浮动卡具概览：从航天领域走向普通零件生产

这是夹具侠（jiajoin）发布的第 1533 篇技术文章

浮动卡具最早在加工飞机蒙皮上被广泛使用。由于蒙皮为曲面结构，并且是薄壁零件，刚性极差，普通的装夹方法无法满足要求。在没有浮动卡具的时候，多采用化学铣的方法，一点一点地将蒙皮材料溶解掉，费时费力，并且存在化学品污染的问题。

浮动卡具由多个按矩阵排列的支撑杆组成，每一根杆可以单独运动，通过高度调整，可以将头部组成一个曲面，与需要被加工的零件相符，各杆头部为球形，配有万向的吸盘，通过真空的方法，将零件吸紧，贴紧到头部的球形表面，从而实现了定位和夹紧功能，而不需要其他的辅助方式进行夹紧，整个被加工表面完全暴露在机床的加工区，没有阻挡，非常适合于快速加工，如图1所示。

图1

浮动卡具的各杆是单独调节的，可以适应各种形状的零件，并且各杆的行程可以做得很大，一般50～800mm均可，可以适应曲面变化较大的零件，也可以适应有多个台阶的表面。各杆按移动形式可以分为以下3种：

（1）液压或气动式。利用三点定位的原理，将零件的主定位点支撑好，再向各辅助杆内通以液压油或压缩空气，将杆缓慢地推起，推向工件底面，当杆头部与工件接触并产生一定的力后，将杆锁紧，如图2所示，在整个零件加工过程中，持续保持杆的锁紧状态，通过各杆的辅助支撑，减少刚性差的零件在加工过程中的振动，平衡切削力，减少零件受力变形和让刀的情况。

图2

（2）电动式。每一根杆的内部由一个伺服电动机和一根滚珠丝杠驱动，可以通过数控程序对每一根杆的高度进行主动的、自动的调节，可在安装零件之前即将各杆的高度调整到位，将零件放置后，直接夹紧（如图3）。由于事先已经通过各杆头部形成了零件的轮廓，将零件放上后，可以通过观察各支撑点与零件的间隙，来判断零件外表面形状误差，对于蒙皮这样的薄板，还可以通过浮动卡具进行形状校正，通过压砂袋的方法，将蒙皮调整到理想的形状。但这种形式的浮动卡具的最大缺点是结构复杂、成本高，各杆间的距离会受到电动机等执行机构的影响， 只适用于专机固定化的使用。

图3

（3）被动式。各杆没有自已的动力，但均可以单独运行，在使用时，通过数控机床编程，利用主轴定位到各杆上方，通过专用的工具，由主轴将各杆拉到设计的高度，再锁紧，这样逐根杆地操作，最后将需要的各杆高度调节好，以适应零件形状。优点是较为紧凑、柔性好、易于维护，适用于移动使用和小批量生产，存在的问题是调整时间较长。

浮动卡具的关键部分有两点，一个是“浮动”，即可以通过各杆的调整，将卡具变换为适应工件的装夹系统；另一个就是“卡具”。这里所说的“卡”是指需要各杆能够在任何需要的位置停下来， 并且承受一定的工件自重和加工力量，要有一定的刚性。

图4

一般用于浮动卡具抱紧的是液压胀紧机构。图4所示的MATRIX公司产品，其工作原理如图5所示，当3号件轴向运动到正确的位置后，通过进油孔对液压油或液体塑料加压，即可以件1塑料密封壁变形，作用到件6金属衬套后，就可以将件3抱紧。

图5

由于液压油或液体塑料的不可压缩性，只要给进油孔一定的压力，力量就会均匀分散到整个圆柱面上，产生稳定的抱紧力，确保各杆能够在加工过程中，始终保持在固定的位置。利用液压联通器的原理，对于各杆可以方便地通过控制系统进行控制，可以单独控制，也可以成批控制。对于自动化要求不高、需要结构紧凑的场合，还可以将加压机构直接制作在各杆上，利用类似加工刀具液压刀柄的结构，可以方便地实现定位和支撑功能。对于工件支撑面不平的问题，使用带球铰链的浮动卡具，仍能确保支撑杆吸住工件，避免工件上下振动的现象发生，如图6所示。

图6

来看一个大直径、小断面尺寸环类零件的案例，其中一个端面堆焊了合金材料，需要磨削端面，以往的做法是通过端面垫塞尺的方法，一点一点将零件底面垫实，再进行磨削，经过多次操作，才能将端面磨平，费工费时，并且经常出现平面度或厚度尺寸超差的现象。

图7

受MATRIX公司产品（见图7）的启发，如图8所示，经过对浮动卡具的改造，将工件放到多个可以单独调整的圆柱上，圆柱底部用弹簧支撑，将零件直接放到圆柱端面上，各圆柱可以自动调整高度，适应工件端面形状，锁紧各圆柱后，即可磨削，翻转1～2次，即可以将平面磨平，可以轻松达到平面度0.02mm的要求。

图8

浮动卡具的柔性特点逐渐被认同，开始从高端的飞机蒙皮加工走向普通零件的生产，特别是对于单个且刚性不足的零件生产，有着特殊的应用价值，可以极大地节省定位、装夹时间，提高装夹精度，减少加工过程中因切削力产生的振动或变形。

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