CN106881609A - 一种薄壁平板磁流变液柔性支撑方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种薄壁平板磁流变液柔性支撑方法属于薄壁件装夹技术领域，涉及一种薄壁平板磁流变液柔性支撑方法。该方法首先将薄壁平板装夹至阵列式可控励磁夹具上，并对薄壁平板可靠密封；然后，通过抽真空，构建薄壁平板与夹具体间真空负压环境，在设定外压下，实施磁流变液自动灌注；最后，通过多路开关控制位置编码的阵列式励磁单元，磁流变液励磁相变，完成励磁区域固化支撑。该方法中磁流变液励磁工作于挤压模式，弹性模量更高，保证了支撑刚性；磁场控制模块由阵列式励磁单元组成，通过对励磁单元位置编码，可实现单元、分区、整体等多模式励磁要求；可实现薄壁平板的柔性装夹。

Description

一种薄壁平板磁流变液柔性支撑方法

技术领域

本发明属于薄壁件装夹技术领域，涉及一种薄壁平板磁流变液柔性支撑方法。

背景技术

薄壁件是航空航天高端装备上的典型件，其可靠装夹是保证材料高效去除和零件最终加工几何精度的核心环节。对面形较平缓的大型薄壁件，特别是近似于薄壁平板大都采用靠模装夹方式。然而，成型后的毛坯件存在较大面形误差，造成零件与胎模间不贴合，存在装夹间隙；而加工中产生的复杂应力变形，如零件胀形，又加剧了这一问题，甚至出现大面积“空洞”现象。在薄壁件加工中，大型压板、真空吸附等辅助手段被实际采用，对零件施以强力压紧或吸附，尽量让零件安装面与夹具支撑面强制贴合。然而，“松绑”后的薄壁件往往因应力重平衡而产生明显的弯扭变形，甚至导致零件报废。

磁流变液受外加磁场激励能迅速固化，在常温下即可轻松实现液-固相变互逆转换。因此，既可以利用磁流变液的流体特性柔性充填装夹间隙，又可以通过可控磁场实现局部或整体固化支撑。近年来，磁流变液已应用于磁流变阻尼、磁流变加工、磁流变驱动等领域，也有学者将其应用于零件柔性装夹。在这些应用中，磁流变液大多工作在阀模式或剪切模式。由于磁流变液剪切模量通常较低，特别对于零件装夹，其往往难以提供足够的支撑刚性。而，磁流变液挤压弹性模量可高出剪切模量1～2个数量级，为薄壁件高可靠柔性装夹提供了可行的方案选择。

2009年，袁胜等在专利《一种蒙皮类零件检验的固持装置》，申请号CN200910215311.9中，采用磁流变液作为支撑介质，通过永磁吸盘实现零件的整体支撑。励磁磁矢垂直于自重方向，磁流变液工作于剪切模式。2004年，张先舟等在专利《磁流变柔性夹具》，申请号CN02138468.1中提出了一种具有可变刚度的柔性表面的夹持装置，通过调节多路磁流变阀满足不同刚度、不同形状的夹持要求。

上述方法与装置均未提及基于挤压模式的一种薄壁平板磁流变液柔性支撑方法。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是克服上述方法的不足，针对薄壁平板与夹具支撑面难以紧密贴合致使装夹不可靠的难题，发明了一种薄壁平板磁流变液柔性支撑方法。该方法中，夹具支撑面上设计有等距分布的矩形截面凹槽，纵横正交，便于磁流变液顺畅流动和间隙填充；采用基于真空负压的自动灌注，保证了磁流变液的填充密实度；磁场控制模块由阵列式励磁单元组成，通过对励磁单元位置编码，可实现单元、分区、整体等多模式励磁要求；励磁磁矢方向平行于外加载荷方向，磁流变液工作于挤压模式，弹性模量更高，保证了支撑刚性。

