CN105737433B - 一种用于蜂窝芯材料加工的制冷夹持装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于蜂窝芯材料加工的制冷式夹持装置及方法，通过半导体制冷片快速制冷，将夹持平台上的液体夹持介质迅速凝固，为蜂窝芯材料提供足够的夹持力，并且通过控制电流控制半导体制冷片的制冷量，为蜂窝芯材料提供持续夹持力，直至切削加工过程结束，液体夹持介质重新液化，取出蜂窝芯材料。本发明实现了蜂窝芯材料的快速方便稳定的夹持，并且为蜂窝芯材料提供了刚性支撑，有利于后续的切削加工，具有夹持稳定、操作简便、易于清理、无污染的优点，适用于航空航天领域金属蜂窝芯材料及薄壁零件的加工。

Description

一种用于蜂窝芯材料加工的制冷夹持装置及方法

技术领域

本发明涉及一种机械加工的固持装置，具体涉及一种基于半导体快速制冷技术的用于蜂窝芯材料加工的制冷夹持装置及方法，属于机械切削加工技术领域。

背景技术

蜂窝芯材料由于其先进的性能在航空航天领域中得到了广泛应用，但是在切削加工过程中，由于蜂窝芯材料易变形的特性，其加工时的夹持方法一直缺乏突破性的进展。目前依旧广泛采用技术水平低下的双面胶固定法。双面胶固定法是将双面胶黏贴到蜂窝芯材料的底部，然后将其黏贴到加工平台上。该方法能够提供的夹持力很小，在加工过程中很容易由于刀具的作用力将蜂窝芯材料拉起而导致夹持失效；其次，该方法所用的双面胶具有一定厚度，致使蜂窝芯材料在加工平台上的定位问题无法完善解决；此外，该方法主要依赖工人的细心操作，而在黏贴蜂窝芯材料或将蜂窝芯材料撕下的过程中，稍有不慎就会对蜂窝芯材料造成破坏，致使零件报废。除此之外，目前还有采用的聚乙二醇法和真空吸附法等方法也都存在着设备复杂庞大、费用昂贵、不易清理等缺点，因而难以广泛推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有蜂窝芯材料夹持方法的不足，提供一种用于蜂窝芯材料加工的夹持装置及方法，通过半导体快速制冷将液体夹持介质迅速凝固，从而为蜂窝芯材料提供足够的夹持力，并且通过控制半导体电流进而控制制冷量，为夹持部位持续提供夹持力，直至切削加工过程结束。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一种用于蜂窝芯材料加工的制冷式夹持装置，包括直流电源、温度控制系统、夹持平台、平台热端散热水管、水泵及外置强制散热结构；所述夹持平台内容纳有液体夹持介质且设置有半导体制冷片和散热水管，该半导体制冷片的上端为冷端，下端为热端，所述散热水管位于所述半导体制冷片的下方且靠近所述热端，该散热水管内容纳有冷却水且依次通过所述平台热端散热水管和水泵连接所述外置强制散热结构，所述半导体制冷片通过所述温度控制系统与所述直流电源连接；所述直流电源向所述半导体制冷片持续供电使该半导体制冷片制冷并将所述液体夹持介质冷却至固态，从而将被加工的蜂窝芯材料固定且持续夹持在所述夹持平台上，同时为该蜂窝芯材料提供固态填充以增加刚性，所述散热水管内的冷却水将所述半导体制冷片的热端产生的热量传递到所述外置强制散热结构以维持所述半导体制冷片的持续制冷。

进一步地，所述的夹持平台还包括前面板、后面板、保温片、制冷片热端固定片、制冷片冷端固定片、工作平台、定位平台以及平台基座；所述平台基座置于最下层，其上依次设置所述散热水管、制冷片热端固定片、半导体制冷片、制冷片冷端固定片、工作平台和定位平台，所述半导体制冷片的热端放置在所述制冷片热端固定片中，冷端放置在所述制冷片冷端固定片中，该制冷片热端固定片与制冷片冷端固定片之间设置有用于阻断热传导的隔热层，所述保温片布置于所述工作平台的四周形成保温层，所述定位平台设置于所述工作平台上且用于对被加工的蜂窝芯材料进行定位，所述前面板和后面板连接且围置于所述夹持平台的四周。

