CN110103055A - 一种用于薄壁零件加工的固定装置 - Google Patents

Abstract

一种用于薄壁零件加工的固定装置，有效的解决了现有技术中加工工序多、操作难度大以及辅助支撑介质回收难度大、成本消耗高的问题；包括制冷装置，制冷装置包括下底板和上底板，下底板和上底板之间设有冷源，冷源外设有多个连接在下底板和上底板之间的墙板，上底板上固定有托盘，托盘为桶状结构，托盘内套接有内套，上底板上开设有位于内套内部的多个环形的凹槽，托盘和内套上开设有位于同一位置的开口，开口处滑动设置有挡板；本发明结构简单，操作简便，采用水作为冰冻介质，成本低，易回收。

Description

一种用于薄壁零件加工的固定装置

技术领域

本发明涉及机械加工辅助设备技术领域，特别是涉及一种用于薄壁零件加工的固定装置。

背景技术

复杂薄壁类零件因其特有的高强度、重量轻、高承载性等特点，广泛应用于航空航天、汽车、国防等国家重要工业领域，其制造水平是衡量一个国家先进制造技术水平的主要标志。为满足曲面曲线结构多、协调精度要求较高等特点，薄壁件主要采用数控铣削的方法进行加工。但在加工过程中，随着零件壁厚的降低，零件的刚性亦随之下降，极易产生加工变形和切削颤振，造成变形趋势很难把握，严重恶化零件的尺寸精度和表面品质。

作为影响薄壁零件加工变形的重要因素，切削变形和振动是影响机械产品加工质量和机床切削效率的关键技术问题之一，也是实现自动化生产的严重障碍。国内外学者关于薄壁件铣削加工变形振动与控制问题开展了广泛研究。

切削参数优化方面：以构建薄壁零件切削振动稳定性模型，通过改变切削参数（切削速度、进给速度、切深等），或选择最优的切削参数组合，从而保证切削过程始终处于稳定切削状态。例如，Campa等人考虑薄壁件在铣削过程中变动态特性问题，计算了三维稳定性叶瓣图，开展非颤振切削参数选取。Zhou等人提出了适用于五轴加工过程中振动抑制的最佳切削参数选择方法。Arnaud给出了保证精度和表面质量的最佳的切削环境参数。又如“一种基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法（申请号为201210037510.7）”和“一种提高薄壁支撑装置加工精度的方法（专利号为201510067261.X）”。以上方法最显著的特点就是通过寻找切削参数域来适应现有加工系统的振动特性，因而对算法预测精度要求较高。但由于薄壁件结构的复杂性、刚度的时变性等，其系统稳定性可能存在较严重的预测误差且结果易受到外界的干扰，因此，切削过程趋势很难把握，控制效果不佳。

修改系统结构实施控制方面：Shamoto等提出了以不同的速度同时铣削薄壁结构两面的方法，抑制切削过程薄板颤振。Zhang等在工件刚度较低的部位粘贴压电陶瓷薄膜并施加控制作用以抑制工件的振动。王民等提出了一种新型的宽频带分布式多重动力吸振器，在零件每个模态阵型敏感点位置处布置多组动力吸振器贴紧排布，以实现时变切削振动的最优控制。程明迪等提出一种非接触式的电涡流阻尼器设计方法，旨在用于抑制加工过程中薄壁盘类工件的多模态振动。HamaedMoradi等提出利用可调减震器，抑制加工过程再生振动。需要注意的是，以上方法通过调整或安装阻尼器、作动器等方式增加薄壁件抗振性能，但由于实施控制后薄壁构件仍然为弱刚度零件，因此该类方法对抗振性能的提升有限，而对薄壁的变形控制的贡献基本可以忽略。

工装卡具的设计方面：该方法的主体思想为通过设计合理有效的辅助支撑增加薄壁件刚度。于金等、张晓峰等开发了基于吸盘的薄壁件的多点柔性工装系统。张壮志等人设计了柔性工装夹具，代替原有的代木支撑方式。Wang等提出以低熔点合金辅助切削方案可有效减小薄板加工中的振动问题。葛茂杰等采用石蜡辅助加固的工艺措施，提高工件刚度实现钛合金薄壁件的加工稳定性。以上方法取得了较好的薄壁件变形与振动控制效果，但是仍然存在诸如柔性工装系统复杂、操作难，低熔点合金和石蜡方法实施工序多、二次装夹精度损失、凝固阶段内应力压迫薄壁造成变形不可控等问题。

