CN1490127A - 磁流变柔性夹具 - Google Patents

Abstract

本发明是一种磁流变柔性夹具，它涉及机械夹持器件、尤其是可以适应不同形状的工件的夹具。整个柔性夹具分为定位头和夹具体两部分，其中定位头由柱销、弹簧、框架以及紧固件构成，夹具体由底座、容池、压杆、励磁件和芯棒以及磁流变材料构成；容池、压杆、励磁件和芯棒同轴安装在底座上，压杆和芯棒位于容池的两端并伸入容池空腔，定位头亦置于容池空腔中、固定在芯棒的前端，柱销为阵列的群组、横向排列在框架中，其一端设置同轴的弹簧、与芯棒相抵；容池空腔中充满磁流变材料。使用时，柱销的自由端可以拟合工件的外形并利用磁流变材料的相变特性夹持。本发明可以方便地应用于各种形状和特性的工件。

Description

磁流变柔性夹具

技术领域：

本发明涉及机械夹持器件，尤其是涉及可以适应不同形状的工件的夹具。

背景技术：

传统的夹具主要为机械式夹具，已经广泛应用于各种加工业，而且其工艺和设计准则已经规格化。但这些传统夹具普遍存在以下的缺点：

①每种夹具只能为某一类形状相同的工件而设计，夹具对工件形状的适应面窄，使用效率低；②夹具的拆、装往往只能通过手动实现，不便于机械控制，自动化程度低。

虽然针对以上问题，出现了组合夹具、柔性夹具的设计(详见《柔性夹具设计方法与技术》，牟岩君，信息技术，2000年第10期)，但是由于其沿用了传统夹具的纯机械结构，仍然无法解决如下问题：

①当工件刚性很低、容易变形时，无法保证夹紧后的定位和尺寸精度；②对于几何形状很不规则的工件，无法定位和夹紧。

为了解决这个问题，又出现了利用材料液固两相转变特性而设计的相变式夹具。如：用锡、铅等低熔点合金制作能够根据工件的具体形状熔结固定工件的夹具(详见《基于液固两相转变的夹具技术》，济南大学钟康民等，制造技术与机床，1998年第08期)。可是这种夹具也有很大的缺陷，限制了其在工业上的推广使用：

①相变时间长，并且需要在特定温度下进行；②相变物质的自身成本及所用装置的成本均太高；③有的相变物质会污染环境，严重损伤人身健康，例如：铅。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种磁流变柔性夹具，可以方便地应用于各种形状和特性的工件的夹紧。

本发明的解决方案如下：

整个柔性夹具分为定位头和夹具体两部分，其中定位头由柱销、弹簧、框架以及紧固件构成，夹具体由底座、容池、压杆、励磁件和芯棒以及磁流变材料构成；柱销横向排列在框架中，在框架上设置固定柱销用的紧固件，柱销的一端设置与其同轴的弹簧；容池、压杆、励磁件、芯棒同轴安装，置于底座上，压杆和芯棒位于容池的两端并伸入容池空腔，定位头置于容池空腔中，柱销及弹簧的轴向与压杆和芯棒的轴向平行，定位头的框架固定在芯棒的前端，弹簧一端与柱销相抵、另一端与芯棒相抵；容池空腔中充满磁流变材料。

也就是说，本发明的磁流变柔性夹具是基于柔性定位原理以及磁流变材料的相变特性和挤压增强效应而设计的。

磁流变材料是这样一种物质：当不加磁场时，这类流体与普通的牛顿流体性质相似，而一旦加磁场，流体性质会发生急剧变化，呈现出类固体的特征，剪切屈服强度和表观粘度会增加若干个数量级，去除磁场后，材料又会回复到原来的状态。这种变化可以瞬间完成(毫秒量级)，而且，相变可以通过电信号控制、响应迅速，并可在室温下工作。因此，如果将这种相变特性应用于柔性夹具的设计制造之中，具有显著的优点。但是，就目前研制出的磁流变材料而言，其固化后的抗剪切能力仍然较弱，一般不超过100Kpa，很难达到夹具中夹持力的要求。

然而，中国科学技术大学力学工程系的唐新鲁博士等人的最新研究表明[见：X.Tang，X.Zhang，and R.Tao.”Structure-Enhanced yield strength of MR fluids”ERMR’99 USA(1999)，World Scientific；Journal of Applied Physics，Vol.87，No.5，March 2000]：当磁流变材料在磁场中受到沿磁场方向的外加正压力时，其剪切屈服应力与未加压情况相比又得到很大提高，甚至提高一个数量级以上。这样就可以为解决夹持力不够的问题提供了良好的途径。

