铝挤型散热片薄壁件加工工艺分析与夹具设计

摘 要：本文主要讲述了铝挤型散热片薄壁件在CNC加工中的夹具设计。在高精度、易变形的铝挤型散热片的加工中，在保证产品质量、精度的前提下，利用气动夹具装夹零件，操作方便，能大大地减轻劳动强度。气动反应速度快，可以一次装夹多个零件，因而在生产过程中能缩短装夹、对零、拆卸工件等辅助工前时间，提高劳动生产率，实际生产中还可以实现一人多机，节省投资成本，实现快速盈利。大批量的生产活动中还可以采用气动夹具通过电磁阀等电子元器件实现与设备联机实现自动化控制，进一步缩短加工过程中的辅助时间，使企业实现较大的盈利。

关键词：铝挤型散热片 夹具设计 气动装夹

铝挤型散热片由于热传导能力强﹑密度小﹑价格便宜，所以得到了各大厂商的青睐，普遍装载在电脑CPU、易发热电子元件的散热装置上，用途广泛。

图1所示为广州吉川机电装备有限公司加工的铝挤型散热片薄壁件，零件材料为AL6063铸件薄体，加工量为5000个。该零件的结构特点主要是由很多薄壁片组成，散热片厚度为1mm，高度为6mm，散热片不均匀地分布在最薄仅为2mm厚的底板上，而且需要多面体加工，加工难度高。按此加工本零件假如采用通用装夹的方式就容易出现变形、弯曲现象，且不能满足日常生产的效率。为了解决此难题，本文结合企业大批量生产的加工要求，分析并设计一套基于数控加工工序分散的工艺方案及二道加工工序气动快速装置，从而有效提高工件的生产效率和加工精度，应用效果良好。

一、工艺分析

1.零件加工工艺分析

此散热片在购买时外形尺寸是为213.5mm× 117.5mm，因此需要经过多个工序来完成。

工序一：裁剖，工序图如图2左图所示，采用普通夹具夹持即可。

工序二：CNC铣裁切边，工序图如图2右图所示，采用普通夹具夹持即可。

工序三：CNC铣背面及钻孔，工序图如图3所示。经过工序一和工序二的加工，零件外形尺寸为精料。为了批量生产和提高效率，这里设计了简单的工装定位装夹，如图4所示。依靠固定钳口及侧面定位，采用通用平口钳装夹，刚好是散热片的纵向（薄片的受力方向），装夹稳定可靠、方便、快速且经济。

工序四：CNC铣正面避位，工序图如图5所示。

工序五：碱洗。

工序六：抛光背面。

工序七：素检，平面度四周塞规全检，中心反面检一次。

工序八：电镀。

工序九：打铆钉。

通过对工序四的图纸分析可知，图中标注粗实线部位为该工序所加工的部位。从其结构可分析出，要完成这些加工部位会存在以下两个问题。

第一，散热片属薄壁零件、刚性差，如果还是采用工序三的装夹方式会存在夹紧力不好掌握的问题，夹紧力大了散热片会产生变形，留下压痕。夹紧力过小则会装夹不稳，加工时工件会产生位移。

第二，对于薄壁零件的加工，切削用量受到限制，切削深度和进给速度过大，散热片则会产生弯曲变形或产生“让刀”现象，切削深度和进给量过于小，则会影响生产效率。

2.确定零件加工工序四的装夹方案

对铝挤型散热片的综合分析比较得知，面对零件的外观和变形都有较严格的要求时，需制作专用夹具，来实现该零件的装夹并提高生产效益。

二、夹具设计

根据铝挤型散热片工序四的加工工艺分析可知，设计专用夹具可解决上述问题，夹具设计如图6所示。

1.定位元件设计

在工序三完成后，零件底面的孔已经加工完成，就是利用该零件上已加工的孔和定位板上表面实现“一面两销”定位。在定位板上设计六个圆柱，虽然属于重复定位，但为了保证刚度，所以需要重复定位（孔位置和加工部位重合，因此孔的深度较浅，孔和销的间隙较大）。同时，为防止压紧时产生过行程，压坏工件，根据工件的厚度，在定位块上特意设计出四个行程限制凸台。定位板最终设计如图7左图所示。

2.夹紧装置设计

根据工序四工艺分析，为解决夹紧力引起变形的问题，为保证夹紧时不把散热片压变形，尽量增大夹持面积，本夹具的方法是采用垂直向下压紧零件，以平面的形式和散热片顶面进行全面接触压紧；又为防止压伤工件，特在压紧板的下面沾上防压伤胶垫，设计如图8所示。