此外，现有的薄壁件铣削变形与振动控制方法存在明显的不足和局限性,有些方法无法适用于复杂曲面薄壁工件。如“一种针对薄壁零件多模态时变切削振动控制的两级分布式组合动力吸振器减振方法（申请号为201610936766.X）”、 “薄壁件铣削用随动支撑夹具（专利号为201510285670.7）”、“薄壁件加工的流体随动辅助支撑装置（专利号为201611093550.8）”、“一种薄壁件铣削振动的多机械手臂随动抑制装置（专利号为201510008289.6）”、“一种运用冰冻技术对板材薄壁材料进行固定的万能夹具(专利号为201621175713.2)”。发明专利201610932899.X公布了“一种用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具”，该方法基于磁流变液在磁场中液固转换，设计了柔性夹具控制复杂曲面零件的铣削振动和变形，可获得较好的实施效果。需要注意的是，该方法的本质是通过磁流变液改变被加工薄壁件的悬臂长，零件刚度增加抑制了切削振动，但被加工部分仍为薄壁件，刚度依然较弱，因此控制效果有限，而这在更薄的被加工对象时尤为突出。此外，铣削过程中，切屑会伴随加工进入磁流变液，可能引发磁流变液失效，造成其二次利用困难、加工成本上升等问题。

针对以上各个研究成果、发明专利的弊端和不足，现提出一种用于薄壁零件加工的固定装置。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种用于薄壁零件加工的固定装置，有效的解决了现有技术中加工工序多、操作难度大以及辅助支撑介质回收难度大、成本消耗高的问题。

其解决问题的技术方案是，一种用于薄壁零件加工的固定装置，包括制冷装置，制冷装置包括下底板和上底板，下底板和上底板之间设有冷源，冷源外设有多个连接在下底板和上底板之间的墙板，上底板上固定有托盘，托盘为桶状结构，托盘内套接有内套，上底板上开设有位于内套内部的多个环形的凹槽，托盘和内套上开设有位于同一位置的开口，开口处滑动设置有挡板。

本发明结构简单，操作简便，采用水作为冰冻介质，成本低，易回收。

附图说明

图1是本发明的立体示意图。

图2是本发明的主视剖视图。

图3是本发明图2中C部的放大示意图。

图4是本发明的俯视示意图。

图5是本发明加工曲面类薄壁零件外缘时的示意图。

图6是本发明加工曲面类薄壁零件内缘时的示意图。

图7是本发明图6中A-A的剖视示意图。

图8是本发明图6中B-B的剖视示意图。

具体实施方式

以下结合附图1至图8对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1至图8可知，一种用于薄壁零件加工的固定装置，包括制冷装置，制冷装置包括下底板1和上底板2，下底板1和上底板2之间设有冷源，冷源外设有多个连接在下底板1和上底板2之间的墙板3，上底板2上固定有托盘4，托盘4为桶状结构，托盘4内套5接有内套5，上底板2上开设有位于内套5内部的多个环形的凹槽6，托盘4和内套5上开设有位于同一位置的开口，开口处滑动设置有挡板7。

所述的上底板2上设有与下底板1连接的固定螺栓8。

所述的托盘4外均布有多个固定耳9，固定耳9经螺栓固定在上底板2上。

所述的冷源包括多组间隔布置的第一半导体10和第二半导体11，第一半导体10为电子型半导体，第二半导体11为空穴型半导体，第一半导体10和第二半导体11基于帕尔贴效应顶部制冷。

所述的上底板2与冷源、下底板1与冷源之间均设有陶瓷绝缘板12，下底板1上开设有多个位于陶瓷绝缘板12下方的散热槽13。

所述的托盘4内部设有环形凹槽14，环形凹槽14内设有电热管15，电热管15经连接螺母16连接有多个露出托盘4的铜制螺栓17。

所述的托盘4侧方开设有与电热管15位置对应的散热孔18。

所述的开口处设有排屑槽19。

本发明在使用时，将制冷装置的下底板1固定在机床的转台上，托盘4用螺栓穿过固定耳9固定在上底板2上，托盘4内侧铺设硅胶内套5，通过过盈配合产生的橡胶弹性将内套5固定在托盘4内部，托盘4开口处设有挡板7，将挡板7下移封堵开口，然后将需要加工的工件放置在托盘4底部，通过进水管20向托盘4内注水，当水位达到一定高度时，停止注水，启动制冷装置，制冷装置顶部制冷使得托盘4从底部开始降温，将托盘4内的水冰冻，在冰冻过程中，由于体积的膨胀挤压内套5，使得在膨胀过程中产生的应力有效释放，托盘4底部开设有多个环形的凹槽6，凹槽6位于工件底部，凹槽6内注水与工件底部接触，冰冻后增加冰体与工件接触面积，提升冰体附着力，当加工完毕后，开启托盘4内加热装置，电热管15加热，通过连接螺母16将热量传递给铜制螺栓17，对冰体进行解冻操作，此时，开启挡板7，使得解冻后的水以及切屑从开口处排出。

