CN106514369A - 一种用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，属于机械加工领域；该用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具包括虎钳夹具，容纳磁流变液的载液槽和在载液槽的上方设置的阻磁板框，以及提供水平磁场的电极板；阻磁板框左侧通过螺纹连接在丝杠上，右侧通过配合套在支撑定位杆上，丝杠上端连接有摇柄，可驱动丝杠旋转和阻磁板框升降；本发明的一种用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具可以有效地减小曲面薄壁件的加工变形，有效地抑制曲面薄壁件铣削中的振动，减小加工噪音，降低加工误差，保证高的加工效率和高的表面加工质量。

Description

一种用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具

技术领域

本发明涉及机械加工领域，特别是涉及一种有效抑制复杂曲面类薄壁件铣削加工振动的柔性夹具。

背景技术

在航天工业中，对薄壁件的铣削任务是至关重要的，而薄壁件的变厚度减薄加工一直是加工制造难题。航天结构中的复杂曲面薄壁板的刚性差，在加工过程中容易发生变形、让刀等现象，而加工振动是影响其加工效率和加工精度的主要因素。

针对复杂曲面薄壁件加工过程的加工振动的问题，国内外很多学者进行了相关的研究。

在优选切削参数方面，Kersting提出利用仿真，预测五轴铣削过程中的可再生加工振动；Biemann提出了一套可以计算五轴铣削加工振动的仿真方法以及加工表面建模方法；Zhou提出了五轴铣削中抑制振动选择最佳切削参数的方法；Arnaud给出了保证精度和表面质量的最佳的切削环境参数；Campa提出了估计工件稳定域的方法来避免颤振。这些研究主要是通过一定程度上调整切削参数，从而控制薄壁挠性元件的振动。通过改变切削参数虽然加工振动能够得到有效的控制，但是并不能从根源上抑制振动，因此在铣削薄壁挠性工件中起到的减振效果并不理想。并且，针对成型面比较复杂的叶轮叶片的加工，所涉及的切削参数的调整过于复杂，无法掌握。

在连续系统振动抑制方面，Kolluru提出了为工件粘贴被动阻尼，从而最小化加工振动的理论；Yang提出在工件表面附着涡流阻尼装置；HamaedMoradi等提出利用可调减震器(TVA)，可抑制再生振动。但是，对于加工面为复杂的曲面，被动阻尼、减震器等的安装位置不能精确确定，因此这些方法与理论不适合成形表面复杂的薄壁工件。

在夹具的优化布局方面，Selvakumar等提出利用算法实验设计，构建最佳的夹具布局，减少加工工件的最大弹性变形，从而抑制加工振动。但是，现有夹具与工件全部是刚性接触。在五轴铣削的加工过程中，会导致工件变形和夹具变形，诱发振动。并且，在夹具优化研究中并未考虑夹子和定位器的数量和位置，以及夹具元素的布局等问题。

现有的薄壁件铣削夹具存在明显的不足和局限性，有些专为薄壁工件设计的夹具无法适用于复杂曲面薄壁工件，如申请公开号是CN105397530A、CN102380776A和CN104889779A等发明专利。其中申请公开号是CN102380776A和CN105397530A的发明专利分别于2010年和2015年公开了一种薄壁框体构件铣削夹具，利用真空吸附式(复吸式)工作台代替现有的虎钳夹具，克服了因压板式装夹使零件局部受力产生弹性变形的难题，在夹持的过程中能够使薄壁框架类零件均匀受力，进而解决目前薄壁框体类零件加工时用的夹具导致零件局部受力，易使零件产生弹性变形、零件质量很难达到设计要求的问题。尽管上述发明的夹持效果很可观，但是发明的应用范畴局限在了平面薄壁件之中，无法对复杂曲面的薄壁零件进行装夹。申请公开号CN104889779A的发明提供了一种薄壁件铣削用柔性随动夹具，包括底板，底板上固定有若干十字滑台，每个十字滑台上均安装有垂直升降台，每个垂直升降台通过吸盘杆安装有吸盘或者通过万向球轴承安装有主球。安装有吸盘的轴为定位轴，安装有主球的轴为随动轴，随动轴与定位轴之间可以相互转换，只需要将万向球轴承换为吸盘杆，将控制模式切换为定位模式即可。同时，各轴与底板之间可以自由拆装，充分体现柔性功能，可以有效减少铣削过程中的工件变形，提高工件加工精度。尽管本发明的随动效果很好，但是应用范畴局限在了平面薄壁件，无法适用于复杂曲面薄壁件。

