CN108007680B - 一种面向薄壁板材的低附加振动的测力专用夹具 - Google Patents

Abstract

本发明属于叶轮加工稳定性预测技术领域，提供了一种面向薄壁板材的低附加振动的测力专用夹具。该夹具包括夹具基座、夹紧侧板、夹紧卡板；通过夹紧卡板对薄壁工件的定位夹紧作用，减少中间传动结构，紧固夹持能力，另外，夹紧卡板的工件卡爪内侧设置为阶梯式结构，提高通用性；对工件在6个自由度上的完全定位，在成本与准确性之间取得了很好的平衡。

Description

一种面向薄壁板材的低附加振动的测力专用夹具

技术领域

本发明属于叶轮加工稳定性预测技术领域，具体涉及一种实验用的夹持薄壁板材的专用夹具。

技术背景

薄壁件广泛应用于航空航天等各个领域，对薄壁件铣削力的研究显得更加重要，然而目前科研实验中对薄壁件的夹持还需要改进。目前的实验中，对薄壁件夹持主要存在两种方法，第一种方法是整体异形工件法，该方法使用整体异形薄壁工件，不存在夹具自身振动的问题，但是该方法成本极高，相当于把夹具作为耗材来使用；另一种方法是通用虎钳法，该方法成本低，操作简便，但是存在夹具自身振动的问题，并且虎钳夹持处于欠定位状态，以铣削TC4钛合金为例：

用通用虎钳夹持工件而测量到的铣削力，得到的原始的钛合金铣削力信号如图1所示，其主轴转速1000rpm，0.2mm轴向切深，160mm/min进给率；可以看出原始的铣削力信号包含很多噪声，噪声已经几乎湮没了真实的铣削力信号。对该原始信号进行以68Hz为阈值的低通滤波，得到滤波并进行漂移补偿后的铣削力信号如图2所示，可以看出噪声去除的效果很明显。然而，由于原始信号的噪声过大，滤波后的信号已经失真了，本来4齿铣刀的铣削力的周期应该是主轴旋转周期的4分之1，本例中周期应该为60/1000/4＝0.015s，然而，这些特征已经湮没在图1的噪声中，并且在图2中已经丢失了。在图2中可以看出，在13.54s到13.61s直接还勉强可以分辨出来存在4个周期，但是在13.84s到13.91s之间就已经完全无法分辨了。

发明内容

本发明为了克服通用虎钳不适合在科研实验中对薄壁件进行夹持的不足，为了解决成本与准确性之间的矛盾，本发明针对测力仪，提出了一种薄壁板材专用夹具，具有尽量少的中间传动结构，尽量高的通用性，尽量紧固的夹持能力，对工件在6个自由度上的完全定位，在成本与准确性之间取得了很好的平衡。

本发明的具体技术方案为：

一种面向薄壁板材的低附加振动的测力专用夹具，包括夹具基座、夹紧侧板、夹紧卡板；其中夹具基座通过底板与测力仪固定连接，夹具基座的基座侧板两侧对称凸出设置的左滑动导轨、右滑动导轨分别与夹紧侧板两侧对称凹入设置的滑动槽B、滑动槽A匹配嵌入；薄壁工件位于夹紧侧板的工件夹紧面与基座侧板的工作面之间；夹紧侧板通过两侧不与薄壁工件接触的工件夹紧螺栓通孔A、B螺栓固定于基座侧板上；夹紧侧板的与工件夹紧面相对侧面的中心位置设置滑动导轨，用于与夹紧卡板中心位置开设的滑动槽配合定位夹紧卡板；夹紧卡板、夹紧侧板上位于滑动导轨和工件夹紧螺栓通孔A、B之间位置，分别开设螺栓通孔，用于将夹紧卡板和夹紧侧板螺栓固定；夹紧侧板的工件夹紧面一侧开设螺栓槽，用于锁定夹紧卡板和夹紧侧板间的螺栓位置；夹紧卡板面向夹紧侧板一侧在四个顶角处设置四个工件卡爪，用于嵌套于夹紧侧板外侧同时固定薄壁工件。