针对夹紧力设计时采用气动夹紧，这样就可以实现夹紧力可调并稳定，可以把夹紧力调到合适的大小。因此，在压紧板上设计四个带腰形通槽安装气缸，可快速安装零件并锁紧，大大提高人工装夹效率。

3.夹具体设计

夹具体是连接机床的本体元件，同时起着支撑定位元件的作用。根据夹具的设计要便于拆卸、通用性的原则，本夹具的夹具体采用较为简单的长方体底板，底板两边设计两块支撑板连接定位板，四个气缸根据对应位置放置在底板上，最后用压板压紧在机床的工作台上，结果如图6所示。

4.辅助元件设计

为了保证压紧板定位和重复定位精度，同时为了消除因气缸申缩时引起的振动，在定位板上设计安装辅助定位杆，在压紧板设计出对应的限位槽，结果如图6所示。

5.夹具的使用

夹具元件按夹具装配图装配好后，需要再次校正进行检查夹具的平行，定位板上的所有凸台最好是采用配做。检查无误后，把零件按照6个圆柱销进行定位放置，再把压紧板放入气缸伸缩杆的台阶位，推动压紧板到腰形通槽极限位置，拨动气压阀的拨杆，气缸伸缩杆回缩实现快速压紧工件的目的。工件完成后按安装相反步骤拿出压紧板，最后取出工件完成产品的加工，如图9所示。

6.夹紧力计算

在工作中，工件受切削力，所以要求夹具装置产生的夹紧力足够且自锁性能可靠，同时要综合考虑夹紧力不使工件或夹具变形。

本工件材料为AL6061铸件壳体，σb=370MPa，所有部位均采用成形刀加工，齒数为4齿，直径8mm，每齿进给量fz=0.2mm，切削宽度等于毛坯余量ae=0.8mm，则铣削力。

其中：CF——铣削力系数，查表取294；xFC——铣削宽度ae的指数，查表取1；yFC——每齿进给量fz的指数，查表取0.65；zFC——铣刀直径d的指数，查表取-0.83；ap——背吃刀量为0.8mm；Ze——同时工作齿数4。

则FC=294×0.5×0.20.65×8-0.83×0.8×4=58N

在计算切削力时应考虑安全系数。

安全系数K=K0·K1·K2·K3=1.7×1×1.4×1.2=2.856

其中：K0——基本安全系数，粗加工取大值1.5；K1——加工性质系数，粗加工取1.2；K2——刀具钝化系数，取1.2；K3——切削特点系数，连续切削取1.0。

则F=KFC=164.411N≈166kg。

根据气缸所需夹紧力公式：

Q=F/（i·η·n）

其中：η——气缸摩擦系统，取0.8；i——压板与工件的摩擦系统，取0.8；n——夹紧气缸个数，本夹具为4。

因此，气缸所需夹紧力为：Q=F/（i·η·n）=165/（0.8×0.8×4）=64kg。

7.气缸的选择

根据夹紧装置结构可知，气缸使用时是利用气缸的拉力作为其夹紧力。根据气缸输出力（气缸拉力）公式：

Q=P·（πD2/4）·η

其中：p——压缩空气压力=6MAP=6kg/cm2；D——气缸直径（cm）；η——气缸摩擦系统，取0.8。

根据气缸伸出力（气缸拉力）公式可知：

=4.12mm

通过以上理论计算，可以选择直径为6mm的气缸。但是，考虑到由于铣削过程中每个刀齿的不连续切削，作用于每个刀齿的切削力大小及方向随时都在变化，致使在铣削过程中产生较大的振动，因此，夹具需有足够的夹紧力。此外，考虑到工厂所供压缩空气压力不稳定、工件加工余量发生变化、零件材料缺陷，以及其他不可预见性因素的影响，为安全可靠起见，选择直径为10mm的气缸，夹紧力是远大于切削力，所以该夹紧方案稳定可靠。

三、小结

本夹具的设计遵循简单化、制作方便、拆装容易、便于品种更换的设计原则，保证零件在加工过程中不会产生弯曲变形、不压伤，质量得到保证。为了进一步提高效率，还设计出一次装夹加工多个零件，如图10所示。

经过大批量的生产证实，所确定的加工步骤和设计的夹具是合理的，能确保精度，从而减少加工成本。同时，此夹具的设计和原理可作为众多易变形零件的参考，也希望得到更多工程师们的指点，达到共同进步的目的。

参考文献：

[1]韩鸿鸾.数控加工工艺学（第三版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2011.

[2]李存霞，姬瑞海.机床夹具设计与应用[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3]宋宝玉.简明机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]王茂元.机械制造技术基础[M].北京：机械工业出版社，2007.

[5]附利金.气动夹具于铣销加工中的应用[J].化学工程与装备，2011（5）.

（作者單位：广东省高级技工学校）

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