本发明采用的技术方案是一种薄壁平板磁流变液柔性支撑方法，其特征是，支撑方法中，首先将薄壁平板装夹至阵列式可控励磁夹具上，并对薄壁平板可靠密封；然后，通过抽真空，构建薄壁平板与夹具体间真空负压环境，在设定外压下，实施磁流变液自动灌注；最后，通过多路开关控制位置编码的阵列式励磁单元，磁流变液励磁相变，完成励磁区域固化支撑；方法的具体步骤如下：

第一步设计并组装阵列式可控励磁夹具

阵列式可控励磁夹具由夹具体1、励磁单元阵列2、密封圈4、压边5、螺钉6组成；

所述夹具体1上加工有夹具凸台1h、梯形截面环槽1g、夹具支撑面1c、肋板顶面1d，在肋板顶面1d向下加工有若干个均布的方槽1a，在每个方槽1a的底面向下加工有导线出口孔1b，在夹具体1右侧面加工有通道1f；

励磁单元阵列2由若干个均布的任一励磁单元2_i,j构成，励磁单元阵列2中的励磁单元个数与夹具体1上加工出的若干个均布的方槽1a的个数相同；每个励磁单元分别嵌入夹具体1的各个方槽1a中；每个励磁单元的导线2i分别穿过夹具体1底部的各个导线出口孔1b与多路开关14外接；励磁单元阵列顶面与夹具支撑面1c平齐，方槽间肋板顶面1d低于励磁单元阵列顶面，使得相邻励磁单元间形成矩形截面凹槽1e；矩形截面凹槽1e与通道1f连通；

第二步薄壁平板安装与密封

薄壁平板3的定位面3j与夹具支撑面1c贴合；密封圈4楔形段压入梯形截面环槽1g内；压边5压住密封圈4；拧紧螺钉6；使得密封圈4方形段与薄壁平板3的被加工面3k紧密贴合；同时密封圈4楔形段被梯形截面环槽1g横向压缩，实现可靠密封。

第三步安装磁流变液真空负压自动灌注系统

通道1f通过密封管螺纹副连接夹具体三通阀7，夹具体三通阀7分别连接真空泵8与三通阀9，三通阀9另两个口分别接双向液压泵10与溢流阀11，双向液压泵10接储液箱12，溢流阀11接储液箱12，溢流方向为三通阀9流向储液箱12；储液箱12内装满磁流变液13；真空泵8与双向液压泵10的启停开关与传感器接PLC15，PLC15接上位机16。

第四步启动自动灌注程序

上位机16控制PLC15令真空泵8工作，清除薄壁平板3与夹具体1间的空气，获得真空负压环境；真空泵8自带负压传感器实时反馈压力信号P₀至上位机16，P₀达设定的真空阈值，上位机16控制PLC15令真空泵8停止，同时令双向液压泵10工作；磁流变液13经通道1f充填定位面3j与夹具支撑面1c间的缝隙，实现缝距“归零”；双向液压泵10自带压力传感器实时反馈压力信号P₁至上位机16，当P₁使定位面3j所受液压为一个大气压，与外部大气压平衡时，上位机16控制PLC15令双向液压泵10停止，真空负压自动灌注过程结束。

第五步磁流变液励磁固化支撑

首先进行坐标单元位置编码，以夹具支撑面1c的内角点为原点o，相邻两边为x轴、y轴，建立坐标系O-xyz，且夹具支撑面1c处于xy平面坐标系的三象限；励磁单元分别向x轴、y轴投影，投影沿x轴正向所排次序为该单元位置编码的横坐标，投影沿y轴正向所排次序为该单元位置编码的纵坐标，任一励磁单元2_i,j的位置都由(i,j)编码表示，i为x轴上第i个位置编码，j为y轴上第j个位置编码。

按照控制要求，多路开关14指定相应的任一励磁单元2_i,j通电，产生垂直于励磁单元阵列2顶面的局部法向磁场；所需磁场强度H按下式计算：

式中，F_N为切削力，τ₁为真实剪切屈服应力，R为铣刀半径，h为磁流变液厚度，η为粘性系数，为挤压速度，C为与磁流变液载液介质相关的系数，Φ为磁性颗粒体积分数，H为磁场强度，μ₀为真空磁导率，μ_r为磁流变液相对磁导率。