现有的薄壁件铣削夹具存在明显的不足和局限性，有些专为薄壁工件设计的夹具中没有随动支撑或叶片夹持装置，因此无法对薄壁件加工过程中产生的颤振起到良好的抑制作用，如申请公开号是CN103170860A和CN104128810A等两个专利。其中，申请公开号是CN103170860A的发明专利公开了一种空心涡轮叶片蜡模悬臂式夹具，夹具由前板和后板与中间板垂直固定安装，中间板相对的一侧敞开,整体呈凹形结构；叶片蜡模放置在夹具体内，叶片蜡模引晶段与前定位块凹槽装夹，叶片蜡模冒口补缩段与后定位块上表面分布的四个定位支撑销装夹，实现对叶片蜡模的定位；后板外侧固连的圆柱梁装卡在加工设备三爪卡盘上，使夹具体悬空，实现主轴旋转带动叶片蜡模和夹具体一起转动，一次装夹即完成叶片蜡模叶背型面和叶盆型面的连续螺旋铣削加工。虽然本发明解决了无辅助定位芯头的小型空心涡轮叶片蜡模的定位问题；加工过程中避免了因两次装夹产生的定位误差，且一定程度上减少了连接刀痕，悬臂式设计增强了蜡型刚性，避免加工过程中发生断裂。但是本发明忽略了薄壁件的刚性小的特性,未考虑随动支撑装置，因此，铣削过程中的工件变形会影响切削厚度,最终影响加工精度。叶片的变形同样会会产生切削颤振。申请公开号是CN104128810A的发明专利公开的一种涡轮叶片型面修复夹具，具有一个制有矩形通孔的座体。在矩形通孔上端制有夹持高压涡轮叶片的紧力开口槽，矩形通孔下端制有向下连通贯穿槽孔开口缝，装配的紧固调节旋钮手柄的紧固螺杆，纵向通过座体一端夹持臂的端面丝母螺孔和矩形通孔，连接座体的另一端夹持臂。上述发明突出的特点是结构简单、操作方便、夹持稳定，仅需较小的力即可稳定可靠地固定高压涡轮叶片榫头。但是该发明只考虑了涡轮叶片榫头的夹持，未考虑叶片的颤振，未设置相应的叶片随动夹具(或支撑)。

针对以上各个研究成果、发明专利的弊端和不足，现提出一种用于复杂曲面类薄壁件铣削过程中具有抑制振动功能的磁流变液柔性夹具。

通过以上的检索发现，以上技术方案不能影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合不能破坏本发明的创造性。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，在虎钳专用夹具工作台的基础上采用了磁流变液，利用磁流变液在外界磁场中会瞬间从牛顿液体转换为具有高粘度的粘稠性类固体且拥有强大的抗剪切能力，并可随外界磁场变化而实时可调，当外界磁场去除，磁流变液瞬间表现牛顿流体性质，而且变化迅速且可逆的特性，因此，本发明有以下目的：

在夹持过程中能够使复杂曲面类薄壁零件受力均匀，减小了零件的加工变形，减小了加工中的颤振，进而解决了复杂曲面类薄壁零件在铣削过程中因刚性弱而造成的加工变形大和加工表面质量难以保证等难以解决的问题以及工件为曲面零件无法装夹的问题。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，包括铣床工作台，所述的工作台上设有两个对称设置的电极板，所述的两个电极板之间形成磁场，在所述的磁场内设有一个载液槽，所述的载液槽的前端开有与挡板配合使用的矩形开口，所述的载液槽的中央设有一个用于夹持工件的夹具，在所述的载液槽的外圈设有一个包围其外圈且位于两个电极板之间的容液槽，所述的容液槽底端开有通孔，通孔与排液管连接；在所述的载液槽上方为阻磁板框，阻磁板框在驱动装置的驱动下可以上下运动，实现对磁场的阻挡。

进一步，所述的载液槽为一个由一块底板和四块侧板焊接而成的框架，位于前面的侧板中间开有使磁流变液在没有磁场作用下快速、方便的流向容液槽的矩形开口，所述的挡板插装在矩形开口内。

进一步，所述的矩形开口侧面有V型槽，所述的挡板的两侧为V型棱，所述的V型棱与所述的V型槽配合，未添加磁场时，插入挡板，阻止磁流变液流出；添加磁场时，拔出挡板，方便磁流变液流出至容液槽。

进一步，所述的容液槽为一个由一块回字形底板和四块侧板焊接而成的框架，其作用是容纳载液槽流出的磁流变液；所述侧板的高度小于载液槽侧板的高度，并且容液槽的侧板底部开有通孔，通孔外焊接有一段铁管，铁管与胶管连接，所述的通孔的作用是将容液槽内的磁流变液导出、备用。