本发明利用上述原理，设计了一种新颖的磁流变柔性夹具。其结构分为定位头和夹具体两部分。

定位头如图1所示，由柱销、弹簧、框架以及紧固件构成。起定位作用的关键部件为阵列的柱销群组。柱销为刚性，采用导磁材料制作；柱销前端为自由端、端部形状以球头为宜，柱销后端形状以平头为宜、其端部都设置一个同轴的压紧弹簧，弹簧与柱销之间可采用连接(例如焊接或粘接)的方式定位，也可以采用卡槽等方式定位。框架为环状，采用导磁或非导磁材料制作均可。柱销以阵列的方式横向排列在框架中、构成柱销群组，即：柱销至少为三根、以10～20根以上为佳(视夹具的尺寸大小而定)，各柱销平行紧密排列、其轴向与框架的环面相垂直。在框架上合适的位置处设置紧固件、将柱销固定束缚在框架中；为使固定效果更好，可以在紧固件端部设置卡块，卡块上设置与柱销尺寸相适应的锯齿槽，或者在卡块与柱销之间、框架与柱销之间设置弹性隔层。

夹具体如图2所示，由底座、容池、压杆、励磁件和芯棒构成。容池、压杆、励磁件、芯棒同轴安装，置于底座上；压杆、芯棒、底座为导磁材料，而容池为非导磁材料，励磁件可以是励磁线圈，芯棒穿过线圈。压杆和芯棒位于容池的两端并伸入容池空腔中，压杆可通过转动或滑动方式沿其轴向移动，其伸入容池空腔中的端部以平面为佳。而定位头就放在容池中靠着芯棒的一侧(安装方式详见图3和图4)，柱销及弹簧的轴向与压杆和芯棒的轴向平行；芯棒的前端与定位头的框架形状相适应，即外围为环状、中间有一空腔，使用紧固件将定位头的框架固定在芯棒前端的环状外围上，使弹簧位于芯棒端部空腔中，弹簧一端与柱销相抵、另一端与芯棒相抵。容池空腔中使用磁流变材料作为固化夹紧介质(由于柱销由导磁材料制作，磁阻远小于磁流变材料，所以可以忽略定位头对磁场的阻碍)，考虑到夹具对零磁场时的粘度没有特殊要求，最好使用体积浓度比较大(例如50％以上)的磁流变材料，这样可大大降低对磁场强度的要求，同时最大剪切强度亦可大大提高。夹具体可以通过螺栓或其它方式固定在各种加工机床或器械的工作面上。

上述结构的夹具可具备柔性定位的特点。当要首次对某一种特定工件进行定位时，先将固定柱销用的紧固件松开，将工件压入柱销群的自由端，由于弹簧的弹性伸缩，柱销头可以紧贴工件表面形成众多定位点；然后拧紧该紧固件，将柱销群的位置固定好，柱销群的自由端就构成固定的定位点，以后就可以利用这些固定的定位点随时方便地对该种工件定位。当然，这种定位方式可能会出现过度定位现象，但是由于使用了磁流变材料，夹紧时，在每个定位点(即柱销头)附近都有固化的磁流变材料帮助柱销群的自由端拟合工件外形，因而可以保证定位精度。

需要夹持工件时，将工件放入夹具体的磁流变材料容池中、并贴在柱销群自由端所构成的固定定位点上进行定位，再利用励磁件产生的磁场使磁流变材料类固化将工件初步固定，然后将压杆沿轴向移动(转动或推动)、使压杆对工件沿平行于磁力线方向施加很大的挤压力，从而使夹具体容池中的磁流变材料的剪切应力大幅度提高、使夹具的夹持力提高到可以满足精加工的要求。