磁流变液励磁相变，完成励磁区域固化支撑。由于任一励磁单元2_i,j正上方磁流变液受局部法向磁场作用固化增强，受轴向铣削力作用工作于挤压模式，抵抗加工载荷，抑制加工变形。

本发明的有益效果是励磁单元正上方的磁流变液励磁固化，工作于挤压模式，抵抗加工载荷，抑制加工变形；励磁单元阵列等尺寸微间距排列，产生局部法向磁场均匀性好；按励磁区域大小，可控励磁固化有三种模式可选：单元励磁、分区励磁、整体励磁；自初始装夹至加工全过程，薄壁平板定位面与夹具支撑面缝距始终“归零”，装夹柔性好。

附图说明

附图1-阵列式可控励磁夹具整体结构示意图，其中：1-夹具体，2-励磁单元阵列，3-薄壁平板，4-密封圈，5-压边，6-螺钉，7-夹具体三通阀，8-真空泵，9-三通，10-双向液压泵，11-溢流阀，12-储液箱，14-多路开关，15-PLC，16-上位机，2i-导线，oxyz-直角坐标系。

附图2-励磁单元位置编码示意图，其中：A-A-阶梯剖面示意图，2_i,j-任一励磁单元,其中，i＝1...m,j＝1...m。附图3-阵列式可控励磁夹具灌注前阶梯剖面示意图，附图4-阵列式可控励磁夹具灌注且励磁后阶梯剖面示意图。其中：1-夹具体，2-励磁单元阵列，3-薄壁平板，4-密封圈，5-压边，6-螺钉，7-夹具体三通阀，1a-方槽，1b-导线出口孔，1c-夹具支撑面，1d-肋板顶面，1e-矩形截面凹槽，1f-通道，1g-梯形截面环槽，1h-夹具凸台，2i-导线，3j-定位面，3k-被加工面。

附图5-薄壁平板磁流变液柔性支撑流程图。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。

本实施例采用的薄壁平板3为铝合金材料，滚压成形后的面形误差0.1～0.2mm、厚度1mm，尺寸1000mm×1000mm；励磁单元阵列10×10；如图1、2所示。羰基铁粉磁流变液由40％体积分数羰基铁粉与60％体积分数硅油制成，密度3.55g/ml。铣削力100N，铣刀直径8mm，磁流变液最大厚度4mm，磁流变液粘度0.69Pa·s，挤压速度1mm/s，与磁流变液载液介质相关的系数C为0.95，磁性颗粒体积分数0.40，磁流变液相对磁导率17。

实施例中，首先将薄壁平板装夹至阵列式可控励磁夹具上，并对薄壁平板可靠密封；然后，通过抽真空，构建薄壁平板与夹具体间真空负压环境，在设定外压下，实施磁流变液自动灌注；最后，通过多路开关控制位置编码的阵列式励磁单元，磁流变液励磁相变，完成励磁区域固化支撑；附图5是薄壁平板磁流变液柔性支撑流程图，如图所示,方法具体步骤如下：

第一步设计并组装阵列式可控励磁夹具。

阵列式可控励磁夹具包含：夹具体1、由10×10励磁单元组成励磁单元阵列2、密封圈4、压边5、螺钉6构成；每个励磁单元分别嵌入夹具体1的各个方槽1a中，每个励磁单元的导线2i穿过夹具体1底部的导线出口孔1b外接多路开关14；

第二步薄壁平板安装与密封。

薄壁平板3的定位面3j与夹具支撑面1c贴合；密封圈4楔形段压入梯形截面环槽1g内；压边5压住密封圈4；拧紧螺钉6；使得密封圈4方形段与薄壁平板3的被加工面3k紧密贴合；同时密封圈4楔形段被梯形截面环槽1g横向压缩，实现可靠密封。