进一步，所述的阻磁板框为一个矩形框体，其与电极板平行的两块侧板为阻磁板；可以阻挡磁场，即随着加工的进行，阻磁板框向下运动，阻挡磁场，磁流变液变为液态，从矩形开口处流出，使所要加工的部分露出，使磁流变液起到随动夹具的作用，且阻磁板的高度大于或者等于或者小于磁场的高度,之所以可以选择小于是因为随着被阻磁板框遮挡的粘稠性类固体形态的磁流变液的流出载液槽，流入容液槽，使得已加工面处已经无磁流变液，所以已加工部分是否暴露在磁场中，影响不大。

进一步，所述的驱动装置包括丝杠，阻磁板框的一侧通过一个支撑板与所述的丝杠连接，相对的另一侧通过两个支撑板上的通孔与定位支撑杆配合；

阻隔板框左侧通过一个支撑板与丝杠连接，既能驱动阻隔板框的上升下降运动，也能避免因多个支撑板与丝杆螺纹连接而导致的支撑板之间距离计算的难题，以及丝杠同时受两个支撑板刚性螺纹牙受力而导致的过分磨损的消耗；

阻磁板框右侧通过两个支撑板与支撑定位杆配合，既能起到定位与巩固结构力学性能的作用，也能使右侧支撑板与支撑定位杆作为主要受力部位和主要受力元件，从而间接减少了左侧支撑杆与丝杠之间的受力，避免了丝杆的磨损，同时右侧的两个支撑板的设计也使的阻磁板框与支撑定位杆和丝杆的连接结构设计的简单化。

进一步，所述丝杠的底部通过轴承座连接在工作台上，丝杠上端通过支撑板固定，并且丝杠顶端固定有摇柄，通过摇柄的旋转运动，阻隔板框可以随着摇柄带动的丝杠的正转与反转运动作沿丝杠轴线的上升与下降运动。

进一步，所述的定位支撑杆通过焊接或者螺纹连接的方式固定在工作台上，且定位支撑杆与丝杠的轴线平行，均垂直于工作台，定位支撑杆对阻隔板框起到了支撑与定位的作用。

进一步，所述的电极板可以提供等大、均匀、可调的水平磁场，且磁场的大小由电极板所加电流与电压的大小决定，避免因使不均匀磁场而导致的局部磁场变化规律不可控制的问题,并且电极板产生的磁场应全部覆盖载液槽,确保载液槽内的磁流变液都可以受磁场作用变成粘稠性类固体。

进一步，所述的两个电极板面积相等，分别平行于载液槽的左、右侧槽壁，并且电极板的大小以产生的磁场能全部覆盖载液槽为宜。

本发明具有以下有益效果：

本发明复杂曲面类薄壁件铣削柔性夹具可以适应复杂曲面类薄壁件的铣削加工。在加工过程中，磁流变液可以无缝贴合各种复杂的曲面，并且磁流变液的粘稠性类固体形态可以加强加工铣削作业区以下薄壁的刚度，减少薄壁零件的加工变形；又因为磁流变液在磁场作用下具有阻尼的作用，可以缓冲铣削加工中的振动，并随着磁场的变强，磁流变液由缓冲振动逐渐过渡到抑制振动；磁流变液对振动的缓冲甚至是抑制作用，也会降低铣削加工中的噪音，制造宜人的人机交互环境；阻磁板框可以在手动作用下下降，阻挡磁感线，使被遮挡的磁流变液从粘稠性类固体形态变成牛顿液体，并流出载液槽，使待加工区域暴露出来；磁流变液可由容液槽流出、被收集，可以在铣削加工中循环使用。本发明还可以提高复杂曲面类薄壁件的加工质量与加工精度。

本发明可用于航天，化工，水利，电力等行业的复杂曲面类薄壁件的加工，尤其对于飞机、船舶、精密机械装备等的轻量化加工、噪声、稳定性和可靠性要求高等的行业领域，有十分广阔的推广应用前景。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

附图是本发明的三维模型示意图；

附图标记说明：

1、容液槽；2、载液槽；3、挡板；4、胶管；5、左侧电极板；6、丝杠；7、摇柄；8、支撑板；9、虎钳夹具；10、阻隔板框；11、支撑定位杆；12、右侧电极板；13、铣床工作台。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不对本发明的保护范围有任何的限制。

