CN110125707B - 用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置，包括夹持部，具有缸体单元、上部夹持单元、磁流变单元、驱动单元以及控制单元，上部夹持单元包括设置在缸体上部的用于对薄壁凹形曲面件的侧面进行固定的多个上部固定件，磁流变单元具有设置在缸体内的芯棒放置板，该芯棒放置板设置有多个带吸盘芯棒，磁流变液设置在芯棒放置板上并将带吸盘芯棒浸没，磁流变单元用于固定薄壁曲面工件的底部，芯棒放置板的下部设置有顶升部件，驱动单元位于磁流变单元的下方，包括驱动机构和与顶升部件相连的凸轮传动机构，控制单元控制驱动机构通过凸轮传动机构带动顶升部件竖直运动，实现调整芯棒放置板的定位高度。

Description

用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置

技术领域

本发明属于机械领域，具体涉及一种用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置。

背景技术

在机械精密零件的加工中，特别是航天航空领域和汽车领域等需要精密的薄壁件领域，薄壁件的加工一直以来面临着巨大挑战，因此生产出精密的薄壁件成了这些领域的一大难题。薄壁件具有质量轻、节约成本、结构紧凑等一系列优质特点，特别是运用航天领域的关键件更需要其特质，对薄壁件的精密加工控制也成为了衡量一个技术高低的指标。薄壁件刚性差、强度弱，在加工中极容易变形，不易保证零件的加工质量，薄壁零件的加工问题，一直是较难解决。薄壁件目前一般采用数控车削的方式进行加工，为此要对工件的装夹、刀具几何参数、程序的编制等方面进行试验，从而有效地克服了薄壁零件加工过程中出现的变形，保证加工精度。影响薄壁零件加工精度的因素有很多，因此对薄壁件的加工装夹显得尤为重要。本专利可以对带凹槽外形壳体类等薄壁件零件进行装夹加工。在对这些类型零件进行加工的过程中，由于其外形特殊，刚度小，薄壁零件一般是不能卡抓直接往夹持、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薄壁类零件的装夹方案。薄壁类零件因为具有质量轻、强度刚度较小易受外界影响极易变形等加工缺点，特别是对于航空航天等精密加工领域的薄壁类零件等关键件，更易使得薄壁类零件的机械加工装夹工作变得尤为困难。

在机械加工领域中夹具都有一定得通用性，若用传统的夹具进行装夹在加工过程中易产生热变形等缺陷，造成零件产品得变形，从而使得加工质量受到影响。因此柔性夹具在这类加工生产中得到了广泛应用。一方面随着薄壁件生产量提高，生产成本也日渐提高，夹具的成本问题显得更加突出；另一方面，薄壁件的加工精度要求也越来越高，对夹紧力的控制需求也要越来越值得注意，若无法控制夹紧力的大小容易造成零件加工的误差，使零件加工的报废率较高，合格较少，特别是在批量生产中造成更多的成本浪费，因此要对夹紧力大小进行控制。

目前的机械加工领域，基于相变材料的柔性夹具技术可以根据其相变激励方式分为电流变材料夹具、温度流变材料夹具，磁流变材料夹具。

第一种电流变材料夹具，典型的电流变材料称为ER材料，是由低绝缘液体和悬浮在其中的绝缘物体所构成。当ER材料介于电场中时，其粘度立刻增加，当电场超过临界值时，ER材料即成为固态，但耗能较大。

第二种温度流变材料中用作夹具的有冰固夹具、石蜡夹具及低熔点合金夹具。但加工受热影响温度场，易产生加工误差。

第三种对外加磁场敏感的相变材料称为磁流变材料，简称MR材料，其中磁流变液(MRF)夹具已有很好的工程实用价值，该流体与普通的牛顿流体性质相似，一般由基液(矿物油和硅油)、可磁化的精细粒子(μm级)和表面活性剂等组成，通过控制外加磁场瞬间改变其状态，去除磁场后，又会回复到原来的状态，但不易回收，易造成磁流变液的浪费。

