CN111037341A - 一种便携式磁流变柔性夹持装置及装夹方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种便携式磁流变柔性夹持装置及方法属于机械加工装夹技术领域，涉及一种便携式磁流变柔性夹持装置及方法。该装置由凸模和凹模组成，其装夹方法是首先把凹模、凸模分别放置在叶片的两侧，使凹模和凸模相契合。用活塞挤压磁流变液储存袋，使弹性软膜膨胀伸展紧密贴合叶身。打开长开关永磁，施加励磁磁场，使磁流变液励磁固化，实现叶片的可靠夹持。加工完叶片后，关闭长开关永磁的磁场，撤去夹持力，取出叶片。本发明采用壳式活塞挤压磁流变液存储袋使软膜迅速贴合叶片实现叶片快速定位，软膜内磁流变液经可控励磁迅速固化，工作于挤压模式，保证了支撑刚性和可靠性。在避免二次装夹的基础上，既提高了加工效率也保证了加工精度。

Description

一种便携式磁流变柔性夹持装置及装夹方法
技术领域
本发明属于机械加工装夹技术领域，涉及一种便携式磁流变柔性夹持装置及装夹方法。
背景技术
薄壁零件是航空燃气涡轮发动机的重要零件，以叶片为代表的薄壁零件的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。叶片一般是不能卡爪直接夹持、叶片属于薄壁工件，由于刚性差，在加工过程中容易产生振动变形，受力变形、受热变形等，其形位公差和尺寸公差无法得到保证，故其加工所面临的首要技术性难题就是叶片装夹方案。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，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。
2018年，牟文平等在专利CN2017102562609中发明了一种可以用于装夹任意曲面薄壁零件的柔性夹具，加工时将零件放置在两个磁流变液囊中，通过可调夹头、可调螺钉和施加外部强磁场实现柔性夹持。但是并未说明外部磁场的施加细节，在实际加工中外部磁场可能会对刀具加工轨迹产生影响。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。
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，针对以叶片类零件为代表的薄壁零件加工中柔性、快速、可靠装夹难题，发明了一种便携式磁流变柔性夹持装置及方法。该方法中，凹凸模构建填料空间，将磁流变液用弹性储存袋包裹置于凹凸模型腔内，通过压缩凹凸模型腔体积使弹性储存袋挤压软膜，实现了叶片表面的柔性、快速包络；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。加工完叶片下段后将凹凸模分别贴合在叶片下段的两侧并固定，可实现对叶片上半段的加工。
本发明采用的技术方案是一种便携式磁流变柔性夹持装置，其特征是,该柔性夹持装置由凸模组件和凹模组件组成，两组组件内部结构组成相同；凸模组件中，凸模2具有一个型腔，型腔开口处上下表面为凸弧形，凸模2内加工有凸模凹槽2a、凸模侧面孔2b、凸模后面孔2c；凹模组件中，凹模3具有一个型腔，型腔开口处上下表面为凹弧形；凹模3内加工有凹模凸台3a、凹模侧面孔3b、凹模后面孔3c；长齿轮1主体为齿轮，两端加工有螺纹，两个长齿轮1分别安装在凸模2的两个凸模侧面孔2b中和凹模3的两个凹模侧面孔3b中，并分别由六角螺帽10锁紧固定；两个长开关永磁5中分别安装在两个壳式活塞4中，长开关永磁5的轴端分别安装在凸模后面孔2c中和凹模后面孔3c中；在每个壳式活塞4侧表面有两个齿条状凸台4a，齿条状凸台4a下表面被加工成齿条状与长齿轮1的齿啮合，共同组成齿轮齿条进给机构；并分别安装在两个壳式活塞4的侧面；两个弹性软膜6分别封装在凸模2和凹模3的型腔外，装满磁流变液8的磁流变液储存袋7安装在壳式活塞4和弹性软膜6之间；
一种便携式磁流变液柔性装夹方法，其特征是，该装夹方法是对已经加工完下半段的叶片进行上半段加工时，为了避免二次装夹误差，叶片加工完下半段后不用从工作台上取下，直接将凹模组件、凸模组件分别放在叶片9的两侧，并靠在一起使凹模凸台3a和凸模凹槽2a相契合，实现互联锁紧；
