浮動卡具概覽：從航天領域走向普通零件生產

浮動卡具最早在加工飛機蒙皮上被廣泛使用。由于蒙皮為曲面結構，并且是薄壁零件，剛性極差，普通的裝夾方法無法滿足要求。在沒有浮動卡具的時候，多采用化學銑的方法，一點一點地將蒙皮材料溶解掉，費時費力，并且存在化學品污染的問題。

浮動卡具由多個按矩陣排列的支撐桿組成，每一根桿可以單獨運動，通過高度調整，可以將頭部組成一個曲面，與需要被加工的零件相符，各桿頭部為球形，配有萬向的吸盤，通過真空的方法，將零件吸緊，貼緊到頭部的球形表面，從而實現了定位和夾緊功能，而不需要其他的輔助方式進行夾緊，整個被加工表面完全暴露在機床的加工區，沒有阻擋，非常適合于快速加工，如圖1所示。

圖1

浮動卡具的各桿是單獨調節的，可以適應各種形狀的零件，并且各桿的行程可以做得很大，一般50～800mm均可，可以適應曲面變化較大的零件，也可以適應有多個臺階的表面。各桿按移動形式可以分為以下3種：

（1）液壓或氣動式。利用三點定位的原理，將零件的主定位點支撐好，再向各輔助桿內通以液壓油或壓縮空氣，將桿緩慢地推起，推向工件底面，當桿頭部與工件接觸并產生一定的力后，將桿鎖緊，如圖2所示，在整個零件加工過程中，持續保持桿的鎖緊狀態，通過各桿的輔助支撐，減少剛性差的零件在加工過程中的振動，平衡切削力，減少零件受力變形和讓刀的情況。

圖2

（2）電動式。每一根桿的內部由一個伺服電動機和一根滾珠絲杠驅動，可以通過數控程序對每一根桿的高度進行主動的、自動的調節，可在安裝零件之前即將各桿的高度調整到位，將零件放置后，直接夾緊（如圖3）。由于事先已經通過各桿頭部形成了零件的輪廓，將零件放上后，可以通過觀察各支撐點與零件的間隙，來判斷零件外表面形狀誤差，對于蒙皮這樣的薄板，還可以通過浮動卡具進行形狀校正，通過壓砂袋的方法，將蒙皮調整到理想的形狀。但這種形式的浮動卡具的最大缺點是結構復雜、成本高，各桿間的距離會受到電動機等執行機構的影響， 只適用于專機固定化的使用。

圖3

（3）被動式。各桿沒有自已的動力，但均可以單獨運行，在使用時，通過數控機床編程，利用主軸定位到各桿上方，通過專用的工具，由主軸將各桿拉到設計的高度，再鎖緊，這樣逐根桿地操作，最后將需要的各桿高度調節好，以適應零件形狀。優點是較為緊湊、柔性好、易于維護，適用于移動使用和小批量生產，存在的問題是調整時間較長。

浮動卡具的關鍵部分有兩點，一個是“浮動”，即可以通過各桿的調整，將卡具變換為適應工件的裝夾系統；另一個就是“卡具”。這里所說的“卡”是指需要各桿能夠在任何需要的位置停下來， 并且承受一定的工件自重和加工力量，要有一定的剛性。

圖4

一般用于浮動卡具抱緊的是液壓脹緊機構。圖4所示的MATRIX公司產品，其工作原理如圖5所示，當3號件軸向運動到正確的位置后，通過進油孔對液壓油或液體塑料加壓，即可以件1塑料密封壁變形，作用到件6金屬襯套后，就可以將件3抱緊。

圖5

由于液壓油或液體塑料的不可壓縮性，只要給進油孔一定的壓力，力量就會均勻分散到整個圓柱面上，產生穩定的抱緊力，確保各桿能夠在加工過程中，始終保持在固定的位置。利用液壓聯通器的原理，對于各桿可以方便地通過控制系統進行控制，可以單獨控制，也可以成批控制。對于自動化要求不高、需要結構緊湊的場合，還可以將加壓機構直接制作在各桿上，利用類似加工刀具液壓刀柄的結構，可以方便地實現定位和支撐功能。對于工件支撐面不平的問題，使用帶球鉸鏈的浮動卡具，仍能確保支撐桿吸住工件，避免工件上下振動的現象發生，如圖6所示。

圖6

來看一個大直徑、小斷面尺寸環類零件的案例，其中一個端面堆焊了合金材料，需要磨削端面，以往的做法是通過端面墊塞尺的方法，一點一點將零件底面墊實，再進行磨削，經過多次操作，才能將端面磨平，費工費時，并且經常出現平面度或厚度尺寸超差的現象。

圖7

受MATRIX公司產品（見圖7）的啟發，如圖8所示，經過對浮動卡具的改造，將工件放到多個可以單獨調整的圓柱上，圓柱底部用彈簧支撐，將零件直接放到圓柱端面上，各圓柱可以自動調整高度，適應工件端面形狀，鎖緊各圓柱后，即可磨削，翻轉1～2次，即可以將平面磨平，可以輕松達到平面度0.02mm的要求。

圖8

浮動卡具的柔性特點逐漸被認同，開始從高端的飛機蒙皮加工走向普通零件的生產，特別是對于單個且剛性不足的零件生產，有著特殊的應用價值，可以極大地節省定位、裝夾時間，提高裝夾精度，減少加工過程中因切削力產生的振動或變形。