CN114290097B - 一种面向球冠薄壁件的磁流变支撑装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向球冠薄壁件的磁流变支撑装置与方法，属于薄壁件装夹技术领域。该磁流变支撑装置由球面阵列励磁设备、灌注模块和控制模块组成，通过灌注模块令磁流变液贴合球冠件，采用控制模块控制球面阵列励磁设备产生磁场，磁流变液励磁固化，实现球冠件支撑。本发明采用磁流变液作为支撑介质，其流动特性优良，对球冠件复杂廓形的适应性好；采用六棱台电永磁铁阵列密排于球面，磁场强度高、磁场连续性好，保证磁流变液的支撑性能；基于“PC+HMI+PLC”的控制系统自动调节球面磁场的强度/区域，令磁流变支撑布局快速重分布，对复杂载荷适应性好，自动化水平高；同时绿色环保、成本低，实现了对球冠件的柔性、高效、可靠支撑。

Description

一种面向球冠薄壁件的磁流变支撑装置与方法

技术领域

本发明属于薄壁件装夹技术领域，涉及一种面向球冠薄壁件的磁流变支撑装置与方法。

背景技术

航空航天、核工程等领域的重大装备中存在一类球冠类薄壁件，如火箭推进剂贮箱封头、高温气冷堆燃料球外壳等，加工时具有严格的尺寸精度要求，如筋宽、槽深、壁厚等。然而，球冠薄壁件刚性较差，材料高速去除过程极易诱发变形、振动，引起尺寸精度下降，进而影响服役性能，需从外部引入可靠支撑，加强球冠件刚性；同时，该类球冠件的毛坯一般采用旋压或充液拉深、拼焊等方式成型，其形状尺寸较原始设计存在偏差，支撑界面必须适应复杂廓形，紧密贴合球冠件。在机械装夹领域，球冠件除了通过定位、夹紧处于正确位置外，其弱刚性区域还需受到支撑，限制变形、振动，保证加工精度。因此，面向弱刚性复杂廓形的球冠薄壁件的装夹需求，设计柔性、可靠的支撑装置十分关键。

实际生产中，该类球冠件一般通过仿形靠模支撑+强力张紧进行整体刚性装夹。然而，仿形靠模的规则表面无法贴合球冠件的随机廓形，局部仍有悬空，支撑柔性不足。近年来提出多种柔性支撑方法，如真相变支撑、伪相变支撑、多点柔性支撑、镜向支撑等。然而，真相变材料的相变过程伴随体积变化，与球冠件贴合不紧密；伪相变材料刚度较差、多点柔性支撑的分布不均、镜像支撑的支撑力极不稳定，在支撑可靠性上都存在不足。磁流变液是一种固化性能可由磁场连续调节的智能材料；在零磁场下可自由流动、适应复杂廓形；受磁场激励，可对球冠件整体/局部提供连续、均匀支撑；同时绿色环保、成本低；为球冠类薄壁件的柔性、可靠支撑提供了有效方案选择。

2016年，宋清华等人在专利《一种用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具》CN201610932899.X中，采用整体固化的磁流变液支撑复杂曲面薄壁件。该夹具的磁流变支撑区域依靠手摇阻磁板逐步调节，不能随刀具移动自动切换，影响加工效率；该夹具的磁源为电磁板，电能功耗高，磁能密度低，磁场强度受限，影响支撑可靠性。2019年，牟文平等人在专利《一种基于磁流变液的柔性夹具与装夹方法》CN201811519110.3中，将多个叉形夹头的两个磁流变液囊励磁固化、手调压紧，夹紧零件不规则边缘，实现弱刚性零件固持。然而该夹具只能支撑零件边缘，零件仍存在大面积未支撑区域，刚性不足，引起变形及振动。

