CN104625822A - 柔性支撑装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性支撑装置，用于解决现有支撑装置由于定位精度低而造成零件加工精度低的技术问题。技术方案是包括左铁芯、左励磁线圈、左楔形导向容器壁、左支撑板、左楔形块、右支撑板、右楔形块、右楔形导向容器壁、右励磁线圈、右铁芯和磁流变液，还包括机架、左初定位装置、右初定位装置、位移传感器、支撑杆和直流稳压电源。叶片通过螺栓固定在左、右初定位装置上，左、右初定位装置通过螺栓固定在平行于磁场方向的容器壁上，叶片浸入磁流变液中，避免了叶片在切削过程中因为自身刚度不够而产生的让刀变形，提高了复杂薄壁零件的定位精度，从而提高了复杂薄壁零件的刚度，保证了复杂薄壁零件的高速高效加工精度和加工质量。

Description

柔性支撑装置
技术领域
本发明涉及一种支撑装置，特别是涉及一种柔性支撑装置。
背景技术
机械加工过程中，传统的夹具主要为纯机械式夹具，这种夹具结构单一，拆装不便，自动化程度低，并且对于具有复杂形状结构的薄壁工件，则由于无法克服工件刚性低、容易变形等问题，无法保证加紧后工件的定位和尺寸精度，同时，对于不规则几何形状的工件，无法进行定位和加紧。
为了解决这些问题，避免利用铅、锑、铋、锡等具有环境污染性等缺点低熔点合金，而采用磁流变液材料液固两相转变特性而设计的相变式夹具。为了使磁流变液柔性夹具获得足够的剪切屈服应力，可以在磁场作用下采用施加外部挤压力的方式强化磁流变液，详见[X.Tang,X.Zhang,R.Tao and Yiming Rong.Structure-enhanced yieldstress of magnetorheological fluids.Journal of applied physics,Volume 87,Number 5,March 1900,pp 2534-2538]：沿磁场方向对磁流变液施加外界正压力，使其剪切屈服应力比未施加正压力时得到极大的提高。
参照图1，文献所采用的磁流变液柔性夹具测试结构由左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11通过焊接的方式与底座25构成磁流变液容器，磁流变液容器位于左铁芯2和右铁芯13中间，其中左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11内侧带有与垂直方向呈12°角的导向斜面；在导向斜面上滑动的是左楔形块6和右楔形块10；左楔形块6和右楔形块10通过螺栓固定在左支撑板5和右支撑板9上，可以通过扭动螺栓使得左楔形块6和右楔形块10沿导向斜面上下滑动，用于改变磁流变液容器内体积的大小；左支撑板5和右支撑板9通过焊接的方式固定在左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11上；在左铁芯2和右铁芯13上安装有型号相同的左励磁线圈3和右励磁线圈12，通过对左励磁线圈3和右励磁线圈12通电产生垂直于左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11的磁场；各零部件位置固定好后，向磁流变液容器中倒入磁流变液15，在磁流变液15中放置矩形测试块22，其中，矩形测试块22下端固定应变测量传感器24，用于测量在磁场作用下磁流变液15内部流变性能变化情况，而矩形测试块22上端通过拉线布置有力传感器23，用于测量在磁场、左楔形块6和右楔形块10共同作用下磁流变液产生的夹持力大小。
文献所描述的柔性支撑装置可用于复杂薄壁叶片类零件加工，并且可有效的解决制作用于复杂薄壁叶片类零件加工的专用配套夹具成本高昂、支撑点少、加工易变形、调整困难等诸多缺点，但是通过对该装置中磁流变液施加磁场和外部加压作用产生剪切应力夹紧定位工件时，很难保证工件初始定位精度，导致机床对刀困难，同时也不能保证加工过程中刀具冲击作用使得工件初始位置发生偏移，进一步增大加工误差，从而降低零件的加工精度和加工质量。
发明内容