进一步地，所述的定位平台上均匀分布有若干凹槽。

进一步地，所述的前面板放置在所述平台基座的前面，上面设有操作及显示面板，所述后面板放置在所述平台基座的后面。

进一步地，所述的温度控制系统通过调节电流改变所述半导体制冷片的制冷量。

本发明的另一技术方案是：

一种通过上述制冷式夹持装置实现的用于蜂窝芯材料加工的制冷式夹持方法，包括如下步骤：

1)将被加工的蜂窝芯材料放置在所述定位平台上，向所述夹持平台内倒入液体夹持介质，液体夹持介质充入所述蜂窝芯材料的芯格中；

2)通过所述直流电源向所述半导体制冷片供电，所述半导体制冷片迅速制冷，其冷端与热端之间形成足够温差；

3)通过所述散热水管将所述半导体制冷片的热端产生的热量传递到冷却水中；

4)通过所述水泵及外置强制散热装置推动冷却水进行循环并在该外置强制散热装置中进行冷却，使所述半导体制冷片形成持续的制冷能力，从而冷却固化所述液体夹持介质，将被加工的蜂窝芯材料固定夹持在所述定位平台上，同时填充在所述蜂窝芯材料芯格内的固化的液体夹持介质增加了该被加工的蜂窝芯材料的刚性；

5)通过所述温度控制系统调节流经所述半导体制冷片的电流，使该半导体制冷片的制冷量足够抵消所述蜂窝芯材料切削加工过程中产生的热量，以维持对该蜂窝芯材料的稳定夹持力。

与现有技术相比，本发明达到了如下有益效果：

1、采用半导体制冷片可以迅速的实现液体夹持介质的固化，完成蜂窝芯材料的快速夹持。

2、所述的装置结构简单、成本低、操作方便且能提供稳定的夹持力，夹持方式不会破坏蜂窝芯材料。

3、完成初步夹持后，通过控制电流，为切削加工提供稳定持续的夹持力。

4、固化后的液体夹持介质为蜂窝芯材料提供了刚性支撑，有利于切削加工的进行。

5、加工完成后，清理方便，无污染。

附图说明

图1为本发明的装置示意图。

图2为本发明夹持平台的结构爆炸示意图。

其中，1直流电源，2温度控制系统，3夹持平台，4蜂窝芯材料，5液体夹持介质，6半导体制冷片，7平台热端散热水管，8水泵，9外置强制散热结构，10前面板，11保温片，12散热水管，13制冷片热端固定片，14制冷片冷端固定片，15工作平台，16定位平台，17后面板，18固定孔，19平台基座，20操作及显示面板。

具体实施方式

本发明所述的用于蜂窝芯材料加工的制冷式夹持装置及方法，通过半导体快速制冷，将夹持平台上的液态夹持介质迅速凝固，从而为蜂窝芯材料提供足够的夹持力，并且通过控制半导体制冷片的电流控制制冷量，为夹持部位持续提供夹持力，直至切削加工过程结束，固体的夹持介质重新液化，再取出蜂窝芯材料。

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

整套装置的系统示意图如图1所示，所述用于蜂窝芯材料加工的制冷式夹持装置包括直流电源1、温度控制系统2、夹持平台3、平台热端散热水管7、水泵8及外置强制散热结构9。所述夹持平台3用于放置被加工的蜂窝芯材料4，其中容纳有液体夹持介质5，并且设置有半导体制冷片6和散热水管12。所述半导体制冷片6的上端为冷端，下端为热端，该半导体制冷6通过所述温度控制系统2与所述直流电源1连接。所述散热水管12位于所述半导体制冷片6的下方且靠近所述半导体制冷片6的热端，该散热水管12依次通过所述平台热端散热水管7和水泵8连接所述外置强制散热结构9，所述散热水管12内容纳有用于对所述半导体制冷片6热端进行冷却的冷却水。