上述均未提及一种面向球冠薄壁件的磁流变支撑装置与方法。

发明内容

针对大型球冠薄壁件柔性、可靠支撑这一难题，本发明提供了一种大型球冠类薄壁件磁流变支撑装置与方法。本发明中，利用流态磁流变液充满胎模与球冠件间隙，适应球冠件复杂廓形，实现紧密贴合；采用六棱台磁铁阵列密排于球面，磁场连续、均匀覆盖球冠件，磁流变支撑对球冠件任意位置可达；采用电永磁铁作为磁源，磁能密度高，磁场强，保证磁流变液的支撑性能；磁场保持时电永磁铁内的电流为零，避免电磁热积累，功耗小，安全性高；设计基于“PC+HMI+PLC”的控制系统，自动调节球面磁场的强度/区域，令支撑布局快速重分布，实现球冠件整体/局部的刚度可控支撑，对载荷变化适应性强。

本发明采用的技术方案是：

一种面向球冠薄壁件的磁流变支撑装置，包括球面阵列励磁设备、灌注模块和控制模块。

所述球面阵列励磁设备包括底座1、吊环2、励磁单元6、球模4、球冠件5、密封圈10和压边3。其中，底座1通过吊环2吊装至机床工作台，并通过其底部的U型槽1.1固定；底座1的平面1.2托住由33个励磁单元6拼成的励磁阵列，励磁阵列底部与平面1.2焊接固定。

所述励磁单元6包括外壳6.3、铝镍钴铁芯6.2、磁极6.4、钕铁硼永磁铁6.6 和线圈6.7。其中，外壳6.3为6个楔形侧面6.1构成的壳体结构，相邻励磁单元6通过楔形侧面6.1贴合实现球面密排，保证球面磁场连续性。铝镍钴铁芯 6.2设置在外壳6.3内，线圈6.7绕制在铝镍钴铁芯6.2上；磁极6.4设于顶部。 6根钕铁硼永磁铁6.6等间距均匀排布，其S极与外壳6.3相接，N极与磁极6.4 相接。磁场关闭状态时，铝镍钴铁芯6.2的N极朝下，磁矢回路为：磁感线从铝镍钴铁芯6.2的N极发出，依次经过外壳6.3、钕铁硼永磁铁6.6、磁极6.4，重新回到铝镍钴铁芯6.2的S极。磁场开启状态时，线圈6.7施加脉冲电流，令铝镍钴铁芯6.2的N极朝上，磁矢回路为：磁感线从铝镍钴铁芯6.2的N极与钕铁硼永磁铁6.6的N极发出，依次进入磁极6.4、工作区域、外壳6.3，最后分别回到铝镍钴铁芯6.2的S极与钕铁硼永磁铁6.6的S极。所述磁极6.4上加工有凸台6.5，用于消除光滑磁极的“边缘效应”(中心磁场低，边缘磁场高)，提高了球面磁场的均匀性。磁极6.4与球冠件5和球模4的几何廓形保持一致。球模4内壁与33个励磁单元顶部的磁极6.4粘接，球模4外壁与球冠件5内壁构成容纳磁流变液的空腔9。所述球模4边缘设有环形密封槽4.1，内嵌密封圈10。所述球冠件5边缘放置在环形密封槽4.1上，并通过压边3将球冠件5和密封圈 10压紧，实现对空腔的密封。

所述灌注模块包括入口管道8、法兰11、出口管道7、储液箱13和螺杆泵 12。其中，入口管道8与球模的边缘圆孔4.2粘接，并通过法兰11强化固定；出口管道7与球模的顶部圆孔4.3粘接。储液箱13通过软管与螺杆泵12连接，螺杆泵12将磁流变液经入口管道8注满空腔9，实现对球冠件的柔性贴合；磁流变液经出口管道7回流至储液箱13。