在加工曲面类薄壁零件外缘的时候，进水管20注水，依靠制冷装置将被加工零件冻于环形托盘4上，起到卡具作用，省去工装卡具的设计及装夹时间。在加工零件内缘时，进水管20继续注水，高度略低于工件高度，制冷装置继续制冷，水由液体变为固体，无缝贴合曲面零件外壁，薄壁由弱刚度零件变为类似实心体，抗弯能力显著提升，动力学特性显著改变，加工过程中由弱刚度造成的变形、振动、颤振等问题将得到有效抑制。零件内缘加工完毕，开启装置制热功能，通电电热管15迅速传热至铜制螺栓17，待冰体融化，取出被加工件，提起挡板7，排出水及零件切屑。

冷源包括多组间隔布置的第一半导体10和第二半导体11，第一半导体10为电子型半导体，第二半导体11为空穴型半导体，第一半导体10和第二半导体11基于帕尔贴效应顶部制冷，冷源经冷源线22连接电源，对托盘4内水进行冰冻，上底板2与冷源、下底板1与冷源之间均设有陶瓷绝缘板12，陶瓷绝缘板12能够防止短路的发生，避免工人受到电击伤害，下底板1上开设有多个位于陶瓷绝缘板12下方的散热槽13，能够将制冷过程中产生的热量即时排出。

托盘4内的加热装置包括托盘4内部的环形凹槽14，环形凹槽14内设有电热管15，电热管15经热源线21连通电源，电热管15经连接螺母16连接有多个露出托盘4的铜制螺栓17，电热管15发热通过连接螺母16传导给铜制螺栓17，将冰体解冻；托盘4侧方开设有与电热管15位置对应的散热孔18，散热孔18将环形凹槽14内的热量导出，以免影响后续的加工。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1）装置将水体冷冻与加热融化功能结合在一起，可保障复杂曲面类零件加工流程紧凑且高效率，水体可在较低温度范围和能耗下实现固液转换，可降低热应力等因素对加工精度的影响。

2）发明中用水作为复杂曲面类零件加工的辅助支撑和装夹介质，成本低，无需回收利用，克服了传统方法中石蜡、低熔点合金、磁磁流变液等在加工过程与切屑混合后不易回收、不能回收造成的消耗高等问题。

3）复杂曲面类零件环绕的冰体可显著降低加工过程被加工区域的温度，减小切削热变形、降低切削过程的切削力实现该类零件加工中长悬臂刀具的振动抑制，保障加工精度。

4）冰体周围采用硅橡胶环形内套5，其在冰冻条件下良好的弹性特性可以有效缓冲由于水冻结过程体积增加造成的膨胀应力，减小被加工件表面的压力，进而避免了薄壁件内缘加工额外变形。

Claims (8)

1.一种用于薄壁零件加工的固定装置，其特征在于，包括制冷装置，制冷装置包括下底板（1）和上底板（2），下底板（1）和上底板（2）之间设有冷源，冷源外设有多个连接在下底板（1）和上底板（2）之间的墙板（3），上底板（2）上固定有托盘（4），托盘（4）为桶状结构，托盘（4）内套（5）接有内套（5），上底板（2）上开设有位于内套（5）内部的多个环形的凹槽（6），托盘（4）和内套（5）上开设有位于同一位置的开口，开口处滑动设置有挡板（7）。

2.根据权利要求1所述的一种用于薄壁零件加工的固定装置，其特征在于，所述的上底板（2）上设有与下底板（1）连接的固定螺栓（8）。

3.根据权利要求1所述的一种用于薄壁零件加工的固定装置，其特征在于，所述的托盘（4）外均布有多个固定耳（9），固定耳（9）经螺栓固定在上底板（2）上。

4.根据权利要求1所述的一种用于薄壁零件加工的固定装置，其特征在于，所述的冷源包括多组间隔布置的第一半导体（10）和第二半导体（11），第一半导体（10）为电子型半导体，第二半导体（11）为空穴型半导体，第一半导体（10）和第二半导体（11）基于帕尔贴效应顶部制冷。

5.根据权利要求1所述的一种用于薄壁零件加工的固定装置，其特征在于，所述的上底板（2）与冷源、下底板（1）与冷源之间均设有陶瓷绝缘板（12），下底板（1）上开设有多个位于陶瓷绝缘板（12）下方的散热槽（13）。

6.根据权利要求1所述的一种用于薄壁零件加工的固定装置，其特征在于，所述的托盘（4）内部设有环形凹槽（14），环形凹槽（6）内设有电热管（15），电热管（15）经连接螺母（16）连接有多个露出托盘（4）的铜制螺栓（17）。

7.根据权利要求1所述的一种用于薄壁零件加工的固定装置，其特征在于，所述的托盘（4）侧方开设有与电热管（15）位置对应的散热孔（18）。

8.根据权利要求1所述的一种用于薄壁零件加工的固定装置，其特征在于，所述的开口处设有排屑槽（19）。