CN107030522B - 面向复杂薄壁零件加工振动抑制的磁流变阻尼支撑器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向复杂薄壁零件加工振动抑制的磁流变阻尼支撑器件，用于解决现有磁流变阻尼支撑器件实用性差的技术问题。技术方案是包括下端盖、外壳、线圈、挤压板、支撑杆和上端盖，还包括密封圈、隔磁环、弹簧、位移传感器和直流稳压电源。该阻尼支撑器件具有动态可控性能，随着薄壁零件材料去除、切削位置和切削阶段不同因素使得薄壁零件动力学演化特性加剧，在不改变夹具原始布局情况下，有效调控磁流变阻尼支撑外界磁场控制参数，改变其动态特性，从而重构加工系统的动力学特性，保证薄壁零件加工系统稳定性，实现对复杂薄壁零件精密定位和加工，降低加工过程中薄壁零件加工变形和振动，提高薄壁零件加工精度和加工效率。

Description

面向复杂薄壁零件加工振动抑制的磁流变阻尼支撑器件
技术领域
本发明涉及一种磁流变阻尼支撑器件，特别是涉及一种面向复杂薄壁零件加工振动抑制的磁流变阻尼支撑器件。
背景技术
在航空工业中，薄壁零件在新型战机、大型飞机、航空发动机等航空装备中大量采用。该类薄壁零件型面复杂、壁薄、尺寸大等特点导致其结构刚性较弱，并且零件多采用强度高、耐热性好、耐腐蚀等特点的高温合金、钛合金等难加工材料，这将引起加工过程中刀具与工件接触界面热力耦合效应加剧，使得加工过程中加工变形和切削振动倾向显著，严重制约薄壁零件加工质量和加工效率。
为了解决这个问题，避免利用铅、锑、铋、锡等具有环境污染性等缺点低熔点合金为薄壁零件提供辅助支撑及设计昂贵的不可调专用夹具，而采用可控性能较好的磁流变液智能材料液，设计具有磁场可控性能的磁流变阻尼支撑器件，根据零件刚度分布特征，采用点阵形式布局阻尼支撑器件，为薄壁零件提供支撑。随着材料去除、切削位置、切削阶段不同，系统的动力学特性发生变化，根据结构动力学修改方法，调控阻尼支撑的动力学特性，重构系统动态特性，有效提高系统稳定性。为了使磁流变阻尼支撑器件可以感知小幅振动位移，采用挤压模式设计磁流变阻尼支撑器件，该器件结构简单，尺寸较小，便于应用于多种场合，详见文献[Xinglong Gong,Xiaohui Ruan,Shouhu Xuan,Qifan Yan,and HuaxiaDeng.Magnetorheological Damper Working inSqueeze Mode.Advances in MechanicalEngineering,May 2014,pp 1-10,DOI:10.1155/2014/410158]：由于加工振动现象存在，外界激励力对阻尼器中磁流变液产生沿磁场方向施加外界正压力，使阻尼支撑器件产生对外输出阻尼力大大提高。
参照图4。文献采用双输出杆挤压型磁流变阻尼器，其装置包括下端盖1、外壳2、线圈3、挤压板4、支撑杆5和上端盖7。磁流变阻尼器是一个典型的圆柱形结构，其下端盖1通过均匀分布的四个螺栓与外壳2连接；线圈3是通过绕线模具，按照下端盖1和外壳2的具体尺寸绕制而成，紧靠外壳2固定；挤压板4和支撑杆5采用螺纹连接一起，并固定在下端盖1中心孔内；磁流变液6放置在由下端盖1、线圈3、挤压板4、支撑杆5所围成的磁流变液区域内；放置好磁流变液6后，将上端盖7与外壳2采用螺栓连接，最终组装完成文献所描述的挤压型阻尼器。线圈3通过直流稳压电源13供电后产生磁场，通过改变磁场的大小灵活调整磁流变液固化强度，从而改变磁流变阻尼器支撑强度大小。
文献所提出用于抑制复杂薄壁零件加工振动用的磁流变阻尼支撑器件具有效的解决了专门制作传统专用夹具成本高昂、体积大、笨重、不可调等诸多缺点，但该装置采用双输出杆结构形式，这就给利用其设计合理的阻尼支撑夹具提供难度，并且很难保证阻尼支撑器件实现稳定装夹定位，导致由于装夹定位带来薄壁工件的变形，同时，不稳定的装夹定位也不能保证加工过程中由于刀具的冲击作用使得工件初始位置发生位置偏移，进一步增大加工误差，从而降低零件的加工精度和加工质量。
发明内容