进一步地，上述基座侧板背侧设置加强筋，用于提高基座侧板的强度。

进一步地，所述工件卡爪用于固定薄壁工件的内侧为阶梯式结构，用于固定不同宽度的薄壁工件。

进一步地，上述工件卡爪的阶梯式结构中，各阶对应薄壁工件的宽度为等差数列排列。

一般来说，专用夹具只适合一种特定尺寸的工件，理论上讲，本夹具只能适合与某一特定宽度的薄壁工件，在这个问题上，不能在增加螺纹夹紧机构等附加机构，因为这样会大大增加附加振动风险，与本发明的目的(提高测力仪测量结果的准确性)背道而驰。但是，为了适当提高本夹具的通用性，提出了一套“交错式等差长度卡板组”，其基本思想为：把可夹持的工件宽度范围离散化，比如设计的工件宽度范围为21mm到100mm，把该范围离散化为{21mm，22mm，23mm，24mm，……，97mm，98mm，99mm，100mm}，把夹紧卡板的卡爪设计成阶梯式，每个夹紧卡板包括5个阶梯，可以包含上述集合中的5个离散点。这样，对于上述80个离散点，仅仅需要16个夹紧卡板就能实现完全覆盖，1号卡板的5个卡爪的宽度为{21mm，25mm，29mm，33mm，37mm}，2号卡板的5个卡爪的宽度为{22mm，26mm，30mm，34mm，38mm}，3号卡板的5个卡爪的宽度为{23mm，27mm，31mm，35mm，39mm}，依次类推，这16个夹紧卡板组成了“交错式等差长度卡板组”。这样就把本夹具的可夹持宽度范围从某一特定宽度扩展为80个特定宽度，在不增加复杂传动结构的前提下，夹具的通用性大大提高，却又不会增加附加振动风险。

本发明的有益效果为，

1.附加振动很低。从而可以避免噪声信号，进而可以大幅度提高测力仪的测量结果的准确性。

2.工件可以被完全定位。相比通用虎钳，多了4个自由度的定位。

3.具备一定的通用性，可以夹持高达80种不同宽度的薄壁板材工件。

4.与整体异形工件相比，成本大幅降低。

附图说明

图1：原始钛合金X方向铣削力信号图。

图2：低通滤波并进行漂移补偿后的钛合金X方向铣削力信号图。

图3：夹具基座的结构；其中，(a)为正面；(b)为背面。

图4：夹紧侧板的结构；其中，(a)为正面；(b)为背面。

图5：夹紧卡板的结构；其中，(a)为正面；(b)为背面。

图6：最终安装后的工件。其中：(a)为正面；(b)为背面；T1为薄壁工件；T2为夹紧侧板；T3为夹具基座；T4为夹紧卡板；T5为测力仪。

图7：工件装配过程图解A。

图8：工件装配过程图解B，其中，(a)为正面；(b)为背面。

图9：工件装配过程图解C。

图10：工件装配过程图解D，其中，(a)为正面；(b)为背面。

图11：工件装配过程图解E。

图12：对本夹具夹持的工件测得的铣削力信号进行滤波后的信号图。

图中：1右滑动导轨；2底板固定定位孔A；3左滑动导轨；4滑动槽；5底板；6底板固定定位孔B；7工件夹紧螺纹孔A；8加强筋；9工件夹紧螺纹孔B；10基座侧板；11滑动槽A；12工件夹紧螺栓通孔A；13夹紧卡板连接通孔A；14工件夹紧面；15工件夹紧螺栓通孔B；16夹紧卡板连接通孔B；17滑动导轨；18滑动槽B；19螺栓槽；20夹紧侧板通孔A；21夹紧侧板通孔B；22工件卡爪。

具体实施方式

本实施例设计了一套“交错式等差长度卡板组”，每套“交错式等差长度卡板组”由16个夹紧卡板组成，其中每个夹紧卡板包含5阶卡爪，5阶卡爪呈阶梯形排列(如图5(a)所示)，16个夹紧卡板的卡爪宽度各不相同，并且为等差数列，如表1所示。