为了克服现有支撑装置由于定位精度低而造成复杂薄壁叶片类零件加工精度低的不足，本发明提供一种柔性支撑装置。该柔性支撑装置包括左铁芯、左励磁线圈、左楔形导向容器壁、左支撑板、左楔形块、右支撑板、右楔形块、右楔形导向容器壁、右励磁线圈、右铁芯和磁流变液，还包括机架、左初定位装置、右初定位装置、位移传感器、支撑杆和直流稳压电源。叶片一端通过螺栓固定在左初定位装置上，根据已固定的叶片位置，在燕尾槽上下滑动来确定叶片另一端在右初定位装置的准确固定位置，通过螺栓将右初定位装置固定在平行于磁场方向的容器壁上，叶片的叶身部分由磁流变液拟合叶身形状提供完全支撑，从而有效避免了叶片在切削过程中因为自身刚度不够而产生的让刀变形，使得叶片加工过程更加稳定；位移传感器装置测量叶片在投影方向上的变形量，实现叶片加工变形的在线监测，通过得到的监测数据适时调整电流值或者外部挤压力的大小，以改变磁流变液容器体积和磁流变液磁性颗粒成链结构，改变磁流变液固化强度，提供更准确的支撑力。可以提高零件的定位精度，从而改善复杂薄壁零件的刚度，保证零件的高速高效加工精度和加工质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种柔性支撑装置，包括左铁芯2、左励磁线圈3、左楔形导向容器壁4、左支撑板5、左楔形块6、右支撑板9、右楔形块10、右楔形导向容器壁11、右励磁线圈12、右铁芯13和磁流变液15，其特点是还包括机架1、左初定位装置8、右初定位装置18、位移传感器19、支撑杆20和直流稳压电源21。所述左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11通过焊接的方式与容器底14构成磁流变液容器，磁流变液容器位于左铁芯2和右铁芯13中间，安装在具有U型结构的机架1底部中央，其中左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11的内侧带有与垂直方向呈20°角的导向斜面；左楔形滑块6和右楔形滑块10通过螺栓固定在左支撑板5和右支撑板9上，通过调节螺栓使得左楔形滑块6和右楔形滑块10沿导向斜面上下滑动，用于改变磁流变液容器的容积；左支撑板5和右支撑板9通过焊接的方式固定在左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11；在左铁芯2和右铁芯13上安装有型号相同的左励磁线圈3和右励磁线圈12，通过直流稳压电源21对左励磁线圈3和右励磁线圈12通电，产生垂直于左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11的磁场。所述左初定位装置8采用螺栓连接的方式固定在平行于磁场方向的容器壁16上，右初定位装置18通过燕尾槽17上下滑动，在确定好精确安装平面后通过螺栓与平行于磁场方向的容器壁16固定在一起。左初定位装置8和右初定位装置18的U型结构上端均有一个螺栓用于夹紧和释放叶片7。安装叶片7时，叶片7的一端通过螺栓固定在左初定位装置8上，叶片7的另一端通过调整右初定位装置18在燕尾槽17上的位置来确定叶片7最佳安装位置后，通过螺栓将右初定位装置18固定在平行于磁场方向的容器壁16上；支撑杆20安装在容器底14中央，支撑杆20顶端安装有位移传感器19，位移传感器19与叶片7接触，磁流变液容器中注入磁流变液15，直流稳压电源21对左励磁线圈3和右励磁线圈12供电。
本发明的有益效果是：本发明柔性支撑装置包括左铁芯、左励磁线圈、左楔形导向容器壁、左支撑板、左楔形块、右支撑板、右楔形块、右楔形导向容器壁、右励磁线圈、右铁芯和磁流变液，还包括机架、左初定位装置、右初定位装置、位移传感器、支撑杆和直流稳压电源。叶片一端通过螺栓固定在左初定位装置上，根据已固定的叶片位置，在燕尾槽上下滑动来确定叶片另一端在右初定位装置的固定位置，通过螺栓将右初定位装置固定在平行于磁场方向的容器壁上，叶片的叶身部分由磁流变液拟合叶身形状提供完全支撑，从而有效避免了叶片在切削过程中因为自身刚度不够而产生的让刀变形，使得叶片加工过程更加稳定；位移传感器装置测量叶片在投影方向上的变形量，实现叶片加工变形的在线监测，通过得到的监测数据适时调整电流值或者外部挤压力的大小，以改变磁流变液容器体积和磁流变液磁性颗粒成链结构，改变磁流变液固化强度，提供更准确的支撑力。提高了零件的定位精度，从而提高了复杂薄壁叶片类零件的刚度，保证了零件的高速高效加工精度和加工质量。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1为文献所述装置结构示意图；
