本工裝針對(duì)不同尺寸的工件具有不同的調(diào)平精度）。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，調(diào)平臺(tái)臺(tái)面弧擺中心O距臺(tái)面的垂直高度為169 mm，調(diào)平臺(tái)Z向高度為100 mm，調(diào)節(jié)范圍為±10°，調(diào)平臺(tái)分辨率β=3〃≈0.000 833°，工裝可夾持最大工件規(guī)格為φ100 mm×500 mm。不失一般性，假定工件初始位置為OA，繞回轉(zhuǎn)中心O順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)最小角度β時(shí)，工件旋轉(zhuǎn)到新位置OA'（Y向邊緣點(diǎn)由初始位置A旋轉(zhuǎn)到A'），設(shè)∠A'OO2= α，∠AOA'= β，AO=L，AO1=H1，A'O2=H2，則邊緣點(diǎn)A在Z向的高度變化為:

（2）X向調(diào)平精度分析

工裝X向調(diào)平精度的推理過(guò)程同Y向類似。如圖3所示，X向調(diào)平時(shí)，上調(diào)平臺(tái)臺(tái)面不擺動(dòng)，并且和工件一起隨下調(diào)平臺(tái)臺(tái)面擺動(dòng)。工件由初始位置為OA繞下調(diào)平臺(tái)臺(tái)面弧擺中心O轉(zhuǎn)動(dòng)角度β后到新位置OA'，由前述推導(dǎo)過(guò)程可知，工件X向邊緣點(diǎn)A在Z向的高度變化為:

綜上分析，針對(duì)本工裝所能夾持的各種規(guī)格的工件，調(diào)平過(guò)程中，工件加工面上各點(diǎn)均能實(shí)現(xiàn)3.5 μm以內(nèi)的最小Z向變化，即該調(diào)平工裝對(duì)這類工件的調(diào)平精度優(yōu)于3.5 μm。

3 調(diào)平工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化

工裝設(shè)計(jì)完成以后，在使用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝夾徑向尺寸和軸向尺寸均較大的圓柱棒狀工件時(shí)，調(diào)平較為費(fèi)力，原因主要是由于夾持部分和工件的重心偏離上調(diào)平臺(tái)弧擺中心較遠(yuǎn)（圖1），存在一個(gè)顛覆力矩。當(dāng)工件重量較大時(shí)，過(guò)大的顛覆力矩會(huì)引起調(diào)平臺(tái)內(nèi)部蝸輪、蝸桿牙側(cè)的輕微變形，從而導(dǎo)致旋動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕費(fèi)力。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)調(diào)平工裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的工裝結(jié)構(gòu)如圖4所示，改進(jìn)后的主要優(yōu)點(diǎn)如下:（1）對(duì)調(diào)平工裝的夾持部分特別是加強(qiáng)筋的數(shù)量、布置方式和布置方位進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使調(diào)平過(guò)程中夾持部分和工件的重心投影始終在臺(tái)面以內(nèi)，這樣可以保證調(diào)平臺(tái)只承受較小的顛覆力矩，避免了在對(duì)大重量工件調(diào)平時(shí)調(diào)節(jié)費(fèi)力的問(wèn)題。而且改進(jìn)后工件軸線同調(diào)平臺(tái)弧擺中心的直線距離縮短，由前述精度推導(dǎo)過(guò)程可知工裝的調(diào)平精度得到了提高。（2）原有工裝調(diào)平后的精度保持主要依靠調(diào)平臺(tái)內(nèi)部蝸輪、蝸桿機(jī)構(gòu)的自鎖功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，但機(jī)床工作臺(tái)在較大振動(dòng)、沖擊等極端情況下，蝸輪、蝸桿摩擦副可能會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，自鎖性被破壞，致使調(diào)平精度喪失?；谝陨峡紤]，優(yōu)化后的工裝在兩調(diào)平臺(tái)上均設(shè)置了鎖緊機(jī)構(gòu)。工件加工表面被調(diào)平以后，旋緊鎖緊機(jī)構(gòu)上的旋鈕，可以確保調(diào)平臺(tái)臺(tái)面在振動(dòng)、沖擊等情況下也不會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，工裝的調(diào)平精度保持性和可靠性都得到了提升。（3）本工裝主要用于夾持圓柱形棒狀工件，但在實(shí)際加工過(guò)程中，難免會(huì)遇到一些薄型盤狀工件的夾持問(wèn)題，原有工裝的夾持方法顯然對(duì)這類工件難以奏效。真空吸附作為機(jī)械加工中的一種常用方法，能夠平穩(wěn)地吸緊工件，又不易對(duì)被裝夾工件的表面造成損傷，非常適合于夾持厚度較薄、表面光滑的金屬和非金屬元件，為后續(xù)的工序奠定良好的基礎(chǔ)［6－8］?；诖?，優(yōu)化后的調(diào)平工裝設(shè)計(jì)了吸盤，吸盤上表面具有較高的平面度并設(shè)有氣路，吸盤下部開設(shè)有真空吸附接口。裝夾薄型工件時(shí)，先用上卡爪夾緊吸盤，再把工件放置在吸盤上表面，打開真空吸附，則工件即被牢固夾持。顯然，優(yōu)化后的調(diào)平工裝的裝夾功能得到了增強(qiáng)，適應(yīng)能力得到了拓展。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的調(diào)平工裝，該工裝能夠夾持多種規(guī)格的圓柱形棒狀光學(xué)元件。采用的調(diào)平方法能夠快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)工件加工表面的調(diào)平，調(diào)平的效率和精度高。對(duì)調(diào)平工裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化后工裝的使用性能、可靠性以及適應(yīng)能力都得到了較大的提升。

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