朱 浩， 龍敦鵬

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 株州 412000）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在進(jìn)行薄壁件加工時(shí)使用的柔性夾具也不斷更新與升級。目前，有一種新型的柔性夾具，能對一定尺寸范圍內(nèi)任何形狀和尺寸的零件進(jìn)行安裝，在安裝的過程也不會受到薄壁件的影響，能夠克服薄壁件在加工過程中產(chǎn)生的裝夾變形，為加工質(zhì)量和加工效率等提供了技術(shù)保證。

1 相變材料夾具分類

零件加工時(shí)采用相變材料夾具，須將零件放置于液相材料內(nèi)，通過一定程度的刺激，液相材料能夠在物理形態(tài)上發(fā)生變化，由最初的液態(tài)化為固態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對零件的固定[1]。

一般情況下，相變材料的夾具包括真相變材料夾具和偽相變材料夾具。真相變材料夾具在工作的過程中真正實(shí)現(xiàn)了材料形態(tài)的變化，從最初的液態(tài)經(jīng)過外力作用等變成了固態(tài)，在加工完畢后，其材料又會重新進(jìn)行歸位，從固態(tài)又轉(zhuǎn)變成液態(tài)。偽相變材料夾具指的是在夾緊過程中，材料的流動性在外界因素的作用下發(fā)生了一定的變化。在進(jìn)行零件安裝的時(shí)候，材料的狀態(tài)相對比較疏松，有助于夾緊，可實(shí)現(xiàn)工件的固定，保持材料的狀態(tài)穩(wěn)定性，就可保證安裝效果。在工件正式安裝后，對這些懸浮顆粒介質(zhì)施加壓力，在這樣的狀態(tài)下懸浮顆粒往往不能進(jìn)行流動，可實(shí)現(xiàn)對工件的固定，將其進(jìn)行定位和夾緊。

真相變材料夾具主要有溫度流變材料夾具、電流變材料夾具和磁流變夾具三種。

溫度流變材料夾具主要有冰固夾具、石蠟夾具和低熔點(diǎn)合金夾具。冰固夾具在進(jìn)行工作的時(shí)候，將需要加工的夾具放置到夾具座上的水中，然后等待液態(tài)水在一定條件下冷卻成冰，從而實(shí)現(xiàn)對零件的凍結(jié)，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對零件的加工。在正式加工完成后，融化包裹夾具的冰，就可順利將夾具取出。這種夾具在實(shí)際應(yīng)用中，主要是對導(dǎo)熱差的非金屬不規(guī)則零件進(jìn)行磨削加工，是一種最為環(huán)保而且成本較低的材料。但是這種材料在實(shí)際的應(yīng)用中，由于室溫的原因，有可能冰融化為水，從而影響其夾緊功能的正常發(fā)揮。石蠟成本比低熔點(diǎn)合金的成本要低，這看起來似乎是一件好事，但是由于其強(qiáng)度較低，在現(xiàn)實(shí)中很難大量推廣和應(yīng)用。低熔點(diǎn)合金夾具在應(yīng)用中較為廣泛，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，主要是應(yīng)用在方箱工藝中，通過使用低熔點(diǎn)合金，實(shí)現(xiàn)葉片和方箱的澆筑和結(jié)合，從而完成對葉片的加工[2]。

電流變材料和磁流變材料的夾具，其主要技術(shù)缺點(diǎn)是強(qiáng)度較低，盡管磁流變夾具在實(shí)際工作中，可以通過外力的作用對強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)化，但是強(qiáng)化之后仍不能達(dá)到實(shí)際所需的標(biāo)準(zhǔn)，而且在對其進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，還需借助于加壓機(jī)構(gòu)，操作比較困難。

2 相變材料夾具的研究進(jìn)展

國外的研究人員在對相變材料夾具進(jìn)行具體研究時(shí)，先后提出了能夠裝夾不同尺寸和形式的柔性夾具是整個(gè)夾具制造和發(fā)展工藝的關(guān)鍵、真相變夾具和偽相變夾具等理論、概念。在對偽相變夾具進(jìn)行研究的過程中，相關(guān)研究人員建立了數(shù)字模型，并分析了夾緊參數(shù)和夾緊力之間的關(guān)系[3]，提出了自適應(yīng)夾具設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)對其應(yīng)用效果進(jìn)行了詳細(xì)的驗(yàn)證。研究人員還做了在對大工件進(jìn)行平面加工時(shí)應(yīng)用電流變材料的夾緊實(shí)驗(yàn)，提出了基于低熔點(diǎn)合金包裹的無參考工件裝夾技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜零件的加工。利用這種工藝能夠?qū)崿F(xiàn)對各種形式的零件的裝夾，而且也簡化了工藝。