第三步安装磁流变液真空负压自动灌注系统。

夹具体1上的通道1f通过密封管螺纹副连接夹具体三通阀7，夹具体三通阀7分别接真空泵8与三通阀9，三通阀9另两个口分别接双向液压泵10与溢流阀11，双向液压泵10接储液箱12，溢流阀11接储液箱12，溢流方向为三通阀9流向储液箱12；储液箱12内装满高密度的羰基铁粉磁流变液13；真空泵8与双向液压泵10的启停开关与传感器接PLC15，PLC15接上位机16。

第四步启动自动灌注程序。

附图3是阵列式可控励磁夹具灌注前阶梯剖面示意图，附图4是阵列式可控励磁夹具灌注且励磁后阶梯剖面示意图。上位机16控制PLC15令真空泵8工作，清除薄壁平板3与夹具体1间空气，获得真空负压环境；真空泵8自带负压传感器实时反馈压力信号P₀至上位机16，P₀低于-0.09MPa时，令真空泵8停止，同时启动双向液压泵10；磁流变液13经通道1f充填定位面3j与夹具支撑面1c间缝隙，实现缝距“归零”；双向液压泵10自带压力传感器实时反馈压力信号P₁至上位机16，当P₁使定位面3j所受液压为0.101MPa时，上位机16控制PLC15令双向液压泵10停止，真空负压自动灌注过程结束。

第五步磁流变液励磁固化支撑。

首先进行励磁单元位置编码，如图2所示。

励磁模式分为：单元励磁、分区励磁如2×2、3×3等局部多个励磁单元通电励磁、整体励磁即全部励磁单元通电励磁。

采用单元励磁模式，多路开关14指定任一励磁单元2_i,j,i＝1...10,j＝1...10通电，产生垂直于励磁单元阵列2顶面的局部法向磁场；设定励磁单元磁场强度为76.4kA/m。任一励磁单元2_i,j正上方磁流变液受局部法向磁场作用固化增强，如图4所示。受轴向铣削力作用工作于挤压模式，抵抗加工载荷，抑制加工变形。

本发明实现了磁流变液于初始装夹状态下对缝隙的柔性充填，局部法向磁场对加工区域磁流变液的局部强化，能够满足不同尺寸薄壁平板的装夹可靠性要求，其工况适应性好，精度一致性高，实现了薄壁平板的柔性装夹。

Claims (1)

1.一种薄壁平板磁流变液柔性支撑方法，其特征是，支撑方法中，首先将薄壁平板装夹至阵列式可控励磁夹具上，并对薄壁平板密封；然后，通过抽真空，构建薄壁平板与夹具体间真空负压环境，在设定外压下，实施磁流变液自动灌注；最后，通过多路开关控制位置编码的阵列式励磁单元，磁流变液励磁相变，完成励磁区域固化支撑；方法的具体步骤如下：

第一步设计并组装阵列式可控励磁夹具

阵列式可控励磁夹具由夹具体(1)、励磁单元阵列(2)、密封圈(4)、压边(5)、螺钉(6)组成；

所述夹具体(1)上加工有夹具凸台(1h)、梯形截面环槽(1g)、夹具支撑面(1c)、肋板顶面(1d)，在肋板顶面(1d)向下加工有若干个均布的方槽(1a)，在每个方槽(1a)的底面向下加工有导线出口孔(1b)，在夹具体(1)右侧面加工有通道(1f)；

励磁单元阵列(2)由若干个均布的任一励磁单元(2_i,j)组成,其中，i＝1...m,j＝1...m；励磁单元阵列(2)的任一励磁单元个数与夹具体(1)上加工出的若干个均布的方槽(1a)的个数相同；每个励磁单元分别嵌入夹具体(1)的各个方槽(1a)中；每个励磁单元的导线(2i)分别穿过夹具体(1)底部的各个导线出口孔(1b)与多路开关(14)外接；励磁单元阵列顶面与夹具支撑面(1c)平齐，方槽间肋板顶面(1d)低于励磁单元阵列(2)顶面，使得相邻励磁单元间形成矩形截面凹槽(1e)；矩形截面凹槽(1e)与通道(1f)连通；