图2为本发明装置结构主视图；
图3为本发明图2的A-A处结构剖视示意图；
图4为本发明励磁线圈供电示意图。
图中：1-机架，2-左铁芯，3-左励磁线圈，4-左楔形导向容器壁，5-左支撑板，6-左楔形块，7-叶片，8-左初定位装置，9-右支撑板，10-右楔形块，11-右楔形导向容器壁，12-右励磁线圈，13-右铁芯，14-容器底，15-磁流变液，16-平行于磁场方向的容器壁，17-燕尾槽，18-右初定位装置，19-位移传感器，20-支撑杆，21-直流稳压电源，22-矩形测试块，23-力传感器，24-应变测量传感器，25-底座。
具体实施方式
以下实施例参照图2～4。
本发明柔性支撑装置包括左铁芯2、左励磁线圈3、左楔形导向容器壁4、左支撑板5、左楔形块6、右支撑板9、右楔形块10、右楔形导向容器壁11、右励磁线圈12、右铁芯13和磁流变液15，还包括机架1、左初定位装置8、右初定位装置18、位移传感器19、支撑杆20和直流稳压电源21。
机架1为U型结构，采用45号钢制作，尺寸为500×200×250mm；左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11采用45号钢材料制成，左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11的内侧与垂直方向呈20°角的导向斜面，而厚为70mm的容器底14和平行于磁场方向的容器壁16采用铝合金材料制成，左楔形导向容器壁4、右楔形导向容器壁11、容器底14和平行于磁场方向的容器壁16通过焊接的方式连接在一起构成磁流变液容器，磁流变液容器的内腔上端长宽高尺寸为86×160×110mm，其中，磁流变液容器位于左铁芯2和右铁芯13中间，置于具有U型结构的机架1底部中央、用螺栓固定；左楔形块6和右楔形块10材料为45号钢，通过螺栓固定在材料为铝合金的左支撑板5和右支撑板9上，可以通过扭动螺栓使得左楔形块6和右楔形块10沿导向斜面上上下滑动，用于改变磁流变液容器内体积的大小；左支撑板5和右支撑板9通过焊接的方式固定在左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11上。左铁芯2和右铁芯13尺寸为120mm、长150mm，材料为45号钢，采用螺栓固定在机架1内侧；在左铁芯2和右铁芯13上安装有型号相同的左励磁线圈3和右励磁线圈12，线圈采用线径0.56mm的铜丝，匝数为2000匝，通过直流稳压电源21对左励磁线圈3和右励磁线圈12通电产生垂直于左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11的磁场。
工件的左初定位装置8和右初定位装置18采用45号钢制成，其中左初定位装置8采用螺栓连接的方式安装在平行于磁场方向的容器壁16上；而右初定位装置18通过燕尾槽17可以上下滑动，在确定好叶片7精确安装平面后通过螺栓与平行于磁场方向的容器壁16固定在一起。左初定位装置8和右初定位装置18的U型结构上端均有一个螺栓可以上下移动用于夹紧和释放叶片7。安装叶片7时，其一端通过左初定位装置8上端螺栓压在叶片7的橼板上，另一端通过调整右初定位装置18在燕尾槽17上的位置来确定叶片7下底面形状尺寸的最佳安装位置，通过螺栓将右初定位装置18固定在平行于磁场方向的容器壁16上，旋转左初定位装置8和右初定位装置18上端螺栓压紧叶片7的工艺凸台，起到确定叶片7的精确初始位置；直径为4mm、材料为铝合金的支撑杆20安装在容器底14中央，其中支撑杆20顶端安装有位移传感器19，其与叶片7接触，用于测量装夹过程和加工过程中叶片由于夹紧力和切削力的作用发生位移；各零部件相对位置固定好后，向磁流变液容器中倒入质量分数为70％的磁流变液15，通过直流稳压电源21对左励磁线圈3和右励磁线圈12通电产生垂直于左楔形导向容器壁4和右楔形导向容器壁11的磁场，使得磁流变液15固化，产生剪切应力。