为了克服现有磁流变阻尼支撑器件实用性差的不足，本发明提供一种面向复杂薄壁零件加工振动抑制的磁流变阻尼支撑器件。该阻尼支撑器件包括下端盖、外壳、线圈、挤压板、支撑杆和上端盖，还包括密封圈、隔磁环、弹簧、位移传感器和直流稳压电源。该阻尼支撑器件具有动态可控性能，随着薄壁零件材料去除、切削位置和切削阶段不同因素使得薄壁零件动力学演化特性加剧，在不改变夹具原始布局情况下，有效调控磁流变阻尼支撑外界磁场控制参数，改变其动态特性，从而重构加工系统的动力学特性，保证薄壁零件加工系统稳定性，实现对复杂薄壁零件精密定位和加工，降低加工过程中薄壁零件加工变形和振动，提高薄壁零件加工精度和加工效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种面向复杂薄壁零件加工振动抑制的磁流变阻尼支撑器件，包括下端盖1、外壳2、线圈3、挤压板4、支撑杆5和上端盖7，其特点是还包括密封圈8、隔磁环9、弹簧10、螺母11、位移传感器12和直流稳压电源13。
所述下端盖1是圆柱形结构，所述外壳2是圆环状，下端盖1的直径与外壳2的外径等大，下端盖1与外壳2的下端固连在一起。线圈3放置在外壳2内侧固定，与直流稳压电源13电连接；挤压板4放置在下端盖1与上端盖7之间，挤压板4上端与支撑杆5的下端固连，挤压板4与下端盖1和上端盖7之间分别留有放置磁流变液6的间隙；支撑杆5穿过上端盖7的中心孔后，其顶端安装有位移传感器12，弹簧10套在支撑杆5上，位于上端盖7与螺母11之间；磁流变液6被注入到由下端盖1、挤压板4、支撑杆5、上端盖7和隔磁环9组成的区域；下端盖1与隔磁环9之间、上端盖7与隔磁环9之间以及支撑杆5与上端盖7之间采用密封圈8密封。
本发明的有益效果是：该阻尼支撑器件包括下端盖、外壳、线圈、挤压板、支撑杆和上端盖，还包括密封圈、隔磁环、弹簧、位移传感器和直流稳压电源。该阻尼支撑器件具有动态可控性能，随着薄壁零件材料去除、切削位置和切削阶段不同因素使得薄壁零件动力学演化特性加剧，在不改变夹具原始布局情况下，有效调控磁流变阻尼支撑外界磁场控制参数，改变其动态特性，从而重构加工系统的动力学特性，保证薄壁零件加工系统稳定性，实现对复杂薄壁零件精密定位和加工，降低加工过程中薄壁零件加工变形和振动，提高薄壁零件加工精度和加工效率。
复杂薄壁零件安装在初始定位夹具上之后，分析薄壁态特性，进行阻尼支撑器件布局。以下端盖平面为基准面，将其布置在易发生振动区域；通过调整螺母，改变支撑杆伸出长度，使其与薄壁零件接触，为薄壁零件提供预支撑力作用，增加了薄壁零件加工刚度，从而有效避免了薄壁零件在切削过程中因为自身刚度不够而产生的让刀变形和加工振动，使得零件加工过程更加稳定；在薄壁零件加工过程中，可以通过支撑杆和薄壁零件之间安装的位移传感器测量薄壁零件在支撑位置法向上的变形量，实现加工振动的在线监测，基于此监测数据，通过直流稳压电源适时调整阻尼支撑器件线圈控制参数大小，及时调控磁流变阻尼支撑器件的动态特性，从而重构薄壁零件加工系统动力学特性，从而提高系统加工稳定性。该器件可以有效提高薄壁零件的加工刚度、耗散振动能量，有效抑制加工振动和变形，从而保证零件的高速高效加工精度和加工质量。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明面向复杂薄壁零件加工振动抑制的磁流变阻尼支撑器件的结构示意图。
图2是图1中A-A处结构剖视图。
图3是图1中线圈供电示意图。
图4是背景技术磁流变阻尼支撑器件的结构示意图。
图中，1-下端盖，2-外壳，3-线圈，4-挤压板，5-支撑杆，6-磁流变液，7-上端盖，8-密封圈，9-隔磁环，10-弹簧，11-螺母，12-位移传感器，13-直流稳压电源。
具体实施方式
以下实施例参照图1～3。
本发明面向复杂薄壁零件加工振动抑制的磁流变阻尼支撑器件包括下端盖1、外壳2、线圈3、挤压板4、支撑杆5和上端盖7，还包括密封圈8、隔磁环9、弹簧10、螺母11、位移传感器12和直流稳压电源13。