然后，通过转动六角螺帽10使两个长齿轮1旋转，带动齿轮齿条进给机构中的齿条移动，使壳式活塞4向叶片9方向移动，壳式活塞挤压磁流变液储存袋7，使磁流变液储存袋7挤压弹性软膜6，使弹性软膜6膨胀伸展紧密贴合叶身；当弹性软膜6和叶片完全贴合后，打开两个长开关永磁5的开关，在夹持装置内施加垂直于叶片的横向磁场，磁流变液8在磁场的作用下励磁固化，完成对叶片9下半段的可靠夹持和固定；
启动数控机床，完成对刀后，对叶片9的上段进行加工；
待加工完叶片9的上半段后，关闭凹凸模中的长开关永磁5的磁场，使磁流变液恢复液态，撤去夹持力；再转动凹模3、凸模2上的六角螺帽10，使两个长齿轮1旋转，使壳式活塞4在齿条机构的带动下向远离叶片9的方向移动；待弹性软膜6与叶片9完全脱离后小心地拆卸叶片，并取出叶片9，完成该叶片加工。
本发明的有益效果是通过对加工完下半段的叶片后，不用取下直接进行叶片下段磁流变夹持后，加工叶片上段。在避免二次装夹的基础上提高了加工效率，也保证了加工精度，并且保证了加工过程的环保。叶身磁流变夹紧装置还能实现凹凸模快速构建填料空间、壳式活塞挤压磁流变液存储袋使软膜迅速贴合叶片实现叶片快速定位、储存袋内磁流变液可控，励磁迅速固化(毫秒级)等功能。夹持装置便携，夹持方法快捷，适用加工大批量生产的叶片。
附图说明
图1-柔性夹具装置凸模组件和凹模组件正视图，图2-图1的A-A剖视图，图3-凹模组件中长开关永磁及齿轮齿条机构示意图，图4-柔性夹具装置夹紧工件整体结构示意图。其中：1-长齿轮，2-凸模，2a-凸模凹槽，2b-凸模侧面孔，2c-凸模后面孔，3-凹模，3a-凹模凸台，3b-凹模侧面孔，3c-凹模后面孔，4-壳式活塞，4a-齿条状凸台，5-长开关永磁，6-弹性软膜，7-磁流变液存储袋，8-磁流变液，9-叶片，10-六角螺帽。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
叶片9采用高温合金GH4196板料，轧制成形后的厚度0.8mm，叶片总长80mm，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10mm。磨削力100N。磁场强度大于120A/m。
本发明设计的便携式磁流变柔性夹持装置由凸模组件和凹模组件两部分共同组成，两组组件内部结构组成相同。凸模组件中，凸模2具有一个型腔，型腔开口处上下表面为凸弧形，凸模2上加工有凹槽2a、凸模侧面孔2b、凸模后面孔2c；弹性软膜6封装在凸模2的型腔口外。长齿轮1主体为齿轮，两端加工有螺纹，长齿轮1通过两个凸模侧面孔2b安装在凸模2上，两端用六角螺帽10锁紧固定。长开关永磁5安装在壳式活塞4内部，长开关永磁5的轴端安装在凸模2的凸模后面孔2c中。在每个壳式活塞4侧表面有两个齿条状凸台4a，齿条状凸台4a下表面被加工成齿条状与长齿轮1的齿啮合，组成齿轮齿条进给机构。磁流变液8储存在磁流变液储存袋7中，磁流变液储存袋7放置在凸模2的型腔里，位于壳式活塞4和弹性软膜6之间。
凹模3上加工有凹模凸台3a、凹模侧面孔3b、凹模后面孔3c，弹性软膜6封装在凹模3的型腔口外。长齿轮1通过两个凹模侧面孔3b安装于凹模3上，两端用六角螺帽10锁紧固定。长开关永磁5安装在壳式活塞4内部，长开关永磁5轴端通过凹模后面孔3c安装在凹模3中。壳式活塞4加工有齿条状凸台与长齿轮1组成齿轮齿条进给机构。磁流变液8储存在磁流变液储存袋7中，磁流变液储存袋7放置在凹模3的型腔里，位于壳式活塞4和弹性软膜6之间。叶片9放置在凸模2和凹模3之间，凸模2和凹模3可以通过凸模2上的凹槽2a与凹模3上的凸台3a契合连接。加工时，叶片被凸模2和凹模3上的弹性软膜6包裹着。
实施例中，被加工完下半段的叶片固定在工作台上，把凹模3、凸模2放在叶片9的下半段两侧，将凹模凸台3a和凸模凹槽2a对齐扣紧夹持住叶片9。转动六角螺帽10使长齿轮1旋转，利用齿轮齿条机构挤压磁流变液储存袋7，使弹性软膜6膨胀贴合叶身。
加工时，打开长开关永磁5施加磁场，给叶片9提供夹持力。加工完叶片后，关闭磁流变夹紧机构的磁场，撤去夹持力，取出叶片。
方法具体步骤如下：
第一步叶片下段磁流变柔性夹持与上段加工。
