CN111390608A - 自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,包括置于机床工作台上的底座以及焊接在底座上的缸体,所述缸体内部底面装有用于定位和夹紧圆柱形薄壁工件的气动三爪卡盘以及焊于缸体内壁的隔板,所述缸体内部注有用于夹紧薄壁工件的磁流变液;所述缸体外壁上通过伺服驱动机构和导轨安装移动式交流电磁线圈,所述移动式交流电磁线圈由伺服驱动机构驱动沿导轨上下移动到加工的位置;所述底座内部固定连接有固定式直流电磁线圈,用于产生稳定的直流磁场,保持磁场强度。本发明的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,能够适用于复杂截面的圆柱形薄壁件,并且能够控制加热的工位,使待加工部分加热。
Description
技术领域
本发明涉及一种圆柱形薄壁件的夹具装置,尤其是一种圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,在对薄壁件加工时,可增加其刚度以及减小加工后的残余拉应力。
背景技术
随着现代制造业的迅速发展,机械产品日趋轻量化、微型化,所以薄壁件的应用越来越广泛,对薄壁件的加工也成为了一个主要的课题,目前大多数学者主要研究的问题是在加工薄壁件时由于工件的刚度不足会导致工件的加工变形问题,而对于薄壁件加工后的残余应力问题研究较少。
因为在加工区域,由于切削区会产生大量的热,表层金属受热发生膨胀,并且受到底层金属的限制会产生向内的压力,此时的内压很大,很容易就超过了工件的屈服强度,造成了很大的塑形变形。在边界条件的限制下,此时膨胀增加的体积和塑形变形减小的体积总和为零,这时加工后温度下降,由于塑形变形的体积不会发生改变而膨胀的体积开始减小,并且再受到底层金属的限制,就会产生拉力,这个拉力会一直随着温度降低而增大,从而残留在工件的内部,造成了工件在加工后有大量的残余拉应力的情况。残余拉应力在释放时会使工件发生变形从而会减小工件的精度,以及工件的使用寿命和抗腐蚀能力。由于薄壁件受到残余拉应力影响也非常严重,很容易发生变形,所以在在加工薄壁件时,要同时考虑减小残余拉应力的措施。为了减小残余拉应力,可以先将底层金属加热膨胀,进而对外层金属起到拉伸的作用,从而在加工前外层金属就有一个拉伸预应力,这样在加工时就可以和内压力进行抵消从而减小由于塑形变形导致的残余拉应力。
目前控制和减小残余拉应力的方式很多,也一直是提高零件加工质量的研究热点,包括用机械拉伸的施加预应力的方式。但相比之下,利用磁流变液夹具所需要的磁场再加以改进后,就可以实现双重功能。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的,目的在于提供一种自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,采用的是感应加热的方式,利用电磁线圈来加热工件从而减小工件加工后的残余拉应力。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:一种自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,包括置于机床工作台上的底座以及焊接在底座上的缸体,所述缸体内部底面装有用于定位和夹紧圆柱形薄壁工件的气动三爪卡盘以及焊于缸体内壁的隔板,所述缸体内部注有用于夹紧薄壁工件的磁流变液;所述缸体外壁上通过伺服驱动机构和导轨安装移动式交流电磁线圈,所述移动式交流电磁线圈由伺服驱动机构驱动沿导轨上下移动到加工的位置;所述底座内部固定连接有固定式直流电磁线圈,用于产生稳定的直流磁场,保持磁场强度。
进一步,所述伺服驱动机构包括轴承座、滚珠丝杠、螺母、联轴器以及伺服电机,两个所述轴承座分别通过螺栓固定于缸体外壁上下部,所述滚珠丝杠通过轴承与轴承座连接,所述螺母通过螺栓固定于移动式交流线圈上,所述伺服电机通过螺栓连接于底座上端,所述滚珠丝杠通过联轴器连接伺服电机,由伺服电机驱动滚珠丝杠进行升降,从而通过螺母带动电磁线圈进行升降。
进一步,所述伺服电机和移动式交流电磁线圈线圈分别与计算机电性连接,由计算机控制移动式交流电磁线圈的移动速度和所需要的磁场强度以及加热温度。
进一步,所述隔板内侧焊有密封圈,用于防止磁流变液的泄漏。
进一步,所述隔板采用导磁性好的材料,用于保障下部直流电磁线圈形成的磁场不受影响。
进一步,所述气动三爪卡盘由卡爪、卡爪座和气管接口组成,所述气管接口对接缸体外壁开有的气管接口槽。
进一步,所述卡爪的前端顶部嵌有压力传感器,用于检测薄壁工件与卡爪之间的位置,从而得知薄壁工件是否已被夹紧。
本发明的有益效果是:
由本发明的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置采用了移动式的加热线圈,所以,可以根据工件的形状,移动到要加工的位置。由于采用的是气动卡盘,加工工件的装夹过程和取出过程便捷;因为采用的磁流变液可以多次回收利用,且回收过程十分容易,所以,薄壁工件加工完成后也便于清洗,能够节约资源,降低生产成本;因此,本发明的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,能够适用于复杂截面的圆柱形薄壁件,并且能够控制加热的工位,使待加工部分加热。
由于本发明的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置是采用了计算机能控制线圈的移动速度和所需要的磁场强度以及加热温度,所以能够适用于截面大小不同的圆柱形薄壁件,并且能够控制加热的工位,使待加工部分加热,并且适用于不同材料工件的加热,可以提供不同的加热方式。
由于本发明的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置是采用的密封圈能够用于密封,所以能够防止磁流变液的泄漏。
由于本发明的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置是采用了压力传感器能够精确监控加工工件与卡爪之间的位置,可以有效的保证卡爪与工件之间完美接触,提高加工稳定性。
附图说明
图1为本发明的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置结构总装配图;
图2为缸体结构的俯视图;
图3为图2的A-A剖视图;
图4为气动三爪卡盘的示意图;
图5为伺服驱动机构的装配图;
图6为交流电磁线圈的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,详细的说明本发明的工作原理。
本发明所采用的一种自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置如图1所示,分别有移动式交流线圈和固定式直流线圈。交流线圈中产生的交变磁场在涡流效应的作用下,会使中间的工件被加热。
在工件加工内孔时,由于集肤效应的作用下,工件上产生的高频电流会集中在外壁,理论计算表明,86.5%的热量是发生在深度为δ的薄层内,此时内侧的电流密度较小,且在空气冷却的作用下会小于外壁的温度,这样就满足了上述的条件,进而起到减小残余拉应力的作用。
加热过程中的理论计算可由麦克斯韦方程组与热传导公式得到:
由麦克斯韦方程组导出的电磁场控制方程(1)可得涡流密度Je:
式中A为矢量磁势,J为电流密度(A/m2)。J=Js+Je,其中Js为源电流密度,Je为涡流密度。
A可由麦克斯韦方程(2)、(3)得到:
式中φ为标量电势(V)。
Js可由方程(4)得到:
由公式(5)可得热量Q:
式中材料参数εs为放射率,σb为波兹曼常数。
将涡流密度Je带入热传导公式(6)中的热量Q:
可得涡流产生的温度分布情况,以及随时间变化的情况。式中材料参数k为热传导系数,W/km;r为密度,kg/m3;C为比热,J/KgK;T为温度,℃。
本发明所研究的可减小工件残余应力的磁流变夹具主要解决的问题有:
1)采用加热方式,渐少或消除薄壁件加工后有残余拉应力,保证工件的精度及使用寿命;
2)磁流变夹具能够适用于复杂截面的圆柱形薄壁件,并且能够控制加热的工位,精准控制加热部位。
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解,以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例:
如图1所示,本实施例的一种自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置100,用于加工圆柱形薄壁件,包括:底座10、缸体20、移动式交流电磁线圈30、固定式直流电磁线圈31、伺服驱动机构40以及定位机构50。底座10,放置于机床工作台上。
如图2和图3所示,缸体20,焊于底座10上,缸体内部注有用于夹紧薄壁工件的磁流变液21,移动式交流电磁线圈30通过伺服驱动机构40和导向导轨22安装于缸体外壁,用于产生加热交变磁场。固定式直流电磁线圈31通过螺栓固定于底座内部,外部包裹有线圈32,内部有铁芯33,用于产生稳定的直流磁场,保持磁场强度。
定位机构50包括通过螺栓固定于底座10上的气动三爪卡盘51以及焊于缸体内壁的隔板52,用于定位和夹紧圆柱形薄壁工件。隔板52内侧焊有密封圈53,用于防止磁流变液21泄漏。
隔板52采用导磁性好的材料,用于保障下部直流电磁线圈形成的磁场不受影响,使磁流变液21有良好的固性。
如图4所示,气动三爪卡盘由卡爪511、卡爪座512和气管接口513组成,缸体外壁开有气管接口槽,正对于气动三爪卡盘的气管接口513。由于气动三爪卡盘的定心精度高,且夹紧力适中,所以适用于圆柱形工件的定位和加紧。