目前的机械加工领域按传统的装夹方法来进行装夹，夹紧力很难控制，很难适应外形零件加工需求，加工效率低造成浪费。传统夹具由于无法控制其夹紧力，容易导致零件的变形，导致加工精度误差较大。用橡胶等单一来进行柔性装夹由于加工产生振动薄壁类零件加工的精度得不到有效控制且不易调试。

综上可知现有技术的主要缺点为：

1.现有夹具技术在对装夹的精度，可控性方面受到很大的限制；

2.夹具调试过长，生产效率低，容易造成浪费成本；

3.柔性化程度不高，加工零件的外形受限较大、粗精加工方式受局限；

4.磁流变液不易回收，造成浪费与污染产品。

发明内容

针对以上缺陷，特别需要一种简单而又实用的可以对复杂凹形曲面薄壁类等零件的装夹装置，来满足日益增长的多品种小批量薄壁件精密机械加工的需要。

本发明是为了解决上述问题提供了一种用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置。

本发明提供了一种用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置，具有这样的特征，包括夹持部，具有缸体的缸体单元、上部夹持单元、磁流变单元、驱动单元以及控制单元，其中，上部夹持单元包括设置在缸体上部的用于对薄壁凹形曲面件的侧面进行固定的多个上部固定件，磁流变单元具有设置在缸体内的芯棒放置板，该芯棒放置板设置有多个带吸盘芯棒，磁流变液设置在芯棒放置板上并将带吸盘芯棒浸没，磁流变单元用于固定薄壁曲面工件的底部，芯棒放置板的下部设置有顶升部件，驱动单元位于磁流变单元的下方，包括驱动机构和与顶升部件相连的凸轮传动机构，控制单元控制驱动机构通过凸轮传动机构带动顶升部件竖直运动，实现调整芯棒放置板的定位高度。

在本发明提供的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置中，其特征在于，还包括呈矩形的底座板，设置在机床上，缸体单元设置在底座板上。

另外，在本发明提供的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置中，还可以具有这样的特征：其中，缸体呈圆筒形状，缸体的外壁上包裹有电磁线圈，缸体下部外壁上设置有通电槽，通电槽内设置有电控器，用于控制电磁线圈通电后产生磁场。

另外，在本发明提供的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置中，还可以具有这样的特征：其中，上部固定件的数量为四个，分别均匀设置在缸体上部的内壁上且四个上部固定件位于同一水平面上。

另外，在本发明提供的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置中，其特征在于，还包括与控制单元通信连接的计算机，计算机通过分析薄壁凹形曲面件形状尺寸后，通过控制单元对驱动机构进行微调，实现调整芯棒放置板的最佳定位高度，并实时监控控制带吸盘芯棒与薄壁凹形曲面件之间的夹紧力。

另外，在本发明提供的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置中，其特征在于，还包括磁流通道单元，磁流通道单元包括磁流管以及设置在磁流管上的阀门，磁流管的一端与缸体内部连通，另一端与外部磁流变液提供装置连通。

另外，在本发明提供的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置中，还可以具有这样的特征：其中，多个带吸盘芯棒呈正六边形点阵式竖直布置在芯棒放置板上。

另外，在本发明提供的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置中，还可以具有这样的特征：其中，带吸盘芯棒包括柱状的无磁性筒体外壳，带吸盘芯棒的筒体外壳内部设置有带芯棒的电磁线圈，电磁线圈缠绕在芯棒上，电磁线圈与控制单元电连接，控制单元通过控制电流大小来控制电磁线圈产生的磁场大小。

另外，在本发明提供的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置中，还可以具有这样的特征：其中，芯棒放置板的最外围设置有环形密封圈，用于防止磁流变液从芯棒放置板与缸体内壁连接处泄露出去。