为了避免二次装夹误差，当叶片9加工完下半段后不用从工作台上取下，加工叶片9的上半段前夹持叶片9的下半段。将凹模3、凸模2分别放在叶片9的两侧，使凹模3的凹模凸台3a和凸模2的凸模凹槽2a相契合，实现互联锁紧，初步夹持住叶片9。转动六角螺帽10使长齿轮1旋转，利用齿轮齿条机构使壳式活塞4在齿轮齿条机构的运动下向叶片9方向移动。壳式活塞4在移动的过程中挤压着磁流变液储存袋7，由于磁流变液8在未励磁时是液态，磁流变液储存袋7受到壳式活塞4的挤压时整体向弹性软膜6方向运动，挤压弹性软膜6，使原本蜷缩在凹模3型腔、凸模2型腔内的弹性软膜6膨胀与叶身完全贴合。
然后停止转动六角螺帽10，使长齿轮1停止旋转。打开凸模2与凹模3中的长开关永磁5的开关，在夹持装置内施加垂直于叶片9的横向磁场，磁流变液8在磁场的作用下励磁固化变成固态，完成对叶片9下半段的可靠夹持。
启动数控机床，完成对刀后，对叶片9的上段进行加工。
第二步完成加工，拆卸叶片。
加工完叶片9的上半段后，关闭凹模3、凸模2中的长开关永磁5，撤去励磁磁场，使磁流变液8恢复液态。转动六角螺帽10，使凹模3、凸模2上的长齿轮1旋转，壳式活塞4在齿轮齿条机构的带动下向远离叶片9的方向移动。磁流变液储存袋7由于磁流变液8的重力作用随即脱离弹性软膜6，待弹性软膜6与叶片9完全脱离后，小心地拆卸叶片。完成叶片加工。
本发明可以在一次装夹定位的基础上，实现对已经加工完下半段的叶片进行上半段的加工。夹持装置便携，夹持方法快捷，既提高了加工效率也保证了加工精度，适用于大批量生产的叶片加工。便携式叶片磁流变夹紧机构还能实现凹凸模快速构建填料空间、壳式活塞挤压磁流变液存储袋使软膜迅速贴合叶片实现叶片快速定位、储存袋内磁流变液可控励磁迅速固化(毫秒级)等功能。

Claims (2)

1.一种便携式磁流变柔性夹持装置，其特征是，该柔性夹持装置由凸模组件和凹模组件组成，两组组件内部结构组成相同；凸模组件中，凸模(2)具有一个型腔，型腔开口处上下表面为凸弧形，凸模(2)内加工有凸模凹槽(2a)、凸模侧面孔(2b)、凸模后面孔(2c)；凹模组件中，凹模(3)具有一个型腔，型腔开口处上下表面为凹弧形；凹模(3)内加工有凹模凸台(3a)、凹模侧面孔(3b)、凹模后面孔(3c)；长齿轮(1)主体为齿轮，两端加工有螺纹；两个长齿轮(1)分别安装在凸模(2)的两个凸模侧面孔(2b)中和凹模(3)的两个凹模侧面孔(3b)中，并分别由六角螺帽(10)锁紧固定；两个长开关永磁(5)分别安装在两个壳式活塞(4)中，长开关永磁(5)的轴端分别安装在凸模后面孔(2c)中和凹模后面孔(3c)中；在每个壳式活塞(4)侧表面有两个齿条状凸台(4a)，齿条状凸台(4a)下表面被加工成齿条状与长齿轮(1)的齿啮合，共同组成齿轮齿条进给机构；两个弹性软膜(6)分别封装在凸模(2)和凹模(3)的型腔口外，装满磁流变液(8)的磁流变液储存袋(7)安装在壳式活塞(4)和弹性软膜(6)之间。
2.一种便携式磁流变液柔性装夹方法，其特征是，该装夹方法是对已经加工完下半段的叶片进行上半段加工时，为了避免二次装夹误差，叶片加工完下半段后不用从工作台上取下，将凹模组件、凸模组件分别放在叶片(9)的两侧，并靠在一起使凹模凸台(3a)和凸模凹槽(2a)相契合，实现互联锁紧；
然后，通过转动六角螺帽(10)使两个长齿轮(1)旋转，带动齿轮齿条进给机构中的齿条移动，使壳式活塞(4)向叶片(9)方向移动，壳式活塞(4)挤压磁流变液储存袋(7)，使磁流变液储存袋(7)挤压弹性软膜(6)，使弹性软膜(6)膨胀伸展紧密贴合叶片；当弹性软膜(6)和叶片完全贴合后，打开两个长开关永磁(5)的开关，在夹持装置内施加垂直于叶片的横向磁场，磁流变液(8)在磁场的作用下励磁固化，完成对叶片(9)下半段的可靠夹持和固定；
启动数控机床，完成对刀后，对叶片(9)的上段进行加工；
待加工完叶片(9)的上半段后，关闭凹凸模中的长开关永磁(5)的磁场，使磁流变液恢复液态，撤去夹持力；再转动凹模(3)、凸模(2)上的六角螺帽(10)，使两个长齿轮(1)旋转，并使壳式活塞(4)在齿条机构的带动下向远离叶片(9)的方向移动；待弹性软膜(6)与叶片(9)完全脱离后小心地拆卸叶片(9)，并取出叶片(9)完成该叶片的加工。
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