CN109746758A - 一种基于非牛顿流体用于薄壁件的射流支撑装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于非牛顿流体用于薄壁件的射流支撑装置及方法，属于精密加工技术支撑领域，该方法首先设计并组装射流支撑装置，在夹具体上安装薄壁件。首先向射流装置中的高压缸内注入非牛顿流体，通过控制活塞的移动距离和移动速度进而实现对流体的射出压力控制，以满足不同薄壁件的支撑刚度要求；加工时，将射流装置放置在工件加工侧的另一面，且将组装好的射流装置与柱塞泵连接，用于回收射流介质。本发明的射流支撑装置中，通过伺服电机实现对活塞的精准运动控制，从而实现对流体射出压力的精准调控。本发明采用的射流介质为非牛流体，在喷射过程中产生的“分岔”现象，提高射流支撑的稳定性，保证加工的精度要求。

Description

一种基于非牛顿流体用于薄壁件的射流支撑装置及方法

技术领域

本发明属于精密加工支撑技术领域，涉及一种基于非牛顿流体用于薄壁件的射流支撑装置及方法。

背景技术

薄壁件在航空航天等领域被广泛应用，其上设计有尺寸和位置精度相对严格的复杂加工特征。然而，加工此类薄壁零件主要面临的问题是零件壁薄、刚度差、面型复杂等，导致加工过程中工件容易发生颤振变形，加工精度很难得到保证。所以在加工过程中需要对工件进行辅助支撑，以提高其局部刚度。

目前，针对薄壁零件的易变性等特性，提出的支撑方法主要包括镜像支撑、磁力支撑、磁流变液支撑等。镜像支撑一般适用于大型或超大型薄壁零件的随动支撑。但此种方法对机床的自由度运行要求比较高，一般需要两台五轴联动机床才能满足要求。所以此方法需要较大的占地空间。磁力支撑是利用固体磁铁作为支撑装置，利用磁性实现刀具与随动运动，此方法相比于镜像支撑虽简化了运行装置，但主要存在两个问题。一是由于磁性材料本身的磁力滞后性，导致刀具与磁性材料支撑体不可能实现真正的同步运动。二是固体磁性材料在运动过程容易对零件产生划伤。磁流变液支撑是利用变化磁场控制磁粒的运动状态。其最大的问题在于磁场的控制非常复杂。

射流支撑是一种较为简便的支撑方式，利用液体连续的冲击工件的加工区域以提供冲击力用以抵消刀具在加工过程中对工件的切削力。相比于其他支撑方式，射流支撑的优点在于：(1)控制射流脉冲频率可以利用有源降噪的原理抑制工艺系统的振动；(2)射流采用冷却液可以强化工件的冷却，降低切削温度(3)射流支撑为液体支撑，不会对工件产生划伤。在公布号为CN 103247219 A的专利中设计了一种切削射流支撑综合装置，但是其射流支撑采用的射流介质为水，属于牛顿流体，因为液体在连续的射出过程中，射流束的速度根据切削力的变化而调整，所以后射出的射流束头部在射出过程中可能会碰到先射出的射流束的尾部，导致后射出水的头部出现如附图2所示“分岔”现象，进而会影响到射流压力的幅值、持续时间和作用范围，从而影响射流支撑的稳定性。

发明内容

针对现有技术中，以水等牛顿流体为射流介质的射流支撑存在的冲击力不稳定问题，本发明提供一种基于非牛顿流体的射流支撑方法。提高了射流支撑的稳定性，保证了工件的加工精度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于非牛顿流体用于薄壁件的射流支撑装置，包括伺服电机1、弹性联轴器3、丝杠4、滚珠装置5、支撑套筒6、施压活塞7、调定弹簧8、高压活塞9、高压腔11。

所述射流装置采用的高精度伺服电机1可进行闭环的负反馈设置，根据射流介质10的目标速度实现伺服电机1转速的精准反馈调节，伺服电机1与丝杠4通过弹性联轴器3连接。所述滚珠装置5与丝杠4共同组成滚珠丝杠部件，其为射流装置的运动执行装置，用于将伺服电机1的转动精准的转化为直线运动。所述滚珠装置5与支撑套筒6连接为一体，支撑套筒6与施压活塞7连接，施压活塞7与高压活塞9之间采用调定弹簧8连接，高压活塞9与射流介质10直接接触；高压腔11内用于放置射流介质10，为射流介质10提供一个密闭的容器环境。