所述的下端盖1为直径为Φ150mm的圆柱形结构，采用具有较高磁导率的电工纯铁制作，在下端盖1结构的周向均匀钻4个Φ6mm通孔，而外壳2为内径为Φ112mm、外径为Φ150mm采用电工纯铁制成，并在其上端和下端分别均匀分布4个M6螺纹孔，将下端盖1和外壳2的下端采用螺丝孔连接在一起。接着，将绕制好的线圈3放置在外壳内侧固定，通过直流稳压电源13，通电后产生稳定的磁场，满足使用要求。为了保证磁场有效通过目标区域，采用隔磁环9将线圈3和磁流变区域隔开，以保证大量磁感线穿过目标区域。上端盖7同下端盖1结构，其周围也分别均匀钻四个通孔，将其采用螺栓与外壳连接在一起。挤压板4放置在下端盖1和上端盖7之间，其中挤压板4与支撑杆5采用螺栓连接在一起，挤压板4与下端盖1和上端盖7之间分别留有放置磁流变液6的间隙，支撑杆5通过上端盖7的中心孔向外输出支撑力。磁流变液6被注入到由下端盖1、挤压板4、支撑杆5、上端盖7、隔磁环9所组成的磁流变液区域。为了避免磁流变液6通过下端盖1与隔磁环9、上端盖7与隔磁环9、支撑杆5与上端盖7之间的间隙泄露，采用密封圈8实现有效密封。同时，为了有效调整支撑杆5和薄壁零件之间的预支撑力，采用弹簧10和螺母11为支撑杆5提供预支撑力，螺母11通过螺纹与支撑杆5连接在一起，而弹簧10放置在上端盖7和螺母11之间，通过调整螺母11在支撑杆5的位置，可以有效的调节预支撑力的大小。在支撑杆5顶端安装有一个位移传感器12，其与薄壁零件接触，用于测量装夹过程和加工过程中叶片由于夹紧力和切削力的作用产生的位移偏差，可以通过测量位移量大小，通过直流稳压电源13调控阻尼支撑器件线圈3控制参数，改变磁流变液固化程度，有利于提高加工精度和加工效率。
对于磁流变液支撑材料，在未加磁场情况下，磁流变液区域内磁流变液6为流体状态，可以自由的调整阻尼支撑器件的支撑位置和预支撑力；当励磁线圈3通电产生磁场后，容器内磁流变液6迅速从牛顿流体状态到宾汉姆类固体状态，保证阻尼支撑器件对薄壁零件的阻尼支撑作用。但在外力作用于颗粒链的时候，颗粒链会迅速形成能承受较大外力的柱状多链结构，而本发明的磁流变阻尼支撑器件就是利用磁流变液材料的这一特性而设计的，其对小幅振动也很灵敏，支撑杆5通过将外界力传递到挤压板4，并对磁流变液产生挤压增强作用，改变挤压区域体积大小，使得磁流变液内磁性颗粒在外力作用下，快速形成粗壮柱状结构，对外产生更大的支撑力，从而有效耗散能量，达到抑制振动和变形的能力。另一方面，可以根据薄壁零件加工动态特性演化过程，优化调节电压/电流参数，调控阻尼支撑器件阻尼支撑特性，重构加工系统动力学特性，有效提高薄壁零件的动态可加工性。
该磁流变阻尼支撑器件的优越性主要体现在如下方面：可以根据薄壁零件加工状态，在不改变原有夹具布局的情况下，通过调整阻尼支撑器件的阻尼支撑特性，可有效改变工件的动态特性，提高系统的稳定性；针对复杂的薄壁零件，由于其型面比较复杂，可以通过改变支撑杆的伸长量，可以很好拟合薄壁工件的结构形状，具有较高的可调性；如需更换加工不同型号、尺寸的薄壁零件，可以通过改变磁流变阻尼支撑器件的尺寸，仅仅改变阻尼支撑器件或者支撑杆的尺寸即可，而不需要更换整个夹具系统。

Claims (1)

1.一种面向复杂薄壁零件加工振动抑制的磁流变阻尼支撑器件，包括下端盖(1)、外壳(2)、线圈(3)、挤压板(4)、支撑杆(5)和上端盖(7)，其特征在于：还包括密封圈(8)、隔磁环(9)、弹簧(10)、螺母(11)、位移传感器(12)和直流稳压电源(13)；所述下端盖(1)是圆柱形结构，所述外壳(2)是圆环状，下端盖(1)的直径与外壳(2)的外径等大，下端盖(1)与外壳(2)的下端固连在一起；线圈(3)放置在外壳(2)内侧固定，并与直流稳压电源(13)电连接；挤压板(4)放置在下端盖(1)与上端盖(7)之间，挤压板(4)上端与支撑杆(5)的下端固连，挤压板(4)与下端盖(1)和上端盖(7)之间分别留有放置磁流变液(6)的间隙；支撑杆(5)穿过上端盖(7)的中心孔，其顶端安装有位移传感器(12)，弹簧(10)套在支撑杆(5)上，弹簧(10)位于上端盖(7)与螺母(11)之间；磁流变液(6)被注入到由下端盖(1)、挤压板(4)、支撑杆(5)、上端盖(7)和隔磁环(9)组成的区域；下端盖(1)与隔磁环(9)之间、上端盖(7)与隔磁环(9)之间以及支撑杆(5)与上端盖(7)之间采用密封圈(8)密封。
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