我國從1998 年開始有關(guān)于相變夾緊材料的報(bào)道，康忠民教授和劉璇教授針對相變夾緊材料提出的理論，主要包括溫度相變的石蠟夾具、相變材料柔性夾具等，對它們的特點(diǎn)和工作原理等都進(jìn)行了詳細(xì)和系統(tǒng)的介紹[4]。除此之外，李智蓓教授也實(shí)施并開展了對RFPE 材料的詳細(xì)研究，在對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，依靠材料的切削性能、固化收縮性能以及強(qiáng)度等，首先對封裝材料進(jìn)行了一定的選擇，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對因工序轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的誤差分析。該技術(shù)在應(yīng)用過程中實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)夾具實(shí)驗(yàn)的突破，具有廣闊的應(yīng)用前景，特別適用于新產(chǎn)品的開發(fā)，尤其是復(fù)雜、多工序工件的加工。但是，在實(shí)際的應(yīng)用中也存在著一定的局限性，在對一般材料進(jìn)行加工時(shí)，并不需要對其進(jìn)行全部封裝，如果在加工過程中對其進(jìn)行全部封裝，會造成材料浪費(fèi)。

3 新型低熔點(diǎn)相變材料柔性夾具

目前市場上柔性夾具的應(yīng)用主要包括可調(diào)夾具和組合夾具兩種。前者在應(yīng)用中主要是對同一類型的零件進(jìn)行加工，在加工中利用可調(diào)夾具可以實(shí)現(xiàn)自由、靈活地調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)夾具，滿足安裝需要。而另一類主要指的是組合夾具，主要是通過模塊化和系統(tǒng)化的部件組合而成，這種夾具雖然存在一定的優(yōu)勢，但是也具有明顯的不足。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)部件組合的良好效果，對其部件的質(zhì)量要求較高，導(dǎo)致成本增加，而且組合夾具剛度較差，不能適應(yīng)重切削。對不規(guī)則的零件也不能進(jìn)行裝夾。在裝夾結(jié)束之后，需要對其進(jìn)行裝配和調(diào)試，技術(shù)要求較高，在實(shí)際生產(chǎn)加工中必須安排專業(yè)人員對其進(jìn)行集中管理，管理成本較大。

國內(nèi)外學(xué)者在不斷嘗試著創(chuàng)建新的柔性夾具，使其在工作中不受到零件結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜零件的裝夾。呂彥明教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)提出了利用低熔點(diǎn)合金為相變材料的柔性夾具能夠在工作狀態(tài)中，實(shí)現(xiàn)對不同類型和不同尺寸的零件進(jìn)行夾緊，也不會受到零件位置的限制。在進(jìn)行實(shí)際的操作中，利用柔性夾具將工件定位在合適的位置之后，加注液相材料，并在一定的條件的作用和影響之下，使其能夠轉(zhuǎn)換成固相材料，實(shí)現(xiàn)對零件的夾緊。這一實(shí)驗(yàn)的成功真正實(shí)現(xiàn)了柔性裝夾，也就是說在進(jìn)行零件裝夾的時(shí)候，只需要借助一個(gè)設(shè)備和機(jī)器，就能夠?qū)崿F(xiàn)對不同形狀、不同尺寸甚至是不同部位的零件準(zhǔn)確夾緊。在實(shí)際加工制造時(shí)，能夠有效縮短裝夾時(shí)間，提高工作效率，對提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。

相變材料選擇低熔點(diǎn)合金，能實(shí)現(xiàn)對定位件、夾緊體的有效連接。對不同的零件進(jìn)行加工時(shí)，只需要將低熔點(diǎn)合金熔化，重新選用調(diào)整定位及夾緊體固定零件，就可以實(shí)現(xiàn)對不同形狀的零件夾緊，靈活性強(qiáng)[5]。而且相變材料可以重復(fù)使用，其熔點(diǎn)相對較低，在進(jìn)行熔化的過程中對于零件的機(jī)械性能影響很小。該技術(shù)在使用中有較多的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對任意材料的夾緊，在使用中不會受零件形狀、位置以及尺寸大小等方面的限制，而且當(dāng)所加工的材料剛性較差時(shí)，可以向里面加入一些合金材料增強(qiáng)零件的剛性。種類少、成本和消耗低，而且定位和夾緊的位置是可以隨意調(diào)動的，靈活性強(qiáng)，定位精度高，夾緊速度快，能夠滿足對各種形式零件的夾緊。

4 結(jié)語

結(jié)合國內(nèi)外的相關(guān)研究情況，對相變材料的研究進(jìn)行了具體的闡述和分析，并且基于技術(shù)的進(jìn)步和時(shí)代的發(fā)展，提出了一種新興的柔性夾具，即低熔點(diǎn)相變材料的柔性夾具，能夠真正實(shí)現(xiàn)對不同尺寸和形狀的零件的快速夾緊安裝。