发明的作用与效果

本发明涉及的技术领域为航天航空、汽车、船舶及核电等关键薄壁件等装夹加工领域，运用了磁流变材料的相变特性这一优势，适合多品种小批量的薄壁件生产。

根据本发明所涉及的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置，因为具有橡胶吸盘与磁流变液等柔性装夹结构，所以，本发明可以实现带有凹形曲面的零件，尤其是薄壁件的柔性装夹，实现对零件的粗精加工装夹。通过实时监控零件受到的夹持力，提高夹具装置的可靠性、高效性和精密性。

附图说明

图1是本发明的实施例中磁流变夹具的立体示意图；

图2是本发明的实施例中磁流变夹具的俯视示意图；

图3是本发明的实施例中磁流变夹具的剖面示意图；

图4为本发明的实施例中上部固定件内部结构示意图；

图5为本发明的实施例中芯棒剖面示意图；

图6为本发明的实施例中凸轮机构示意图；以及

图7为本发明的实施例中电磁阀门示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置及装夹方法作具体阐述。

用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置包括：磁流变夹具以及与磁流变夹具通信连接的计算机。

如图1、图2、图3所示，磁流变夹具包括夹持部和底座板19。

底座板19呈矩形，可以方便地设置在机床上。

夹持部包括具有缸体单元、上部夹持单元、磁流变单元、磁流通道单元、驱动单元以及控制单元。

缸体单元包括：缸体1和缸体底座7。

缸体底座7设置在底座板19上。

缸体1呈圆筒形状，上部开口，下部的端面上设置通孔。

缸体1的下部设置在缸体底座7的上部。待加工的薄壁凹形曲面件毛坯放置在缸体1的内部，缸体1上部内壁设置有多个用于安装上部夹持单元的上圆孔16，缸体1的外壁上包裹有用于产生磁场使磁流变液相变的电磁线圈，缸体1下部外壁上设置有通电槽8，通电槽8内放置有电控器、电线等部件，用于给电磁线圈通电，产生外加磁场，缸体1的缸壁上设置有磁流通孔17，该磁流通孔17位于上圆孔16与通电槽8之间。

实施例中，上圆孔16的数量为四个且四个上圆孔16位于同一水平面上。

上部夹持单元包括多个上部固定件3。实施例中，上部固定件3的数量为四个，分别均匀设置在缸体1上部的内壁上的四个上圆孔16中，四个上部固定件3位于同一水平面上，用于对待加工的薄壁凹形曲面件毛坯的侧面进行固定。

如图4所示，上部固定件3包括电机20、联轴器21、筒体22、隔板23、丝杠24、伸缩杆26、内螺纹27、侧吸盘28。

筒体22呈圆筒形状，固定设置在上圆孔16中，筒体22的前端面上设置有前通孔，实施例中，筒体22的后端面是封闭的。

隔板23垂直于筒体22的轴线固定设置在筒体22内的后部。

丝杠24具有外螺纹，一端与联轴器21相连接，另一端与伸缩杆26活动连接。在丝杠24的一端上设置有滚珠轴承，滚珠轴承外圈固定设置在隔板23上。

电机20的输出轴与联轴器21相连接。

伸缩杆26呈筒状，设置在前通孔中，一端开口并具有内凹的圆柱形状的空腔，其内部设置有与丝杠24外螺纹相匹配的内螺纹27，丝杠24与伸缩杆26螺纹连接，伸缩杆26的另一端的端面上设置有侧吸盘28。

当电机20运转时，通过联轴器21带动丝杠24旋转从而带动伸缩杆26往复移动。

磁流变单元设置在缸体1的内部，用于固定薄壁曲面工件的底部，磁流变单元具有压力传感器2、带吸盘芯棒4、弹簧5、芯棒放置板6、磁流变液10、密封圈15、顶升部件30、滑轮34。