运行时，伺服电机1提供初始运动，丝杠4与伺服电机1直接连接，从而实现滚珠装置5的直线运动，滚珠装置5与施压活塞7连接，高压活塞9与施压活塞7通过调定弹簧8连接，最终通过施压活塞7的变速直线运动，实现对射流介质10的压力的调节，进而实现对射流介质10射出速度的调节。

一种基于非牛顿流体用于薄壁件的射流支撑方法，该方法基于非牛顿流体具有动力粘度系数随剪切速率增大而增大的特性，表现为粘度随冲击速度的变大而变大，从而保证后边的射流束的头部在碰到前边射流束的尾部时，后边射流束的头部粘度变大(表现为流体变硬)，进而保证后边射流束的头部不会产生“分岔”现象如附图3所示。实现了射流支撑加工过程中冲击力的稳定性。具体包括以下步骤：

第一步，设计并组装射流装置，并将射流装置放置在工件加工侧的另一面，且将组装好的射流装置与柱塞泵连接，用于回收射流介质10。

第二步，制备并注入射流介质10

本发明采用的射流介质10为非牛顿流体，流体的动力粘度系数不是恒量的流体为非牛顿流体，非牛顿流体包括宾汉姆流体、假塑性流体、膨胀性流体、震凝性流体、触变性流体等。本装置采用的射流介质10是膨胀性流体，其主要特性为动力粘度系数随剪切速率增大而增大，表现为粘度随冲击速度的变大而变大。所述射流介质10由特定比例的玉米淀粉和水均匀混合、搅拌制备而成，射流介质10制备完成后，将其注入到11高压腔内。

所述的玉米淀粉与水的质量比(1.8～2.2)：1，水的比例不能太高或太低，太高的话介质太稀，粘度变化特性不明显，达不到目标效果。太低的话介质太稠，从而粘度过大，黏附在高压腔11内壁上和出口处，影响介质射出的速度，同样达不到目标效果。

第三步，调控射流介质10射出速度

根据目标工件实际加工切削力，计算出相应射流束的射出速度。射出速度的变化由高压腔11的腔内压力变化保证，通过高压活塞9的变速直线运动实现。高压活塞9通过调定弹簧8与施压活塞7连接，通过改变施压活塞7与高压活塞9间的距离，调节高压腔11中射流介质10的压力，实现高压腔11中射流介质10喷射速度的调节。最终实现由伺服电机1控制滚珠装置5的直线运动，进而控制高压活塞9的直线运动。保证了由伺服电机1的运动控制射流介质10的射出速度变化。

第四步，将工件放置在加工台上，刀具在对工件加工面进行加工时，射流装置喷射出的射流介质10在工件另一侧对其进行随动射流支撑，喷射出的射流介质10通过柱塞泵回收。

本发明的有益效果是根据非牛顿流体粘度随冲击速度的变大而变大的特性，射流介质10选用非牛顿流体，替代了传统的牛顿流体，避免了射流的“分岔”现象，保证了射流支撑的稳定性。另外，本发明设计组装了射流支撑装置，实现了射流装置的速度可控，进而实现实际加工中针对不同切削力的射流支撑要求。

附图说明

图1为射流支撑装置的结构示意图。

图2为水的双脉冲射流形态图，射流介质为水的情况下喷射中产生的头部“分岔”现象。

图3为非牛顿流体的双脉冲射流形态图，在喷射过程中不会产生“分岔”现象。

其中1伺服电机，2固定板，3弹性联轴器，4丝杠，5滚珠装置，6支撑套筒，7施压活塞，8调定弹簧，9高压活塞，10射流介质，11高压缸。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

一种用于薄壁件的射流支撑装置，包括伺服电机1、弹性联轴器3、丝杠4、滚珠装置5、支撑套筒6、施压活塞7、调定弹簧8、高压活塞9、高压腔11。

所述射流装置采用的高精度伺服电机1可进行闭环的负反馈设置，根据射流介质10的目标速度实现伺服电机1转速的精准反馈调节，伺服电机1与丝杠4通过弹性联轴器3连接。所述滚珠装置5与丝杠4共同组成滚珠丝杠部件，其为射流装置的运动执行装置，用于将伺服电机1的转动精准的转化为直线运动。所述滚珠装置5与支撑套筒6连接为一体，支撑套筒6与施压活塞7连接，施压活塞7与高压活塞9之间采用调定弹簧8连接，高压活塞9与射流介质10直接接触；高压腔11内用于放置射流介质10，为射流介质10提供一个密闭的容器环境。