所述控制模块包括HMI(人机界面)16、PC(计算机)17、PLC(可编程序控制器)15和充磁器14。其中，PC17和HMI16都接入PLC15，PC17向PLC15 载入励磁程序，HMI16从PLC15处查询励磁状态。PLC15采入刀具坐标，判断励磁区域和励磁强度，向充磁器14发出励磁指令，所述充磁器14与33个励磁单元6的输入端6.8相连，选通对应的励磁单元6并施加脉冲电流，励磁单元6 在空腔9中产生磁场，空腔9内的磁流变液励磁固化，为球冠件提供磁流变支撑。

利用上述装置对球冠类薄壁件进行磁流变支撑的方法：通过灌注模块令磁流变液紧密贴合球冠件，控制模块根据刀具位置向球面阵列励磁设备发送指令，球面阵列励磁设备在所需区域产生磁场，磁流变液励磁固化，实现对球冠件的磁流变支撑。具体步骤如下：

首先，将球冠件5的下表面放置在球模4边缘的环形密封槽4.1上表面，通过打表找正，令球冠件5与环形密封槽4.1同心，使球冠件5形成“一面一销”定位；然后通过压边3压紧球冠件5与密封圈10，在球冠件5与球模4之间构造出密闭空腔9。

接着，启动螺杆泵12，储液箱13中的磁流变液经软管依次通过螺杆泵12、入口管道8进入空腔9；空腔9被注满后，磁流变液经出口管道7回流至储液箱 13，观察到回流现象后，停止螺杆泵12。

此后，启动励磁程序，PLC15采集当前刀位坐标，计算磁流变支撑所需的励磁单元6的序号、磁场强度，发送励磁指令至充磁器14；充磁器14依据指令对指定的励磁单元6充磁，产生所需磁场强度，固化磁流变液，为球冠件提供磁流变支撑；通过HMI16实时监控33个励磁单元6的开关状态，提供励磁区域分布信息；随着刀位坐标变换，PLC15不断计算新的励磁单元6的序号、磁场强度并自动切换，实现磁流变支撑对加工过程的自动跟踪。

加工过程结束，PLC15控制所有励磁单元6的磁场变为0，空腔9内磁流变液全部恢复液态；反向启动螺杆泵12，空腔9内磁流变液在螺杆泵回吸力及自身重力作用下，经入口管道8、螺杆泵12回流至储液箱13，球冠件5与磁流变液脱离接触；停止螺杆泵12，取下球冠件5。

本发明的有益效果：本发明采用磁流变液作为支撑介质，其流动特性优良，对球冠件复杂廓形的适应性好；阵列式球面励磁装置中，电永磁铁在球面按六边形密排，磁场强度高、磁场连续性好，不产生有害电磁热；磁极上设计凸台，消除光滑磁极的“边缘效应”，保证磁场分布的均匀性；球面励磁装置集成至“PC+HMI+PLC”控制模块，实现磁场强度/区域的快速调节，对复杂载荷适应性好，自动化水平高。

附图说明

图1为球面阵列励磁设备爆炸图。

图2为磁流变支撑装置整体结构示意图。

图3为密封结构局部放大图。

图4为励磁单元工作原理图，其中(a)为关闭状态，(b)为开启状态。

图5为磁流变支撑流程图。

其中：1底座；1.1U形槽；1.2平面；2吊环；3压边；4球模；4.1环形密封槽；4.2边缘圆孔；4.3顶部圆孔；5球冠件；6励磁单元；6.1楔形侧面；6.2 铝镍钴铁芯；6.3外壳；6.4磁极；6.5磁极凸台；6.6钕铁硼永磁铁；6.7线圈；6.8输入端；7出口管道；8入口管道；9空腔；10密封圈；11法兰；12螺杆泵；13储液箱；14充磁器；15PLC；16HMI；17PC。

具体实施方式

以下结合实施例和附图进一步解释本发明的具体实施方式，但不用于限定本发明。

本实施例中，球冠件5由一块铝合金板材整体旋压而成，其底圆直径800mm，拱高160mm，厚度约1.5mm。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。

