CN110722386A - 一种叶片类零件磁流变液柔性夹持装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种叶片类零件磁流变液柔性夹持装置及方法属于零件装夹技术领域，涉及一种叶片类零件磁流变液柔性夹持装置及方法。夹持装置由榫头磁流变液夹紧机构，叶身磁流变液夹紧机构和磁流变液灌注装置构成。叶身磁流变夹紧机构通过螺栓连接于榫头磁流变夹紧机构的上方，叶身磁流变夹紧机构中的凹模灌注口与凸模灌注口分别和磁流变液灌注装置中的通道相连接。夹持方法中首先将叶片放入基座榫头定位槽中，用叶片榫头磁流变夹紧机构夹持叶片榫头部分，加工叶片的下段。加工完叶片下段后，用叶身磁流变夹紧机构夹持住叶身下段，加工叶片的上段。该方法在一次夹持定位条件下，完成叶片全表面加工，保证了整体加工精度，方法简便、快捷、准确。

Description

一种叶片类零件磁流变液柔性夹持装置及方法
技术领域
本发明属于零件装夹技术领域，涉及一种叶片类零件磁流变液柔性夹持装置及方法。
背景技术
叶片是航空燃气涡轮发动机的重要零件，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。叶片加工过程要求叶片装夹具有可靠性，且应尽量减少悬空面积以防止产生振动变形。目前，国内针对叶片类零件加工，大多采用低熔点合金装夹方式。该方式通过减小叶片悬深，增强叶片上段刚度，减小叶片挠曲变形，以保证叶片加工精度。然而，这种方法存在一些问题：一是低熔点合金蒸气有毒，影响健康且污染环境；二是低熔点合金中的铋元素渗入叶片后导致叶片疲劳强度下降，易诱发叶片断裂；三是浇注合金前要取下叶片，浇注后夹具需与工作台进行二次装夹，产生定位误差，影响加工精度。
磁流变液受外加磁场激励能迅速固化(ms级)，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包裹叶身复杂型面，又可以通过可控磁场实现对叶身局部或整体的固化支撑。同时，相比于低熔点合金，磁流变液具有固化速度快、定位精度好等优点，近年来已逐步应用于零件柔性装夹。在已有应用中，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高出剪切模量1～2个数量级，为叶片高可靠柔性装夹提供了可行的方案选择。
2015年，张定华等在专利CN201510046697.0中发明了一种柔性支撑装置，将叶片的叶身下段浸没于磁流变液中，通过外部励磁，实施柔性支撑，可以满足叶身上段加工中的夹持要求，但是需要后续的清洗处理。2016年，张丽等在专利CN201611189001.0中发明了一种压气机叶片装夹方法及使用的夹具，通过调整偏心轮，实现叶尖部位机械夹紧，满足了叶片锻造成型中的夹持要求。
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，针对叶片类零件加工中柔性、快速、可靠装夹难题，发明了一种叶片类零件磁流变液柔性夹持装置及方法。夹持装置中，由凹凸模构建填料空间，采用磁流变液自动填充软膜，实现了叶片表面的柔性、快速包络。设定磁流变液软膜内压阈值，调控灌注过程，确保软膜与叶片完全贴合，保证了支撑可靠性。软膜内磁流变液经可控励磁迅速固化，工作于挤压模式，保证了支撑刚性。一次装夹定位条件下，完成叶身全表面加工，保证了整体加工精度。