加工完毕、需要取出工件时，将线圈断电使磁场撤消并退出压杆，此时磁流变材料恢复流体状态，丧失抗剪切能力，因而可以轻易取出工件。

综上所述，由于采用特殊的定位方法以及利用磁流变材料的相变和挤压增强效应，本柔性夹具具有以下优点：

一)与传统机械式夹具相比

1)夹具的柔性好，可适用于各种形状和特性的工件；

2)自动化程度高，夹、取工件容易，便于控制；

3)可以实现对低刚性及几何形状不规则工件的定位和夹紧。

二)与普通相变式夹具相比

1)相变时间短(在毫秒量级)：

2)相变温度为室温；

3)相变物质的自身成本低(与易熔合金相比)；

4)相变装置的结构简单、成本低(只需能够产生磁场的部件，而无须加热或制冷设

备)；

5)不污染环境，便于清洗。

附图说明：

附图1为定位头结构示意图(为避免杂乱不清，仅画出一个弹簧作为代表)。

附图2为夹具体结构示意图。

附图3为夹具体的芯棒端部结构及其与定位头连接示意图。

附图4显示了励磁件在夹具中产生的磁力线的方向和封闭路线。

具体实施方式：

本发明的实施例如下：柱销1为16根刚性圆柱体，采用35#钢制作，尺寸为φ3mm、长30mm；柱销前端为球头，后端为平头、其端部都粘接一个同轴的压紧弹簧2，弹簧尺寸为φ3mm、长10mm，材料为65#钢；框架3为35#钢制的矩形环，外侧尺寸为20×23mm，框架的上侧边设置一个竖向的紧定螺栓6作为固定柱销用的紧固件，紧定螺栓的下端部连接一个下侧面为锯齿状的卡块5，框架下侧边的内侧还贴有硬橡胶层4作为弹性隔层。底座7为35#钢制的U型件，励磁件8和容池10置于底座凹槽中、用螺钉固定，容池为铜制，其内腔尺寸为20×20×23mm(长×宽×高)；压杆11为钢制螺旋件、直径20mm，安装在底座的一个侧面上、其端部伸入容池的一侧，芯棒9亦为钢制、其端部伸入容池的另一侧中20mm，定位头的框架用螺钉12固定在芯棒端部，使柱销及弹簧伸入尺寸为20×12×20mm(深×宽×高)的芯棒端部空腔中；工件14置于柱销与压杆之间。容池内使用的磁流变材料13由体积比56％的羰基铁粉(粒径8～10μm)和44％的硅油均匀混合组成。励磁件8采用标准型号CJ10-60交流接触器线圈(线径0.35，匝数1900)。当电流达到约1.2A时，磁场强度达到300毫特。磁流变材料固化后的剪切强度约为40kPa，但转动压杆使之挤压磁流变材料、产生沿磁场方向约10MPa的挤压力后，经实测，磁流变材料的剪切强度达到了2Mpa。实际测试中，一根0.1×1×20mm的铁片被夹紧后可以承受5Kg以上的拉力。完全可以满足精加工的要求。

如果需要夹持比较大的工件，可以使用大的容池，但磁场线圈也要相应增大，以保证磁场强度。例如使用200×400×400mm(长×宽×高)的大容池，需要使用匝数约15000的线圈。其他部件的尺寸亦需相应增大，如采用100根刚性35#钢圆柱体柱销，尺寸为φ30mm、长60mm；柱销后端都粘接一个同轴的压紧弹簧，弹簧尺寸为φ30mm、长30mm，材料为65Mn钢；框架为35#钢制的矩形环，外侧尺寸为400×410mm；压杆为直径100mm的液压杆，端面固定30×400×400mm(厚×宽×高)的推板。芯棒端部伸入容池中50mm，芯棒端部空腔为40×300×400mm(深×宽×高)。在磁场强度达到600毫特并沿磁场方向施加约10MPa的挤压力的情况下，磁流变材料的剪切强度达到了Mpa量级。

Claims (1)

1、一种磁流变柔性夹具，其特征在于：整个柔性夹具分为定位头和夹具体两部分，其中定位头由柱销(1)、弹簧(2)、框架(3)以及紧固件(6)构成，夹具体由底座(7)、容池(10)、压杆(11)、励磁件(8)和芯棒(9)以及磁流变材料(13)构成；柱销横向排列在框架中，在框架上设置固定柱销用的紧固件，柱销的一端设置与其同轴的弹簧；容池、压杆、励磁件、芯棒同轴安装，置于底座上，压杆和芯棒位于容池的两端并伸入容池空腔，定位头置于容池空腔中，柱销及弹簧的轴向与压杆和芯棒的轴向平行，定位头的框架固定在芯棒的前端，弹簧一端与柱销相抵、另一端与芯棒相抵；容池空腔中充满磁流变材料。

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