芯棒托架6外形呈圆形，其外径与缸体1的内径相匹配，具有芯棒放置板和设置芯棒放置板下部的阻尼箱。

芯棒放置板上表面向内设置有多个用于放置带吸盘芯棒4的凹腔，该凹腔与带吸盘芯棒4底部外形相匹配，带吸盘芯棒4竖直设置在凹腔中，阻尼箱内部具有安装弹簧5的空腔。

如图5所示，带吸盘芯棒4包括柱状的无磁性筒体外壳，带吸盘芯棒4的筒体外壳内部设置有带芯棒的电磁线圈9，电磁线圈9缠绕在芯棒上通电后用于产生磁场，电磁线圈9与控制单元电连接，控制单元通过控制电流大小来控制磁场大小。

筒体外壳的上端面设置有吸盘，吸盘内设置有压力传感器2，实施例中，吸盘采用橡胶材料制成，吸盘表面为橡胶材料用于减少振动，增大吸附力，橡胶表面布置压力传感器用于对夹紧力进行实时监控。

实施例中，带吸盘芯棒4数量为13个，从内至外，设置有三层，在芯棒放置板的中心设置一个，第二层与第三层均设置6个并各自均匀且相对于中心对称布置，呈正六边形点阵式布置。

芯棒放置板上部用于放置磁流变液10，芯棒放置板的最外围设置有环形密封圈15用于防止磁流变液10从芯棒放置板与缸体1内壁连接处泄露出去。

弹簧5设置在带吸盘芯棒4底部，位于阻尼箱中，一端与带吸盘芯棒4底部相连，另一端与阻尼箱底部相连，其作用一方面用于保护内部的线圈，另一方面，可反作用于带吸盘芯棒4，给吸盘外力，让其吸的更紧，增加与工件的夹紧力。

如图6所示，顶升部件30竖直设置在芯棒托架6的下方，且一端与芯棒托架6的底部固定连接且位于芯棒托架6底部的中心位置，另一端上设置有连接轴35，滑轮34设置连接轴35上，滑轮34可绕连接轴35转动。

如图1所示，磁流通道单元包括磁流管13、阀门12。

磁流管13的一端设置在磁流通孔17中，与缸体1内部连通，另一端与外部磁流变液提供装置连通。

阀门12设置在磁流管13上，且与磁流管13连通。如图7所示，实施例中，阀门12包括关闭件32、阀座33、直动式电磁阀门14。

控制单元控制阀门12，让磁流变液10通过磁流管13注入缸体1内的芯棒托架6上，同时也方便磁流变液10的回收，避免浪费与污染产品的缺陷。

实施例中，直动式电磁阀门14采用直动式电磁阀门，通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件32从阀座33上提起，阀门12打开；断电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件32压在阀座33上，阀门12关闭。特点：在真空、负压、零压时也能正常工作。此类阀门控制方便，便于电控磁流变液的流入量，让整体装置实现机电一体化。

当带吸盘芯棒4的筒体外部注满磁流变液10时，磁流变液10也吸附于被加工零件底面，在多个带吸盘芯棒4中电磁线圈9产生的磁场作用下磁流变液10发生相变，产生夹紧力将多个带吸盘芯棒4牢牢固定，从而实现对加工零件的底面进行装夹。

实施例中，带吸盘芯棒4呈正六边形点阵式支撑方式既继承了正三角形稳定性能高的特点又使磁场在缸体1内均匀分布，缸体1内部的四个上部固定件3，在缸体1呈内接正方形四个顶点阵式排布，根据被加工件的侧面形状，控制单元通过控制内部小型电机来控制上部固定件3的伸缩运动调整定位宽度，同时配合利用磁流变液的特性，大大的提高了夹具装置的柔性，适用于多种形状复杂的凹形曲面薄壁件。进一步地，本发明还适用与对不同形状的底部进行固定。