本发明采用的技术方案是一种叶片类零件磁流变液柔性夹持装置，其特征是：夹持装置由榫头磁流变液夹紧机构Ⅰ、叶身磁流变液夹紧机构Ⅱ和磁流变液灌注装置Ⅲ构成；
榫头磁流变液夹紧机构Ⅰ中，两个直线导轨1对称安装在磁流变液盛装槽2d的两侧，通过螺栓锁紧固定于基座2上；基座2加工有左凹槽2a、右凹槽2b、榫头定位槽2c、磁流变液盛装槽2d、螺纹孔2e、定位孔2f、榫头定位槽支撑面2g；用于限位的定位销7安装在定位孔2f中，左凹槽2a内安装左下可开关永磁11，右凹槽2b内安装右下可开关永磁4；在右凹槽2b下方加工有一个与榫头定位槽2c相通的螺纹孔2e，将紧固螺栓18旋入螺纹孔2e中；在磁流变液盛装槽2d中放置一定量的磁流变液19；榫头磁流变夹紧机构Ⅰ中未安装叶片8时，打开右下可开关永磁4和左下可开关永磁11将磁流变液19励磁固化，防止磁流变液19在夹持装置移动时发生倾洒。
在叶身磁流变液夹紧机构Ⅱ中，凹模10上加工有凹模灌注口10a和凹模型腔外凹槽10b,凸模6上加工凸模灌注口6a和凸模型腔外凹槽6b，左上可开关永磁9安装在凹模型腔外凹槽10b中，右上可开关永磁5安装在凸模型腔外凹槽6b中，凹模10侧壁有凸台与凸模6侧壁的凹槽契合，实现凹模10与凸模6的互连锁紧，构建填料空间；凹模灌注口10a与凸模灌注口6a分别和磁流变液灌注装置Ⅲ中的通道12相连接；在凹模10与凸模6的型腔外各安装一个耐磨、耐扎、弹性强度高的软膜，未灌注磁流变液前软膜蜷缩于凹模10和凸模6的型腔中，灌注磁流变液后软膜膨胀柔性贴合于叶身；将凹模10、凸模6与滑块3通过螺栓锁紧成一个整体安装在直线导轨1上，可通过沿直线导轨1做相对运动实现对叶片下身的夹持；为了限制凹模10和凸模6的运动范围将定位销7旋入基座2的定位孔f中；叶身磁流变液夹紧机构Ⅱ通过螺栓连接于榫头磁流变液夹紧机构Ⅰ的上方。
磁流变液灌注装置Ⅲ由通道12，三通13，压力表14，蠕动泵15，磁流变液储液箱16依次相互连接构成。
一种叶片类零件磁流变液柔性夹持方法，其特征是，夹持方法在安装叶片前，首先关闭基座2内的右下可开关永磁4和左下可开关永磁11，使磁流变液19恢复为液相；再将叶片8榫头部分8c沿基座2的榫头定位槽支撑面2g插入到榫头定位槽2c中，将螺纹孔2e中的紧固螺栓18旋紧固定叶片榫头部分；然后打开右下可开关永磁4和左下可开关永磁11，励磁固化磁流变液19，完成叶片榫头的安装、定位及夹持；打开数控机床完成对刀后,对叶片8的下段8b进行加工。
加工完叶片下段后，用叶身磁流变液夹紧机构II夹持住叶身下段，加工叶片的上段；将凸模6、凹模10沿着直线导轨1向叶片8方向移动，使凹模10侧壁的凸台与凸模6侧壁的凹槽相契合，实现凹模10与凸模6的互连锁紧构建填料空间；然后打开磁流变灌注装置Ⅲ，通过凹模10和凸模6上的灌注口10a和6a向填料空间内灌注磁流变液，磁流变液的不断注入使软膜不断膨胀，直至完全柔性贴合叶身；当压力表达到设定值时关闭磁流变液灌注装置Ⅲ；最后打开左上可开关永磁5、右上可开关永磁9使磁流变液励磁固化，完成对叶片下段8b磁流变柔性夹持；打开数控机床，完成对刀后，对叶片8的上段8a进行加工。
最后，叶片加工完成后，关闭左上可开关永磁5、右上可开关永磁9，使磁流变液恢复液态；将凹模10、凸模6分别沿直线导轨1移动至远离叶片8的一端；关闭基座2内的右下可开关永磁4、左下可开关永磁11，使基座2中的磁流变液19恢复液态，松开紧固螺栓18撤去施加在叶片榫头上的力，小心地拆卸叶片8。