一种用于薄壁件的射流支撑方法，将调质好的非牛顿流体注入到射流装置中的11高压腔内，非牛顿流体注入完成后，利用密封环进行密封，由于高压腔11的射流介质10为高压流体，且高压腔11内的流体变化直接影响射流介质10的喷射速度，所以要确保装置密封性完好。刀具在对工件加工时，射流装置喷射出的射流介质10在工件另一侧对其进行射流支撑。射流介质10中玉米淀粉与水的质量比2：1。

启动伺服电机1，使其按照预设好的速度旋转工作，本装置采用的高精度伺服电机1，可进行闭环的负反馈设置。根据射流介质10的目标速度实现伺服电机1转速的精准反馈调节。伺服电机1与固定板2固定在一起，伺服电机1与丝杠4通过弹性联轴器3连接，滚珠装置5与丝杠4共同构成滚珠丝杠部件，用于将伺服电机1的转动精准的转化为直线运动，滚珠装置5与支撑套筒6连接为一体，支撑套筒6与施压活塞7连接，施压活塞7与高压活塞9之间采用调定弹簧8连接，高压活塞9与射流介质10直接接触。通过改变施压活塞7与高压活塞9间的距离(即改变弹性力)，进而调节高压腔11中射流介质10的压力，从而实现了高压腔11中射流介质10喷射速度的调节。整个射流装置实现由伺服电机1对射流介质10喷射速度的可控调节。

射流装置放置在工件加工侧的另一面，且将组装好的射流装置与柱塞泵连接，用于回收射流介质10。加工时，将工件放置在加工台上，刀具在对工件加工面进行加工时，射流装置喷射出的射流介质10在工件另一侧对其进行随动射流支撑，喷射出的射流介质10通过柱塞泵回收。

本发明不仅实现了射流介质10喷射速度的可控调节，而且由于所10选射流介质为非牛顿流体的动力粘度系数随剪切速率增大而增大的特性，相比于牛顿流体的射流支撑，有效保证了射流支撑的稳定性。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于非牛顿流体用于薄壁件的射流支撑装置，其特征在于，所述的射流支撑装置包括伺服电机(1)、弹性联轴器(3)、丝杠(4)、滚珠装置(5)、支撑套筒(6)、施压活塞(7)、调定弹簧(8)、高压活塞(9)、高压腔(11)；

所述的伺服电机(1)可进行闭环的负反馈设置，根据射流介质(10)的目标速度实现伺服电机(1)转速的精准反馈调节，伺服电机(1)与丝杠(4)通过弹性联轴器(3)连接；所述滚珠装置(5)与丝杠(4)组成滚珠丝杠部件，其为射流装置的运动执行装置，用于将伺服电机(1)的转动精准的转化为直线运动；所述滚珠装置(5)与支撑套筒(6)连接为一体，支撑套筒(6)与施压活塞(7)连接，施压活塞(7)与高压活塞(9)之间采用调定弹簧(8)连接，高压活塞(9)与射流介质(10)直接接触；高压腔(11)内放置射流介质(10)，为射流介质(10)提供密闭容器环境；

运行时，伺服电机(1)提供初始运动，通过丝杠(4)、滚珠装置(5)、支撑套筒(6)最终实现施压活塞(7)的变速直线运动，实现对射流介质(10)的压力的调节，进而实现对射流介质(10)射出速度的调节。

2.一种基于权利要求1所述装置实现的射流支撑方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步，组装射流装置，并将射流装置放置在工件加工侧的另一面，且将组装好的射流装置与柱塞泵连接，用于回收射流介质(10)；

第二步，制备并注入射流介质(10)

采用射流介质(10)为非牛顿流体中的膨胀性流体，其主要特性为动力粘度系数随剪切速率增大而增大，表现为粘度随冲击速度的变大而变大；所述射流介质(10)由一定比例的玉米淀粉和水均匀混合、搅拌制备而成，射流介质(10)制备完成后，将其注入到高压腔(11)内；

第三步，调控射流介质(10)射出速度

根据目标工件实际加工切削力，计算出相应射流束的射出速度；射出速度的变化由高压腔(11)的腔内压力变化保证，并通过高压活塞(9)的变速直线运动实现；

第四步，将工件放置在加工台上，刀具在对工件加工面进行加工时，射流装置喷射出的射流介质(10)在工件另一侧对其进行随动射流支撑，喷射出的射流介质(10)通过柱塞泵回收。

3.一种用于薄壁件的射流支撑方法，其特征在于，第二步所述的玉米淀粉与水的质量比(1.8～2.2)：1。