如附图1所示，本发明提供的复杂曲面类薄壁件铣削柔性夹具包括容液槽1、载液槽2、挡板3、胶管4、左侧电极板5、丝杠6、摇柄7、支撑板8、虎钳夹具9、阻隔板框10、支撑定位杆11、右侧电极板12、铣床工作台13；整体的结构为：铣床工作台13上设有两个对称设置的电极板(左侧电极板5和右侧电极板12)，所述的两个电极板之间形成磁场，在所述的磁场内设有一个载液槽2，所述的载液槽2的前端开有与挡板3配合使用的矩形开口，所述的载液槽2的中央设有一个用于夹持工件的虎钳夹具9，在所述的载液槽2的外圈设有一个包围其外圈且位于两个电极板之间的容液槽1，所述的容液槽1底端开有通孔，通孔与排液管连接；在所述的载液槽2上方为阻磁板框，阻磁板框在驱动装置的驱动下可以上下运动，实现对磁场的阻挡。

其中：容液槽1可由一块底板和四块侧板焊接而成，侧板的高度小于载液槽侧板的高度，并且容液槽的侧面底部开有通孔，通孔外焊接有一段铁管，铁管与胶管4连接，容液槽1通过焊接固定在铣床工作台13上，焊缝结实并且使容液槽1底部密封；

载液槽2是一个框体，由一块回字形的底板和四块侧板焊接而成，前面的侧板中间开有矩形开口，且矩形开口侧面有V型槽；挡板3两侧有与V型槽互补的V型棱，V型槽与挡板3的V型棱的配合，使载液槽2四周密闭，容纳磁流变液；

虎钳夹具9是机床通用夹具，通过紧固螺钉固定在载液槽2的底面上，利用其上的两个夹板来装夹复杂曲面类薄壁件的平面毛坯；

阻磁板框10由两片阻磁板和若干桁架组成，两片阻磁板之间的距离应大于载液槽2的宽度，并且载液槽2可以被整个阻磁板框10套住；阻隔板框10左侧通过一个支撑板与丝杠6连接，右侧通过两个支撑板与支撑定位杆11配合，且左右两侧的支撑板都应位于两片阻磁板水平方向的中线上；左右支撑板焊接在阻磁板框10外侧，左右支撑板上的螺纹孔或者通孔的轴线都应与丝杠6和支撑定位杆11的轴线平行；丝杠6的底部通过轴承座连接在铣床工作台13上，丝杠6的轴线应与铣床工作台13的工作面垂直；丝杠6上端通过支撑板8固定，并且丝杠6顶端固定有摇柄7，应保证摇柄7的旋转轴线与丝杠6的轴线重合，摇柄7的转动可以带动丝杠6的旋转；支撑定位杆11通过焊接或者螺纹连接的方式固定在铣床工作台13上，支撑定位杆11的轴线应与丝杠6的轴线平行；

即随着加工的进行，阻磁板框10向下运动，阻挡磁场，磁流变液变为液态，从矩形开口处流出，使所要加工的部分露出，使磁流变液起到随动夹具的作用，且阻磁板的高度大于或者等于或者小于磁场的高度,之所以可以选择小于是因为随着被阻磁板框遮挡的粘稠性类固体形态的磁流变液的流出载液槽，流入容液槽，使得已加工面处已经无磁流变液，所以已加工部分是否暴露在磁场中，影响不大。

左侧电极板5固定在整套装置的左侧，右侧电极板12固定在整套装置的右侧，且左侧电极板5和右侧电极板12面积相等，分别平行于载液槽2的左、右侧槽壁，并且电极板的大小以产生的磁场能全部覆盖载液槽为宜。

左侧电极板5和右侧电极板12可以提供等大、均匀、可调的水平磁场，且磁场的大小由电极板所加电流与电压的大小决定，避免因使不均匀磁场而导致的局部磁场变化规律不可控制的问题,并且电极板产生的磁场应全部覆盖载液槽,确保载液槽内的磁流变液都可以受磁场作用变成粘稠性类固体。