具有产生磁场的多个带吸盘芯棒4均匀分布在缸体1内，这样的设置方式极大的加强了中心磁场强度与磁场强度的均匀性，同时增加了对薄壁件的局部支撑刚度。

如图3所示，驱动单元包括电机18、连杆29、凸轮11、联轴器31。

驱动单元位于磁流变单元下方，设置在缸体底座7的内部，电机18设置在缸体底座7的底部，电机18的输出轴通过联轴器31与连杆29相连，连杆29的一端联轴器31相连，另一端设置有凸轮11，凸轮11的表面与滑轮34的表面接触。

控制单元控制电机18工作，电机18通过连杆29带动凸轮11旋转，凸轮11通过滑轮34带动顶升部件30向上运动，向下的运动是靠芯棒放置板6以及其承载的物体的重力实现的，从而可以实现芯棒放置板6的上下往复运动。控制单元控制电机18的运作通过凸轮的运动实现调整芯棒放置板6的定位高度。一方面推动芯棒放置板6向上运动让磁流变液10更多的接触加工零件，减少磁流变液的使用量，另外，还能使弹簧5产生自适应形变夹紧薄壁件零件。

计算机可以根据导入的曲面工件形状尺寸大小分析后，调整电机18运动，让凸轮11与芯棒放置板6置于较最佳位置，根据加工条件的需求，最后微调达到最佳效果。通过控制电流大小来控制磁场大小产生的夹紧力并对其实时监控。

另外，计算机还可以控制电磁线圈9，通过调整磁场强度来精确的定位工件，适应不同材料工件的装夹，可以提供不同的加工夹紧力和定位方案。

磁流变夹具具体实施方式包括以下步骤：

首先将磁流变夹具用虎钳通过底座板19固定于机床加工位上，

将待加工的薄壁凹形曲面件的相关信息导入计算机中，根据计算机所得到薄壁件尺寸要放入的深度，

控制单元控制电机18的旋转，通过凸轮的运动实现调整芯棒放置板6的定位高度，

将待加工的薄壁凹形曲面件放置在带吸盘芯棒4上，带吸盘芯棒4吸盘中心处的压力传感器2用于实时监控待加工的薄壁凹形曲面件的底面与带吸盘芯棒4的作用力，可以有效的保证了加工的稳定性，

控制单元控制电机20的旋转，通过联轴器21带动丝杠24旋转从而带动伸缩杆26往复移动，并观察压力传感器2传出的夹紧力信息在计算机上显示大小，来调整定位宽度，

打开阀门12，通过磁流管1313注入适量的磁流变液10到缸体1中的芯棒放置板6上，

控制单元控制带吸盘芯棒4中的电磁线圈9通电，在缸体1中产生内部磁场，磁流变液10发生相变产生夹紧力，

计算机可以根据导入的曲面工件形状分析上部固定件3中的电机20的运动，将上部固定件3置于最佳位置，还能根据加工条件的需求，通过控制电流大小来控制磁场大小产生的夹紧力并将其实时监控。

计算机通过控制单元对电机18和电机20的运动进行微调，通过压力传感器2反馈的分析结果来获取带吸盘芯棒4和上部固定件3的最佳位置，从而精确的控制待加工的薄壁凹形曲面件的工位，从而有效的保证加工的顺利进行，防止在加工过程中工件移位，提高工件加工的精度。

计算机控制整个辅助支撑系统和电磁线圈，可以精确的定位工件和通过调整磁场强度，适应不同材料工件的装夹，可以提供不同的加工夹紧力和定位方案。

实施例的作用与效果

本实施例的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置可以实现带有凹形曲面的零件，尤其是薄壁件的柔性装夹，通过带橡胶垫圆形吸盘与磁流变液等柔性装夹，实现对零件的粗精加工装夹，并通过外部计算机电控系统准确控制磁场大小，实时监控零件受到的夹持力，提高夹具装置的可靠性、高效性和精密性。