通过位移传感器19测得叶片7在装夹和磁流变液固化过程中产生位移量大小调整电流参数，控制磁流变液固化程度，保证叶片7的初始定位精度。磁流变液15在未加磁场情况下自由的拟合叶片7形状，当直流稳压电源21对左励磁线圈3和右励磁线圈12通电产生磁场后，容器内磁流变液15迅速从牛顿流体状态到宾汉姆类固体状态，拟合零件的液体也形成类固体状态，起到支撑零件、提高零件的刚性的目标。考虑到磁流变液15仅在磁场作用下产生支撑力不能满足叶片7加工需要，故采用螺栓旋转推动垂直于磁场方向的左楔形滑块6和右楔形滑块10向下移动，减小容器内体积并对磁流变液15产生挤压，促使容器内固化后的磁流变液15形成更有力的磁性颗粒链状结构，进一步提高磁流变液的剪切强度，对叶片7产生更大的支撑力，起到更好的支撑作用，有效提高待加工薄壁叶片7的刚度，从而有效提高加工精度和加工质量。
待加工结束时，将左励磁线圈3和右励磁线圈12断电使得磁场撤掉，此时磁流变液材料恢复到流体状态，失去剪切能力，因而可以轻易取出叶片7。
该柔性支撑夹具的优越性主要体现在如下方面：如需更换加工不同型号的复杂薄壁叶片类零件，只需改变磁流变液容器的尺寸，增大线圈匝数保证磁场强度即可，而不需要更换整个夹具***。例如采用长宽高尺寸为100×200×200mm的大熔池，需要更换匝数约为5000匝的线圈。

Claims (1)

1.一种柔性支撑装置，包括左铁芯(2)、左励磁线圈(3)、左楔形导向容器壁(4)、左支撑板(5)、左楔形块(6)、右支撑板(9)、右楔形块(10)、右楔形导向容器壁(11)、右励磁线圈(12)、右铁芯(13)和磁流变液(15)，其特征在于：还包括机架(1)、左初定位装置(8)、右初定位装置(18)、位移传感器(19)、支撑杆(20)和直流稳压电源(21)；所述左楔形导向容器壁(4)和右楔形导向容器壁(11)通过焊接的方式与容器底(14)构成磁流变液容器，磁流变液容器位于左铁芯(2)和右铁芯(13)中间，安装在具有U型结构的机架(1)底部中央，其中左楔形导向容器壁(4)和右楔形导向容器壁(11)的内侧带有与垂直方向呈20°角的导向斜面；左楔形块(6)和右楔形块(10)通过螺栓固定在左支撑板(5)和右支撑板(9)上，通过调节螺栓使得左楔形块(6)和右楔形块(10)沿导向斜面上下滑动，用于改变磁流变液容器的容积；左支撑板(5)和右支撑板(9)通过焊接的方式固定在左楔形导向容器壁(4)和右楔形导向容器壁(11)；在左铁芯(2)和右铁芯(13)上安装有型号相同的左励磁线圈(3)和右励磁线圈(12)，通过直流稳压电源(21)对左励磁线圈(3)和右励磁线圈(12)通电，产生垂直于左楔形导向容器壁(4)和右楔形导向容器壁(11)的磁场；所述左初定位装置(8)采用螺栓连接的方式固定在平行于磁场方向的容器壁(16)上，右初定位装置(18)通过燕尾槽(17)上下滑动，在确定好精确安装平面后通过螺栓与平行于磁场方向的容器壁(16)固定在一起；左初定位装置(8)和右初定位装置(18)的U型结构上端均有一个螺栓用于夹紧和释放叶片(7)；安装叶片(7)时，叶片(7)的一端通过螺栓固定在左初定位装置(8)上，叶片(7)的另一端通过调整右初定位装置(18)在燕尾槽(17)上的位置来确定叶片(7)最佳安装位置后，通过螺栓将右初定位装置(18)固定在平行于磁场方向的容器壁(16)上；支撑杆(20)安装在容器底(14)中央，支撑杆(20)顶端安装有位移传感器(19)，位移传感器(19)与叶片(7)接触，磁流变液容器中注入磁流变液(15)，直流稳压电源(21)对左励磁线圈(3)和右励磁线圈(12)供电。
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