本发明所述装置的核心工作部件为夹持平台3，其结构爆炸示意图见图2，所述的夹持平台3包括前面板10、后面板17、四个保温片11、散热水管12、制冷片热端固定片13、若干半导体制冷片6、制冷片冷端固定片14、工作平台15、定位平台16以及平台基座19。

所述平台基座19放置在最下面，其两侧有用于固定的固定孔18；该平台基座19作为整个夹持平台3的刚性支撑结构，其上面由下至上依次设置有散热水管12、制冷片热端固定片13、半导体制冷片6、制冷片冷端固定片14及工作平台15。

所述半导体制冷片6采用多块大制冷量半导体制冷片，从而形成快速制冷能力，实现将液体夹持介质5迅速固化，从而完成夹持蜂窝芯材料4的目的。所述半导体制冷片6的热端放置在所述制冷片热端固定片13中，半导体制冷片6的冷端放置在所述制冷片冷端固定片14中，所述制冷片热端固定片13与制冷片冷端固定片14之间有很薄的隔热层，用于阻断两者之间的热传导；

所述工作平台15的四周布置四块保温片11，形成保温层。

所述定位平台16设置于所述工作平台15上，用于加工中对工件蜂窝芯材料4进行定位。该定位平台16上均匀分布有若干凹槽，其作用一是减少定位面积，增加定位精度；二是在液体夹持介质5固化后增加其附着力。

所述前面板10放置在平台基座19的前面，其上设有操作及显示面板20、冷却水入口、冷却水出口及电源接线口；所述后面板17放置在所述平台基座19的后面。该前面板10和后面板17连接且围置于所述夹持平台3的四周。所述冷却水入口和冷却水出口连接所述散热水管12和平台热端散热水管7。所述电源接线口连接所述半导体制冷片6和温度控制系统2。

所述直流电源1向所述半导体制冷片6持续供电，使该半导体制冷片6制冷并将所述液体夹持介质5冷却至固态，从而将被加工的蜂窝芯材料4冻结固定并且持续夹持在所述夹持平台3的定位平台16上，同时为该蜂窝芯材料4提供固态填充以增加刚性。所述散热水管12将所述半导体制冷片6热端的热量传递到冷却水中，通过所述水泵8及外置强制散热结构9进行强制冷却，以达到所述半导体制冷片6的持续制冷能力。所述的温度控制系统2可以通过调节流经所述半导体制冷片6的电流改变该半导体制冷片6的制冷量，进行温度控制。

以下为本发明所述用于蜂窝芯材料加工的制冷式夹持方法的一个实施例，其包括如下步骤：

(1)将被加工的蜂窝芯材料4放置在定位平台16上，向夹持平台3内倒入液体夹持介质5，该液体夹持介质5填充入蜂窝芯材料4的芯格中，本实施例中采用水作为液体夹持介质5，采用的蜂窝芯材料4高40mm，倒入水的高度达到20mm。

(2)本实施例采用20片额定制冷量为50w的半导体制冷片6，通过1.5kw的直流电源1给半导体制冷片6供电，半导体制冷片6迅速制冷在其两端形成冷端和热端，温差达到70℃。

(3)通过夹持平台3内置的散热水管12将半导体制冷片6热端的热量传递到散热水管12内的冷却水中。

(4)通过水泵8及外置强制散热装置9推动冷却水在散热水管12和平台热端散热水管7中循环，并且在外置强制散热装置9中进行散热，冷却后的冷却水回流至散热水管12中，继续与半导体制冷片6的热端进行热交换，形成持续的制冷能力，最终在8分钟时完成了工作平台15中20mm高度水的凝固，将蜂窝芯材料4成功夹持；此时蜂窝芯材料4的芯格中完全被冰填充，形成了牢固的刚性结构，并且冰被定位平台16的凹槽约束，整体被完全固定在工作平台15上。