表1每个夹紧卡板的卡爪宽度

一种面向薄壁板材的低附加振动的测力专用夹具，包括夹具基座、夹紧侧板、夹紧卡板；其中夹具基座通过底板5与测力仪固定连接，夹具基座的基座侧板10两侧对称凸出设置的左滑动导轨3、右滑动导轨1分别与夹紧侧板两侧对称凹入设置的滑动槽B18、滑动槽A11匹配嵌入；薄壁工件位于夹紧侧板的工件夹紧面14与基座侧板10的工作面之间；夹紧侧板通过两侧不与薄壁工件接触的工件夹紧螺栓通孔A12、B15螺栓固定于基座侧板10上；夹紧侧板的与工件夹紧面14相对侧面的中心位置设置滑动导轨17，用于与夹紧卡板中心位置开设的滑动槽4配合定位夹紧卡板；夹紧卡板、夹紧侧板上位于滑动导轨17和工件夹紧螺栓通孔A12、B15之间位置，分别开设螺栓通孔，用于将夹紧卡板和夹紧侧板螺栓固定；夹紧侧板的工件夹紧面14一侧开设螺栓槽19，用于锁定夹紧卡板和夹紧侧板间的螺栓位置；夹紧卡板面向夹紧侧板一侧在四个顶角处设置四个工件卡爪，用于嵌套于夹紧侧板外侧同时固定薄壁工件。

下面以100mm×200mm×4mm的薄壁工件为例，结合图7至图11，详细说明本夹具的具体安装方法。

1.把夹具安装在测力仪上、把工件安装在夹具上

(1)把夹具基座安装在测力仪上。

孔a-k3与孔b-k1同心，通过一颗M8长度25mm的螺栓拧紧。孔a-k4与孔b-k2同心，通过一颗M8长度25mm的螺栓拧紧。孔a-k1与孔b-k4同心，通过一颗M8长度25mm的螺栓拧紧。孔a-k2与孔b-k3同心，通过一颗M8长度25mm的螺栓拧紧。

(2)初步安装工件与夹紧侧板

将工件与夹具基座初步配合，将工件的c-m1面紧贴夹具基座的b-m1面，将工件的c-m2面紧贴夹具基座的b-m2面。将2颗M8长度60的螺栓分别穿过孔d-k2和孔d-k3(分别记为螺栓d-k2-LS和螺栓d-k3-LS)，螺栓头部嵌入到由面d-m1、d-m2和d-m3组成的凹槽中，从而锁紧螺栓，阻止螺栓旋转。将2颗M8长度60的螺栓分别穿过孔d-k6和孔d-k7(分别记为螺栓d-k6-LS和螺栓d-k7-LS)，螺栓头部嵌入到由面d-m4、d-m5和d-m6组成的凹槽中，从而锁紧螺栓，阻止螺栓旋转。将面d-m11与面b-m6配合，将面d-m12与面b-m7配合，将面d-m10与面b-m8配合，将面d-m13与面b-m4配合，将面d-m14与面b-m3配合，将面d-m15与面b-m5配合，将面d-m7、d-m8和d-m9均紧贴在面c-m5上，此时孔d-k4与螺纹孔b-k7是同轴心对齐的，用M8长度60的内六角螺钉(记为d-k4-b-k7-LD)初步拧上。此时孔d-k1与螺纹孔b-k5是同轴心对齐的，用M8长度60的内六角螺钉(记为d-k1-b-k5-LD)初步拧上。此时孔d-k8与螺纹孔b-k8是同轴心对齐的，用M8长度60的内六角螺钉(记为d-k8-b-k8-LD)初步拧上。此时孔d-k5与螺纹孔b-k6是同轴心对齐的，用M8长度60的内六角螺钉(记为d-k5-b-k6-LD)初步拧上。