现将本发明提供的复杂曲面类薄壁件铣削柔性夹具工作原理阐述如下：初始状态下，左侧电极板5和右侧电极板12未通电，阻磁板框10上升至不阻挡载液槽处，将工件毛坯下端平面毛坯装夹在虎钳夹具9中，使载液槽2插上挡板3呈密封槽，向载液槽2中加入磁流变液，所加磁流变液的高度以不淹没薄壁毛坯且预留出10～20mm的待加工部分为宜，此时待加工部分为悬臂长为10～20mm的悬臂梁。然后，为电极板通电，产生所需的一定强度的平行且均匀的磁场，此时，磁流变液中悬浮的粒子在可调磁场的作用下，沿磁场方向排列呈链状，磁流变液在几毫秒内从牛顿液体转换为具有高粘度的粘稠性类固体，与曲面薄壁件毛坯无缝隙贴合，并且磁流变液内的剪切应力急剧增加。此时，抽出挡板3，可以对毛坯进行铣削加工。随着铣削加工的进行，当铣削过渡区靠近磁流变液液面时，手动旋转摇柄7使阻磁板框10下降挡住液面以下10～20mm。此时被挡住的磁流变液迅速由高粘度的粘稠性类固体形态变成牛顿液体，并沿载液槽2开口处流向容液槽1，进而沿胶管流出，以备循环使用。当铣削过渡区再次靠近磁流变液液面时，再次手动旋转摇柄7使阻磁板框10下降挡住液面以下10～20mm。依次进行铣削加工，直到加工结束，断开电极板电源，取出薄壁件即可。

铣削过程中，磁流变液中强大的剪切应力可以为薄壁件提供足够的阻尼支撑力，阻尼支撑力的方向与动态切削力的方向相反，因此，薄壁件的刚度显著提高，并且薄壁件的加工振动得到有效的抑制。随着铣削加工的进行，调整输入电压或电流的大小，改变磁场到所需大小。因此，本发明的复杂曲面类薄壁件铣削柔性夹具可以有效地减小曲面薄壁件的加工变形，有效地抑制复杂曲面类薄壁件铣削中的振动，减小加工噪音，降低加工误差，保证高的表面加工质量和高的加工精度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，其特征在于，包括铣床工作台，所述的工作台上设有两个对称设置的电极板，所述的两个电极板之间形成磁场，在所述的磁场内设有一个载液槽，所述的载液槽的前端开有与挡板配合使用的矩形开口，所述的载液槽的中央设有一个用于夹持工件的夹具，在所述的载液槽的外圈设有一个包围其外圈且位于两个电极板之间的容液槽，所述的容液槽底端开有通孔，通孔与排液管连接；在所述的载液槽上方为阻磁板框，阻磁板框在驱动装置的驱动下可以上下运动，实现对磁场的阻挡。

2.如权利要求1所述的用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，其特征在于，所述的载液槽为一个由一块底板和四块侧板焊接而成的框架，位于前面的侧板中间开有使磁流变液在没有磁场作用下快速、方便的流向容液槽的矩形开口，所述的挡板插装在矩形开口内。

3.如权利要求1所述的用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，其特征在于，所述的矩形开口侧面有V型槽，所述的挡板的两侧为V型棱，所述的V型棱与所述的V型槽配合，未添加磁场时，插入挡板，阻止磁流变液流出；添加磁场时，拔出挡板，磁流变液流出至容液槽。

4.如权利要求1所述的用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，其特征在于，所述的容液槽为一个由一块回字形底板和四块侧板焊接而成的框架，其作用是容纳载液槽流出的磁流变液；所述侧板的高度小于载液槽侧板的高度，并且容液槽的侧板底部开有通孔，所述的通孔的作用是将容液槽内的磁流变液导出、备用。

5.如权利要求1所述的用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，其特征在于，所述的阻磁板框为一个矩形框体，其与电极板平行的两块侧板为阻磁板，可以阻挡磁场，且阻磁板的高度大于或者等于或者小于磁场的高度。

6.如权利要求1所述的用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，其特征在于，所述的驱动装置包括丝杠，阻磁板框的一侧通过一个支撑板与所述的丝杠连接，相对的另一侧通过两个支撑板上的通孔配合在定位支撑杆上。

7.如权利要求6所述的用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，其特征在于，所述丝杠的底部通过轴承座连接在工作台上，丝杠上端通过支撑板固定，并且丝杠顶端固定有摇柄，通过摇柄的旋转运动，阻隔板框可以随着摇柄带动的丝杠的正转与反转运动作沿丝杠轴线的上升与下降运动。

8.如权利要求7所述的用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，其特征在于，所述的定位支撑杆通过焊接或者螺纹连接的方式固定在工作台上，且定位支撑杆与丝杠的轴线平行，均垂直于工作台，定位支撑杆对阻隔板框起到了支撑与定位的作用。

9.如权利要求1所述的用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，其特征在于，两个所述的电极板提供等大、均匀、可调的水平磁场，且磁场的大小由电极板所加电流与电压的大小决定，电极板产生的磁场应全部覆盖载液槽,确保载液槽内的磁流变液都可以受磁场作用变成粘稠性类固体。

10.如权利要求7所述的用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具，其特征在于，所述的两个电极板面积相等，电极板的大小以产生的磁场能全部覆盖载液槽为宜。