首先，组装磁流变支撑装置，如图1与图2。所述磁流变支撑装置由球面阵列励磁设备、灌注模块和控制模块组成。

所述球面阵列励磁设备包括底座1、吊环2、励磁单元6、球模4、球冠件5、密封圈10和压边3。安装时，底座1通过吊环2吊装至机床工作台，通过U型槽1.1固定。底座1通过平面1.2托住33个励磁单元6拼成的励磁阵列，励磁阵列底部与平面1.2焊接固定。

励磁单元6包括外壳6.3、铝镍钴铁芯6.2、磁极6.4、钕铁硼永磁铁6.6和线圈6.7，如图4。其中，外壳6.3为6个楔形侧面6.1构成的壳体结构，相邻励磁单元6通过楔形侧面6.1贴合实现球面密排，保证球面磁场连续性。铝镍钴铁芯6.2设置在外壳6.3内，线圈6.7绕制在铝镍钴铁芯6.2上，磁极6.4设于顶部。 6根钕铁硼永磁铁6.6等间距均匀排布，其S极与外壳6.3相接，N极与磁极6.4 相接。磁场关闭状态时，铝镍钴铁芯6.2的N极朝下，磁矢回路为：磁感线从铝镍钴铁芯6.2的N极发出，依次经过外壳6.3、钕铁硼永磁铁6.6、磁极6.4，重新回到铝镍钴铁芯6.2的S极。磁场开启状态时，线圈6.7施加脉冲电流，令铝镍钴铁芯6.2的N极朝上，磁矢回路为：磁感线从铝镍钴铁芯6.2的N极与钕铁硼永磁铁6.6的N极发出，依次进入磁极6.4、工作区域、外壳6.3，最后分别回到铝镍钴铁芯6.2的S极与钕铁硼永磁铁6.6的S极。磁极6.4加工出凸台6.5，消除光滑磁极的“边缘效应”(中心磁场低，边缘磁场高)，提高了球面磁场的均匀性。磁极6.4与球冠件5、球模4的几何廓形保持一致。球模4内壁与33 个励磁单元的磁极6.4粘接，球模4外壁与球冠件5内壁构成容纳磁流变液的空腔9，如图3。球模4边缘设有环形密封槽4.1，内嵌密封圈10。所述球冠件5 放置在环形密封槽4.1上，并通过压边3压紧球冠件5和密封圈10，实现对空腔的密封。

所述灌注模块包括入口管道8、法兰11、出口管道7、储液箱13和螺杆泵 12。其中，入口管道8与球模的边缘圆孔4.2粘接，并通过法兰11强化固定，如图3；出口管道7与球模的顶部圆孔4.3粘接，如图2。储液箱13通过软管与螺杆泵12连接，螺杆泵12将磁流变液经入口管道8注满空腔9，实现对球冠件的柔性贴合；磁流变液经出口管道7回流至储液箱13。

所述控制模块包括HMI16、PC17、PLC15和充磁器14。其中，PC17和HMI16 都接入PLC15，PC17向PLC15载入励磁程序，HMI16从PLC15处查询励磁状态。PLC15采入刀具坐标，判断励磁区域和励磁强度，向充磁器14发出励磁指令，充磁器14与33个励磁单元6的输入端6.8相连，选通对应的励磁单元6并施加脉冲电流，励磁单元6在空腔9中产生磁场，磁流变液励磁固化，为球冠件提供磁流变支撑。

采用上述装置的支撑方法如图5所示，具体步骤如下：

第一步：球冠件安装与密封

将球冠件5放置在球模4边缘的环形密封槽4.1上，通过球冠件5下表面进行“一面一销”定位，通过压边3将球冠件5与密封圈10压紧，在球冠件5与球模4之间构造出密闭空腔9。

第二步：灌注模块令磁流变液充满空腔

启动螺杆泵12，储液箱13中的磁流变液经软管依次通过螺杆泵12、入口管道8进入空腔9；空腔9被注满后，磁流变液经出口管道7回流至储液箱13，观察到回流现象后，停止螺杆泵12。

