浮动卡具发展历程及其分类详解
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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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【浮动卡具发展历程及其分类详解】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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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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