(5)完成初步夹持后，通过操作及显示面板20调节流经所述半导体制冷片6的电流为原来的四分之一，此时提供的制冷量完全足够抵消所述蜂窝芯材料4切削加工过程中产生的热量，并且维持冰的稳定状态，至此完成了蜂窝芯材料4的夹持，可维持后续9分钟的整个切削加工过程的稳定夹持。

Claims (5)

1.一种用于蜂窝芯材料加工的制冷式夹持装置，其特征在于：所述制冷式夹持装置包括直流电源、温度控制系统、夹持平台、平台热端散热水管、水泵及外置强制散热结构；所述夹持平台内容纳有液体夹持介质且设置有半导体制冷片和散热水管，该半导体制冷片的上端为冷端，下端为热端，所述散热水管位于所述半导体制冷片的下方且靠近所述热端，该散热水管内容纳有冷却水且依次通过所述平台热端散热水管和水泵连接所述外置强制散热结构，所述半导体制冷片通过所述温度控制系统与所述直流电源连接；所述直流电源向所述半导体制冷片持续供电使该半导体制冷片制冷并将所述液体夹持介质冷却至固态，从而将被加工的蜂窝芯材料固定且持续夹持在所述夹持平台上，同时为该蜂窝芯材料提供固态填充以增加刚性，所述散热水管内的冷却水将所述半导体制冷片的热端产生的热量传递到所述外置强制散热结构以维持所述半导体制冷片的持续制冷；

所述的夹持平台还包括前面板、后面板、保温片、制冷片热端固定片、制冷片冷端固定片、工作平台、定位平台以及平台基座；所述平台基座置于最下层，其上依次设置所述散热水管、制冷片热端固定片、半导体制冷片、制冷片冷端固定片、工作平台和定位平台，所述半导体制冷片的热端放置在所述制冷片热端固定片中，冷端放置在所述制冷片冷端固定片中，该制冷片热端固定片与制冷片冷端固定片之间设置有用于阻断热传导的隔热层，所述保温片布置于所述工作平台的四周形成保温层，所述定位平台设置于所述工作平台上且用于对被加工的蜂窝芯材料进行定位，所述前面板和后面板连接且围置于所述夹持平台的四周。

2.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯材料加工的制冷式夹持装置，其特征在于：所述的定位平台上均匀分布有若干凹槽。

3.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯材料加工的制冷式夹持装置，其特征在于：所述的前面板放置在所述平台基座的前面，上面设有操作及显示面板，所述后面板放置在所述平台基座的后面。

4.根据权利要求1所述的用于蜂窝芯材料加工的制冷式夹持装置，其特征在于：所述的温度控制系统通过调节电流改变所述半导体制冷片的制冷量。

5.一种通过权利要求1所述的制冷式夹持装置实现的用于蜂窝芯材料加工的制冷式夹持方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)将被加工的蜂窝芯材料放置在所述定位平台上，向所述夹持平台内倒入液体夹持介质，液体夹持介质充入所述蜂窝芯材料的芯格中；

2)通过所述直流电源向所述半导体制冷片供电，所述半导体制冷片迅速制冷，其冷端与热端之间形成足够温差；

3)通过所述散热水管将所述半导体制冷片的热端产生的热量传递到冷却水中；

4)通过所述水泵及外置强制散热装置推动冷却水进行循环并在该外置强制散热装置中进行冷却，使所述半导体制冷片形成持续的制冷能力，从而冷却固化所述液体夹持介质，将被加工的蜂窝芯材料固定夹持在所述定位平台上，同时填充在所述蜂窝芯材料芯格内的固化的液体夹持介质增加了该被加工的蜂窝芯材料的刚性；

5)通过所述温度控制系统调节流经所述半导体制冷片的电流，使该半导体制冷片的制冷量足够抵消所述蜂窝芯材料切削加工过程中产生的热量，以维持对该蜂窝芯材料的稳定夹持力。