卡爪511的前端顶部可嵌有压力传感器,用于检测薄壁工件与卡爪311之间的位置,从而得知薄壁工件是否已被夹紧。
如图5所示,伺服驱动机构40包括轴承座41、44、滚珠丝杠42、螺母43、联轴器45以及伺服电机46。两轴承座41、44通过螺栓固定于缸体外壁。滚珠丝杠42通过轴承固定于轴承座上。螺母43通过螺栓固定于移动式交流线圈30上。伺服电机46通过螺栓连接于底座上端。伺服电机46还与计算机电性连接。
计算机可根据工件的形状、要加工的部分以及刀具的进给速度调整伺服电机的速度,进而保证加热时的需求。同时还可以根据加工条件的需求,通过电流大小来控磁力系统的磁场强度,以及通过电流的频率大小来控制加热的温度。
滚珠丝杠42下方与联轴器45相连,且联轴器45固定于伺服电机46上方。通过伺服电机46驱动滚珠丝杠42进行升降,进而可以通过螺母带动电磁线圈进行升降。
如图6所示,移动式交流电磁线圈30包括导轨凹槽301、交流线圈302、螺母固定孔303、丝杠孔304。丝杠孔304和导轨凹槽301分别置于移动式交流电磁线圈框的两端,移动式交流电磁线圈框外壁上绕有交流线圈302。
本实施例的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置的工作过程:
本实施例的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置100首先将薄壁工件的信息导入计算机中,将薄壁工件放于气动三爪卡盘上端,三爪卡盘通气,卡爪定紧工件,卡爪前端处嵌有压力传感器,用于精确监控加工工件与卡爪之间的位置,通过计算机进行整体控制。之后注入磁流变液,直流电磁线圈31,通过设置线圈32以及内部的铁芯33,在计算机的控制下可以产生需要的磁场,从而使磁流变液固化。交流电磁线圈30可通过设置线圈302,以及调整输入的电流频率满足加热的要求。接着计算机可根据工件的形状、要加工的部分以及刀具的进给速度调整伺服电机的速度,伺服电机46带动滚珠丝杠42运动,螺母43带动交流电磁线圈运动,即可保证可移动的加热方式。
本发明并不限于上述实例,在本发明的权利要求书所限定的范围内,本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种变形或修改均受本发明的保护。
Claims (7)
1.一种自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,包括置于机床工作台上的底座以及焊接在底座上的缸体,其特征在于:所述缸体内部底面装有用于定位和夹紧圆柱形薄壁工件的气动三爪卡盘以及焊于缸体内壁的隔板,所述缸体内部注有用于夹紧薄壁工件的磁流变液;所述缸体外壁上通过伺服驱动机构和导轨安装移动式交流电磁线圈,所述移动式交流电磁线圈由伺服驱动机构驱动沿导轨上下移动到加工的位置;所述底座内部固定连接有固定式直流电磁线圈,用于产生稳定的直流磁场,保持磁场强度。
2.根据权利要求1所述的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,其特征在于:所述伺服驱动机构包括轴承座、滚珠丝杠、螺母、联轴器以及伺服电机,两个所述轴承座分别通过螺栓固定于缸体外壁上下部,所述滚珠丝杠通过轴承与轴承座连接,所述螺母通过螺栓固定于移动式交流线圈上,所述伺服电机通过螺栓连接于底座上端,所述滚珠丝杠通过联轴器连接伺服电机,由伺服电机驱动滚珠丝杠进行升降,从而通过螺母带动电磁线圈进行升降。
3.根据权利要求2所述的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,其特征在于:所述伺服电机和移动式交流电磁线圈线圈分别与计算机电性连接,由计算机控制移动式交流电磁线圈的移动速度和所需要的磁场强度以及加热温度。
4.根据权利要求1所述的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,其特征在于:所述隔板内侧焊有密封圈,用于防止磁流变液的泄漏。
5.根据权利要求4所述的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,其特征在于:所述隔板采用导磁性好的材料,用于保障下部直流电磁线圈形成的磁场不受影响。
6.根据权利要求1所述的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,其特征在于:所述气动三爪卡盘由卡爪、卡爪座和气管接口组成,所述气管接口对接缸体外壁开有的气管接口槽。
7.根据权利要求6所述的自动加热的圆柱形薄壁件磁流变夹具装置,其特征在于:所述卡爪的前端顶部嵌有压力传感器,用于检测薄壁工件与卡爪之间的位置,从而得知薄壁工件是否已被夹紧。
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