本发明的效果是采用磁流变液自动填充软膜，实现了叶片表面的柔性、快速包络。设定磁流变软膜内压阈值，调控灌注过程，确保软膜与叶片完全贴合，保证了支撑可靠性。通过榫头磁流变液夹紧机构和叶身磁流变液夹紧机构依次夹紧叶片榫头和叶片下段，可以在一次装夹定位的基础上实现对叶片的整体进行加工，既提高了加工效率也保证了加工精度。叶身磁流变夹紧机构还能实现凹凸模快速构建填料空间、磁流变液自动填充软膜实现叶片快速定位，通过控制可开关永磁实现凹凸模内的磁流变液实现毫秒级的励磁固化。软膜内磁流变液经可控励磁迅速固化，工作于挤压模式，保证了支撑刚性。在一次装夹定位条件下，完成叶片全表面加工，保证了整体加工精度，方法简便、快捷、准确。
附图说明
附图1-加工叶片类零件磁流变液柔性夹紧装置整体示意图，附图2-榫头磁流变液夹紧机构和叶身磁流变液夹紧机构装配示意图，附图3-基座俯视图，附图4-基座主剖视图。
其中：1-直线导轨，2-基座，2a-左凹槽，2b-右凹槽，2c-榫头定位槽，2d-磁流变液盛装槽，2e-螺纹孔，2f-定位孔，2g-榫头定位槽支撑面，3-滑块，4-右下可开关永磁，5-右上可开关永磁，6-凸模，6a-凸模灌注口，6b-凸模型腔外凹槽，7-定位销，8-叶片，8a-叶片上半段，8b-叶片下半段，8c-榫头部分,9-左上可开关永磁，10-凹模，10a-凹模灌注口，10b-凹模型腔外凹槽，11-左下可开关永磁，12-通道，13-三通，14-压力表，15-蠕动泵，16-磁流变液储液箱，17-开关，18-紧固螺栓，19-磁流变液，Ⅰ-榫头磁流变液夹紧机构，Ⅱ-叶身磁流变液夹紧机构,Ⅲ-磁流变液灌注装置。
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。
叶片8是高温合金GH4196板料，轧制成形后的厚度0.8mm，叶片总长150mm，最终表面粗糙度为0.4，叶身型面的最小工差为+0.03～-0.03mm。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。磁流变液最大厚度14mm。磨削力100N。磁场强度大于120A/m。
附图1是加工叶片类零件磁流变液柔性夹紧装置整体示意图，图中的磁流变柔性夹持装置由榫头磁流变夹紧机构Ⅰ、叶身磁流变夹紧机构Ⅱ和磁流变液灌注装置Ⅲ构成，叶身磁流变夹紧机构Ⅱ通过螺栓连接于榫头磁流变夹紧机构Ⅰ的上方，叶身磁流变夹紧机构Ⅱ中的凹模灌注口10a与凸模灌注口6a分别和磁流变液灌注装置Ⅲ中的通道12相连接，如图1、2所示。
在榫头磁流变夹紧机构Ⅰ中，基座2加工有左凹槽2a、右凹槽2b、榫头定位槽2c、磁流变盛装槽2d、螺纹孔2e、定位孔2f，榫头定位槽支撑面2g，见图3、图4。左凹槽a内安装左下可开关永磁11，右凹槽b内安装右下可开关永磁4。螺纹孔2e加工在右凹槽b下方与榫头定位槽2c相通，将紧固螺栓18旋入螺纹孔2e中，用来顶紧叶片8的榫头部分8c。在磁流变盛装槽d中放置一定容量的磁流变液19，如图2、图3所示。榫头磁流变夹紧机构Ⅰ未安装叶片8时，打开可开关永磁4和可开关永磁11将磁流变液19励磁固化，防止磁流变液19在夹持装置移动时发生倾洒。