第二步薄壁平板安装与密封

薄壁平板(3)的定位面(3j)与夹具支撑面(1c)贴合；密封圈(4)楔形段压入梯形截面环槽(1g)内；压边(5)压住密封圈(4)；通过螺钉(6)将压边(5)和密封圈(4)固定，使得密封圈(4)方形段与薄壁平板(3)的被加工面(3k)紧密贴合；同时密封圈(4)楔形段被梯形截面环槽(1g)横向压缩，实现可靠密封；

第三步安装磁流变液真空负压自动灌注系统

夹具体(1)上的通道(1f)通过密封管螺纹副连接夹具体三通阀(7)，夹具体三通阀(7)分别接真空泵(8)与三通阀(9)，三通阀(9)另两个口分别接双向液压泵(10)与溢流阀(11)，双向液压泵(10)接储液箱(12)，溢流阀(11)接储液箱(12)，溢流方向为三通阀(9)流向储液箱(12)；储液箱(12)内装满磁流变液(13)；真空泵(8)与双向液压泵(10)的启停开关与传感器接PLC(15)，PLC(15)接上位机(16)；

第四步启动自动灌注程序

上位机(16)控制PLC(15)令真空泵(8)工作，清除薄壁平板(3)与夹具体(1)间的空气，获得真空负压环境；真空泵(8)自带负压传感器实时反馈压力信号P₀至上位机(16)，P₀达设定的真空阈值，上位机(16)控制PLC(15)令真空泵(8)停止，同时令双向液压泵(10)工作；磁流变液(13)经通道(1f)充填定位面(3j)与夹具支撑面(1c)间的缝隙，实现缝距“归零”；双向液压泵(10)自带压力传感器实时反馈压力信号P₁至上位机(16)，当P₁使定位面(3j)所受液压为一个大气压，与外部大气压平衡时，上位机(16)控制PLC(15)令双向液压泵(10)停止，真空负压自动灌注过程结束；

第五步磁流变液励磁固化支撑

首先进行励磁单元阵列(2)中各励磁单元的坐标位置编码，以夹具支撑面(1c)的内角点为原点o，相邻两边为x轴、y轴，建立坐标系O-xyz，且夹具支撑面(1c)处于xy平面坐标系的三象限；励磁单元分别向x轴、y轴投影，投影沿x轴正向所排次序为该单元位置编码的横坐标，投影沿y轴正向所排次序为该单元位置编码的纵坐标，任一励磁单元(2_i,j)的位置都由(i,j)编码表示，i为x轴上第i个位置编码，j为y轴上第j个位置编码；

按照控制要求，多路开关(14)对指定相应任一励磁单元(2_i,j)通电，产生垂直于励磁单元阵列(2)顶面的局部法向磁场；所需磁场强度H按下式计算：

$\left.\begin{array}{c}{F}_N=\frac{2{\mathrm{\π\τ}}_1{R}^3}{3h}+\frac{4\mathrm{\π}}{7h^2}\sqrt{2{\mathrm{\τ}}_1\mathrm{\η}\stackrel{\·}{h}{R}^7}\\ {\mathrm{\τ}}_1=271700{\mathrm{C\Φ}}^{1.5239}Tanh(6.33\×{10}^{-6}H)\end{array}\right\}---\left(1\right)$

式中，F_N为切削力，τ₁为真实剪切屈服应力，R为铣刀半径，h为磁流变液厚度，η为粘性系数，为挤压速度，C为与磁流变液载液介质相关的系数，Φ为磁性颗粒体积分数，H为磁场强度，μ₀为真空磁导率，μ_r为磁流变液相对磁导率；

磁流变液励磁相变，完成励磁区域固化支撑；由于任一励磁单元(2_i,j)正上方磁流变液受局部法向磁场作用固化增强，受轴向铣削力作用工作于挤压模式，抵抗加工载荷，抑制加工变形。