(3)安装夹紧卡板、工件定心、工件夹紧

将面e-m1与面d-m17配合，将面e-m2与面d-m16配合，将面e-m3与面d-m19配合，将面e-m4与面d-m18配合，此时，螺栓d-k2-LS穿过孔e-k1，螺栓d-k3-LS穿过孔e-k2，螺栓d-k6-LS穿过孔e-k3，螺栓d-k7-LS穿过孔e-k4。对于工件，因为本示例中使用100mm×200mm×4mm的工件，所以应该用100-96-92-88-84卡爪组中的100mm卡爪，以其中一角为例，将面e-w100-a与面c-m3配合，将面e-w100-b与面c-m5(即面c-m1的背面)配合，其他三角同理。此时，即完成了工件的定心。然后分别用4个M8螺母拧在螺栓d-k2-LS、d-k3-LS、d-k6-LS和d-k7-LS上，无需拧紧。然后拧紧螺钉d-k4-b-k7-LD、d-k1-b-k5-LD、d-k8-b-k8-LD和d-k5-b-k6-LD。最后，拧紧在螺栓d-k2-LS、d-k3-LS、d-k6-LS和d-k7-LS上的4个螺母。至此，安装全部完成。

2.进行铣削试验

(1)把测力仪底座牢固地固定在TH5650数控加工中心的平台上，防止此环节产生强烈震动。

(2)用串行通信电缆把测力仪与对应的设备控制器连接起来。电缆从机床的上部绕出去，这样机床的门才能够关严。

(3)然后把设备控制器与计算机相连。

(4)在开始铣削加工操作之前，先要打开KistlerDynoware软件，开始采样5s，即确保测力仪进行一段不受力空测。

(5)开始实际铣削操作，主轴转速1500rpm，70mm/min进给率。

(6)在铣削操作结束后，持续采样5s。

(7)对采样结果进行零点漂移补偿。

(8)对补偿后的结果进行低通滤波。

对本夹具夹持的工件测得的铣削力信号进行零点漂移补偿以及低通滤波后的结果如图12所示，4个周期清晰可辨，可见本夹具产生的噪声是在可接受范围内的，本夹具是有效的。

Claims (3)

1.一种面向薄壁板材的低附加振动的测力专用夹具，其特征在于，包括夹具基座、夹紧侧板、夹紧卡板；其中夹具基座通过底板(5)与测力仪固定连接，夹具基座的基座侧板(10)两侧对称凸出设置的左滑动导轨(3)、右滑动导轨(1)分别与夹紧侧板两侧对称凹入设置的滑动槽B(18)、滑动槽A(11)匹配嵌入；薄壁工件位于夹紧侧板的工件夹紧面(14)与基座侧板(10)的工作面之间；夹紧侧板通过两侧不与薄壁工件接触的工件夹紧螺栓通孔A(12)、B(15)螺栓固定于基座侧板(10)上；夹紧侧板的与工件夹紧面(14)相对侧面的中心位置设置滑动导轨(17)，用于与夹紧卡板中心位置开设的滑动槽(4)配合定位夹紧卡板；夹紧卡板、夹紧侧板上位于滑动导轨(17)和工件夹紧螺栓通孔A(12)、B(15)之间位置，分别开设螺栓通孔，用于将夹紧卡板和夹紧侧板螺栓固定；夹紧侧板的工件夹紧面(14)一侧开设螺栓槽(19)，用于锁定夹紧卡板和夹紧侧板间的螺栓位置；夹紧卡板面向夹紧侧板一侧在四个顶角处设置四个工件卡爪，用于嵌套于夹紧侧板外侧同时固定薄壁工件；所述工件卡爪用于固定薄壁工件的内侧为阶梯式结构。

2.根据权利要求1所述的一种面向薄壁板材的低附加振动的测力专用夹具，其特征在于，工件卡爪的阶梯式结构中，各阶对应薄壁工件的宽度为等差数列排列。

3.根据权利要求1或2所述的一种面向薄壁板材的低附加振动的测力专用夹具，其特征在于，基座侧板背侧设置加强筋(8)，用于提高基座侧板的强度。