在叶身磁流变液夹紧机构Ⅱ中，两个直线导轨1对称地安装在磁流变液盛装槽d的两侧，通过螺栓锁紧固定于基座2上；凹模10上加工有凹模灌注口10a和凹模型腔外凹槽10b,凸模6上加工凸模灌注口6a和凸模型腔外凹槽6b，左上可开关永磁9安装在凹模型腔外凹槽10b中，右上可开关永磁5安装在凸模型腔外凹槽6b中，凹模10侧壁有凸台可与凸模6侧壁的凹槽契合，实现凹模10与凸模6的互连锁紧，构建填料空间。凹模灌注口10a与凸模灌注口6a分别和磁流变液灌注装置Ⅲ中的通道12相连接；在凹模10与凸模6的型腔外各安装一个耐磨、耐扎、弹性强度高的软膜，未灌注磁流变液前软膜蜷缩于凹模10和凸模6的型腔中，灌注磁流变液后软膜膨胀柔性贴合于叶身。将凹模10、凸模6与滑块3通过螺栓锁紧成一个整体安装在直线导轨1上，可通过沿直线导轨1做相对运动实现对叶片下身的夹持；为了限制凹模10和凸模6的运动范围将定位销7旋入基座2的定位孔f中；叶身磁流变液夹紧机构Ⅱ通过螺栓连接于榫头磁流变液夹紧机构Ⅰ的上方。
实施例中，首先将叶片放入基座榫头定位槽中，施加磁场励磁固化槽中磁流变液，榫头磁流变夹紧机构夹持住叶片榫头部分，加工叶片的下段；加工完叶片下段后施加磁场励磁固化磁流变液，叶身磁流变液夹紧机构夹持住叶片下段，加工叶片的上段；加工完叶片后，关闭磁流变液夹紧机构的磁场，撤去夹持力，取出叶片。夹持方法的具体步骤如下：
第一步 叶片榫头磁流变液夹持与下段加工
安装叶片8前，先关闭基座2内的右下可开关永磁4和左下可开关永磁11，使磁流变液19由固相转变为液相；然后将叶片榫头部分8c沿榫头定位槽支撑面2g插入到榫头定位槽2c中，拧紧紧固螺栓18使螺栓端面顶紧叶片榫头部分。再打开右下可开关永磁4和左下可开关永磁11，励磁固化磁流变液19，完成了叶片榫头的安装、定位以及夹持。打开数控机床，完成对刀后，对叶片8的下段8b进行加工。
第二步 叶片下段磁流变液柔性夹持与上段加工
将凸模6、凹模10沿着直线导轨1向叶片8方向移动，使凹模10侧壁的凸台与凸模6侧壁的凹槽相契合实现凹模10与凸模6的互连锁紧，构建填料空间。然后打开磁流变灌注装置Ⅲ，通过凹模10和凸模6上的灌注口10a和6a向填料空间内灌注磁流变液，磁流变液的不断注入使软膜不断膨胀，直至完全柔性贴合叶身；当压力表达到设定值时关闭磁流变液灌注装置Ⅲ。最后，打开右上可开关永磁5、左上可开关永磁9使磁流变液励磁固化，完成对叶片8下段8b磁流变柔性夹持。打开数控机床，完成对刀后对叶片8的上段8a进行加工。
第三步 加工完成，拆卸叶片
叶片加工完成后，关闭右上可开关永磁5、左上可开关永磁9，使磁流变液由固相转变为液相。将凹模10、凸模6分别沿直线导轨1移动至远离叶片8的一端。关闭基座2内的右下可开关永磁4、左下可开关永磁11，使基座2中的磁流变液19恢复液态，旋转紧固螺栓18撤去施加在叶片榫头上的力，将叶片8取下。
本发明可以在一次装夹定位的基础上实现对叶片的整体加工，既提高了加工效率也保证了加工精度。叶身磁流变液夹紧机构可以快速构建凹凸模与叶片间的填料空间，磁流变液自动灌注使软膜柔性贴合叶身，实现叶片快速、准确定位；通过控制可开关永磁实现凹凸模内的磁流变液实现毫秒级的励磁固化。

Claims (2)

1.一种叶片类零件磁流变液柔性夹持装置，其特征是：夹持装置由榫头磁流变液夹紧机构(Ⅰ)、叶身磁流变液夹紧机构(Ⅱ)和磁流变液灌注装置(Ⅲ)构成；