第三步：磁流变液励磁固化支撑球冠件

此后，启动励磁程序，PLC15采集当前刀位坐标，计算磁流变支撑所需的励磁单元6的序号、磁场强度，发送励磁指令至充磁器14；充磁器14依据指令对指定的励磁单元6充磁，产生所需磁场强度，固化磁流变液，为球冠件提供磁流变支撑；通过HMI16实时监控33个励磁单元6的开关状态，提供励磁区域分布信息；随着刀位坐标变换，PLC15不断计算新的励磁单元6的序号、磁场强度并自动切换，实现磁流变支撑对加工过程的自动跟踪。

第四步：卸磁回收磁流变液并取下球冠件

加工过程结束，PLC15控制所有励磁单元6的磁场变为0，空腔9内磁流变液全部恢复液态；反向启动螺杆泵12，空腔9内磁流变液在螺杆泵回吸力及自身重力作用下，经入口管道8、螺杆泵12回流至储液箱13，球冠件5与磁流变液脱离接触；停止螺杆泵12，取下球冠件5。

本发明所述的磁流变支撑装置支撑柔性高、支撑可靠性强、自动化程度高、安全节能、成本低；该装置具有较强的适应性，利用磁流变液的流动特性柔性贴合球冠件复杂廓形；利用磁场布局的可调性对球冠件提供强度/区域可控支撑，适应多种载荷工况；采用基于“PC+HMI+PLC”的控制系统自动调控磁流变支撑布局，适应切削进程；可以有效实现对球冠薄壁件的柔性、高效、可靠支撑。

Claims (6)

1.一种面向球冠薄壁件的磁流变支撑装置，其特征在于，该磁流变支撑装置包括球面阵列励磁设备、灌注模块和控制模块；

所述球面阵列励磁设备包括底座(1)、励磁单元(6)、球模(4)、球冠件(5)、密封圈(10)和压边(3)；其中，底座(1)吊装至机床工作台并固定；底座(1)的平面(1.2)托住由多个励磁单元(6)拼成的励磁阵列，励磁阵列底部与平面(1.2)焊接固定；

所述励磁单元(6)包括外壳(6.3)、铝镍钴铁芯(6.2)、磁极(6.4)、钕铁硼永磁铁(6.6)和线圈(6.7)；其中，外壳(6.3)为6个楔形侧面(6.1)构成的壳体结构，相邻励磁单元(6)通过楔形侧面(6.1)贴合实现球面密排，保证球面磁场连续性；铝镍钴铁芯(6.2)设置在外壳(6.3)内，线圈(6.7)绕制在铝镍钴铁芯(6.2)上，磁极(6.4)设于顶部；6根钕铁硼永磁铁(6.6)等间距均匀排布，其S极与外壳(6.3)相接，N极与磁极(6.4)相接；

所述磁极(6.4)与球冠件(5)、球模(4)的几何廓形保持一致；球模(4)内壁与磁极(6.4)粘接，球模(4)外壁与球冠件(5)内壁构成容纳磁流变液的空腔(9)；球模(4)边缘设有环形密封槽(4.1)，内嵌密封圈(10)；所述球冠件(5)放置在环形密封槽(4.1)上，并通过压边(3)将球冠件(5)和密封圈(10)压紧，实现对空腔的密封；

所述灌注模块包括入口管道(8)、法兰(11)、出口管道(7)、储液箱(13)和螺杆泵(12)；其中，入口管道(8)与球模的边缘圆孔(4.2)粘接，并通过法兰(11)强化固定；出口管道(7)与球模的顶部圆孔(4.3)粘接；储液箱(13)与螺杆泵(12)连接，螺杆泵(12)将磁流变液经入口管道(8)注满空腔(9)，实现对球冠件的柔性贴合；磁流变液经出口管道(7)回流至储液箱(13)；