与现有技术相比，本实施例的优点主要表现在：

(1)本实施例磁流变夹具的柔性度较高，能够适用于多种凹形复杂曲面的薄壁件。

(2)采用正六边形矩点阵式磁场均匀分布方式，同时具有正三角形稳定性的特点，并从运用内部电磁线圈产生磁流变液内部磁场，极大提高了磁流变液相变时间，提高了加工效率，加工完也可利用线圈通电回收部分磁流变液提高利用率。

(3)与现有的相变式柔性夹具相比，本实施例具有顶升部件与压力传感器，利用顶升部件可让磁流变液完全附与被加工薄壁件表面，大大的节约了磁流变液用量。同时利用压力传感器与外界计算机相连自由控制夹紧力大小。

(4)本实施例所用的磁流变液可以多次回收多次利用，回收过程也十分容易，工件加工完成后也便于清洗。能够节约资源，降低生产成本。

(5)本实施例通过侧面阀门控制磁流变液的注入，相比传统此类装置更具有便捷性。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置，用于对薄壁曲面工件进行夹持，其特征在于，包括：

夹持部，具有缸体的缸体单元、上部夹持单元、磁流变单元、驱动单元、控制单元以及磁流通道单元，

其中，所述上部夹持单元包括设置在所述缸体上部的用于对所述薄壁凹形曲面件的侧面进行固定的多个上部固定件，

所述磁流变单元具有设置在所述缸体内的芯棒放置板，该芯棒放置板设置有多个呈正六边形点阵式竖直布置的带吸盘芯棒，磁流变液设置在所述芯棒放置板上并将所述带吸盘芯棒浸没，所述磁流变单元用于固定所述薄壁曲面工件的底部，

所述芯棒放置板的下部设置有顶升部件，

所述驱动单元位于所述磁流变单元的下方，包括驱动机构和与所述顶升部件相连的凸轮传动机构，

所述控制单元控制所述驱动机构通过所述凸轮传动机构带动顶升部件竖直运动，实现调整所述芯棒放置板的定位高度，

所述磁流通道单元包括磁流管以及设置在所述磁流管上的阀门，

所述磁流管的一端与所述缸体内部连通，另一端与外部磁流变液提供装置连通，

所述阀门与所述磁流管连通，且所述阀门与所述控制单元电连接，所述控制单元控制阀门，让磁流变液通过所述磁流管注入所述缸体内的芯棒放置板上，

所述缸体呈圆筒形状，底部呈梯形，所述缸体的外壁上包裹有电磁线圈，

所述缸体下部外壁上设置有通电槽，所述通电槽内设置有电控器，用于控制所述电磁线圈通电后产生磁场。

2.根据权利要求1所述的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置，其特征在于，还包括：

呈矩形的底座板，设置在机床上，

所述缸体单元设置在所述底座板上。

3.根据权利要求1所述的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置，其特征在于：

其中，所述上部固定件的数量为四个，分别均匀设置在所述缸体上部的内壁上且四个所述上部固定件位于同一水平面上。

4.根据权利要求1所述的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置，其特征在于，还包括：

与所述控制单元通信连接的计算机，

所述计算机通过分析所述薄壁凹形曲面件形状尺寸后，通过所述控制单元对所述驱动机构进行微调，实现调整所述芯棒放置板的最佳定位高度，并实时监控控制所述带吸盘芯棒与所述薄壁凹形曲面件之间的夹紧力。

5.根据权利要求1所述的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置，其特征在于：

其中，所述带吸盘芯棒包括柱状的无磁性筒体外壳，所述带吸盘芯棒的筒体外壳内部设置有带芯棒的电磁线圈，所述电磁线圈缠绕在所述芯棒上，

所述电磁线圈与所述控制单元电连接，所述控制单元通过控制电流大小来控制所述电磁线圈产生的磁场大小。

6.根据权利要求1所述的用于薄壁凹形曲面件加工的磁流变夹具装置，其特征在于：

其中，所述芯棒放置板的最外围设置有环形密封圈，用于防止磁流变液从所述芯棒放置板与所述缸体内壁连接处泄露出去。

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