在榫头磁流变液夹紧机构(Ⅰ)中，两个直线导轨(1)对称安装在磁流变液盛装槽(2d)的两侧，通过螺栓锁紧固定在基座(2)上；基座(2)加工有左凹槽(2a)、右凹槽(2b)、榫头定位槽(2c)、磁流变液盛装槽(2d)、螺纹孔(2e)、定位孔(2f)，榫头定位槽支撑面(2g)；用于限位的定位销(7)安装在定位孔(2f)中，左凹槽(2a)内安装左下可开关永磁(11)，右凹槽(2b)内安装右下可开关永磁(4)；在右凹槽(2b)下方加工有一个与榫头定位槽(2c)相通的螺纹孔(2e)，将紧固螺栓(18)旋入螺纹孔(2e)中；在磁流变液盛装槽(2d)中放置一定量的磁流变液(19)；
在叶身磁流变液夹紧机构(Ⅱ)中，凹模(10)上加工有凹模灌注口(10a)和凹模型腔外凹槽(10b),凸模(6)上加工凸模灌注口(6a)和凸模型腔外凹槽(6b)；左上可开关永磁(9)安装在凹模型腔外凹槽(10b)中，右上可开关永磁(5)安装在凸模型腔外凹槽(6b)中，凹模(10)侧壁有凸台与凸模(6)侧壁的凹槽契合，实现凹模10与凸模6的互连锁紧，构建填料空间；凹模灌注口(10a)与凸模灌注口(6a)分别和磁流变液灌注装置(Ⅲ)中的通道(12)相连接；在凹模(10)与凸模(6)的型腔外各安装一个耐磨、耐扎、弹性强度高的软膜，未灌注磁流变液前软膜蜷缩于凹模(10)和凸模(6)的型腔中，灌注磁流变液后软膜膨胀柔性贴合于叶身；将凹模(10)、凸模(6)与滑块(3)通过螺栓锁紧成一个整体安装在直线导轨(1)上，通过沿直线导轨(1)做相对运动实现对叶片下身的夹持；为了限制凹模(10)和凸模(6)的运动范围将定位销(7)旋入基座(2)的定位孔(f)中；叶身磁流变液夹紧机构(Ⅱ)通过螺栓连接于榫头磁流变液夹紧机构(Ⅰ)的上方；
磁流变液灌注装置(Ⅲ)由通道(12)，三通(13)，压力表(14)，蠕动泵(15)，磁流变液储液箱(16)依次相互连接构成。
2.一种叶片类零件磁流变液柔性夹持方法，其特征是，夹持方法在安装叶片前，首先关闭基座(2)内的右下可开关永磁(4)和左下可开关永磁(11)，使磁流变液(19)恢复为液相；再将叶片榫头部分(8c)沿基座(2)的榫头定位槽支撑面(2g)插入到榫头定位槽(2c)中，将螺纹孔(2e)中的紧固螺栓(18)旋紧固定叶片榫头；然后打开右下可开关永磁(4)和左下可开关永磁(11)，励磁固化磁流变液(19)，实现叶片榫头的安装、定位以及夹持；打开数控机床完成对刀后,对叶片的下段(8b)进行加工；
加工完叶片下段后，用叶身磁流变液夹紧机构(Ⅱ)夹持住叶身下段，加工叶片的上段；将凸模(6)、凹模(10)沿着直线导轨(1)向叶片(8)方向移动，使凹模(10)侧壁的凸台与凸模(6)侧壁的凹槽相契合实现凹模(10)与凸模(6)的互连锁紧，构建填料空间；然后打开磁流变灌注装置(Ⅲ)，通过凹模(10)和凸模(6)上的灌注口(10a)和(6a)向填料空间内灌注磁流变液，磁流变液的不断注入使软膜不断膨胀，直至完全柔性贴合叶身；当压力表达到设定值时关闭磁流变液灌注装置(Ⅲ)；最后打开左上可开关永磁(5)、右上可开关永磁(9)使磁流变液励磁固化，完成对叶片下段(8b)磁流变柔性夹持；打开数控机床完成对刀后，对叶片(8)的上段(8a)进行加工；
最后，叶片加工完成后，关闭左上可开关永磁(5)、右上可开关永磁(9)，使磁流变液恢复液态；将凹模(10)、凸模(6)分别沿直线导轨(1)移动至远离叶片(8)的一端；关闭基座(2)内的右下可开关永磁(4)、左下可开关永磁(11)，使基座(2)中的磁流变液(19)恢复液态，松开紧固螺栓(18)撤去施加在叶片榫头上的力，拆卸叶片(8)。
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