所述控制模块包括HMI(16)、PC(17)、PLC(15)和充磁器(14)；其中，PC(17)和HMI(16)都接入PLC(15)，PC(17)向PLC(15)载入励磁程序，HMI(16)从PLC(15)处查询励磁状态；PLC(15)采入刀具坐标，判断励磁区域和励磁强度，向充磁器(14)发出励磁指令，充磁器(14)与每个励磁单元(6)的输入端(6.8)相连，选通对应励磁单元(6)并施加脉冲电流，励磁单元(6)在空腔(9)中产生磁场，磁流变液励磁固化，为球冠件提供磁流变支撑。

2.根据权利要求1所述的一种面向球冠薄壁件的磁流变支撑装置，其特征在于，磁场关闭状态时，铝镍钴铁芯(6.2)的N极朝下，磁矢回路为：磁感线从铝镍钴铁芯(6.2)的N极发出，依次经过外壳(6.3)、钕铁硼永磁铁(6.6)、磁极(6.4)，重新回到铝镍钴铁芯(6.2)的S极；磁场开启状态时，线圈(6.7)施加脉冲电流，令铝镍钴铁芯(6.2)的N极朝上，磁矢回路为：磁感线从铝镍钴铁芯(6.2)的N极与钕铁硼永磁铁(6.6)的N极发出，依次进入磁极(6.4)、工作区域、外壳(6.3)，最后分别回到铝镍钴铁芯(6.2)的S极与钕铁硼永磁铁(6.6)的S极。

3.根据权利要求1或2所述的一种面向球冠薄壁件的磁流变支撑装置，其特征在于，所述磁极(6.4)上加工有凸台(6.5)，用于消除光滑磁极的边缘效应，提高了球面磁场的均匀性。

4.根据权利要求1或2所述的一种面向球冠薄壁件的磁流变支撑装置，其特征在于，励磁单元(6)共有33个。

5.根据权利要求3所述的一种面向球冠薄壁件的磁流变支撑装置，其特征在于，励磁单元(6)共有33个。

6.一种利用如权利要求1-5任一所述的磁流变支撑装置进行磁流变支撑的方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：球冠件安装与密封

将球冠件(5)放置在球模(4)边缘的环形密封槽(4.1)上，通过球冠件(5)下表面进行“一面一销”定位，并通过压边(3)将球冠件(5)与密封圈(10)压紧，在球冠件(5)与球模(4)之间构造出密闭空腔(9)；

第二步：灌注模块令磁流变液充满空腔

启动螺杆泵(12)，储液箱(13)中的磁流变液依次通过螺杆泵(12)、入口管道(8)进入空腔(9)；空腔(9)被注满后，磁流变液经出口管道(7)回流至储液箱(13)，观察到回流现象后，停止螺杆泵(12)；

第三步：磁流变液励磁固化支撑球冠件

启动励磁程序，PLC(15)采集当前刀位坐标，计算磁流变支撑所需的励磁单元(6)的序号、磁场强度，发送励磁指令至充磁器(14)；充磁器(14)依据指令对指定的励磁单元(6)充磁，产生所需磁场强度，固化磁流变液，为球冠件提供磁流变支撑；通过HMI(16)实时监控每个励磁单元(6)的开关状态，提供励磁区域分布信息；随着刀位坐标变换，PLC(15)不断计算新的励磁单元(6)的序号、磁场强度并自动切换，实现磁流变支撑对加工过程的自动跟踪；

第四步：卸磁回收磁流变液并取下球冠件

加工过程结束，PLC(15)控制所有励磁单元(6)的磁场变为0，空腔(9)内磁流变液全部恢复液态；反向启动螺杆泵(12)，空腔(9)内磁流变液在螺杆泵回吸力及自身重力作用下，经入口管道(8)、螺杆泵(12)回流至储液箱(13)，球冠件(5)与磁流变液脱离接触；停止螺杆泵(12)，取下球冠件(5)。

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