CN108620911B - 一种磁流变液随动支撑方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种磁流变液随动支撑方法属于装夹技术领域，特别涉及一种磁流变随动支撑方法。该方法首先设计并组装随动励磁装置，在夹具体上安装薄壁件并形成空腔，向空腔内注入磁流变液。再通过控制励磁电流调控励磁磁场强度，控制磁流变液的支撑刚度，以满足不同薄壁件装夹刚性需求。在随动励磁条件下，使得磁流变液工作于挤压模式，可获得更高的弹性模量。通过对目标区域磁流变液实施随动励磁固化和卸磁松弛，实现对大型薄壁件随动支撑和柔性装夹。该方法的励磁磁场精确可控，磁流变液瞬时液固转换，保证了薄壁件磁流变随动支撑连续性和柔性，装夹可靠性好。

Description

一种磁流变液随动支撑方法
技术领域
本发明属于装夹技术领域，特别涉及一种磁流变液随动支撑方法。
背景技术
薄壁件被广泛应用于航空航天等领域的关键装备中，其上设计有尺寸和位置精度相对严格的复杂加工特征，而且往往要求等剩余壁厚或变壁厚。然而，由于该类零件具有壁薄、刚度差、面形复杂等特点，实现可靠装夹难度大。目前，针对薄壁件装夹，工程中可选的装夹方案主要包括靠模装夹、真空吸附装夹、点阵支撑装夹、镜像支撑装夹等。靠模装夹操作简单，由于成型后的薄壁件廓形误差较大(毫米级)，胎膜与薄壁件难以完全贴合，势必存在装夹缝隙；真空吸附相对平稳，但对于复杂面形薄壁结构，吸附可靠性差；点阵支撑适于敞开式薄壁件，但支撑点空隙区域往往呈悬空状态，易出现切削变形和振动，且装夹***整体柔性较差；镜像支撑装夹是解决大型、超大型薄壁结构加工支撑的有效方案，但需要较大的支撑空间，且运动控制非常复杂。
磁流变液是一种形态可控的智能材料，其在常温下通过外加磁场能快速、可逆、连续地实现固-液可控转换。为此，利用磁流变液的流体特性柔性充填装夹间隙，并通过磁场调控实现加工目标区域的随动固化支撑，可为复杂薄壁件支撑装夹提供一种柔性解决方案。2016年，山东大学专利CN106514369A中，发明了“一种用于复杂曲面类薄壁件铣削的柔性夹具”，可实现加工颤振抑制。2017年，大连理工大学在专利CN106881609A中，发明了“一种薄壁平板磁流变液柔性支撑方法”，设计了阵列式励磁单元，实现了磁流变液于初始装夹状态下对缝隙的柔性充填，然而该方式不能实现随动支撑。
上述研究均未提及面向薄壁件可靠装夹的一种磁流变液随动支撑方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服上述方法的不足，针对薄壁零件加工中的可靠装夹难题，发明了一种磁流变液随动支撑方法。该方法设计并组装具有可控励磁、冷却功能的随动励磁装置，通过控制励磁电流调控励磁磁场，以调控磁流变液的支撑刚度。将励磁装置安装至主轴，通过对目标区域磁流变液的随动励磁固化和卸磁松弛，实现薄壁件的磁流变随动支撑。该方法的励磁磁场精确可控，磁流变液瞬时液固转换，保证了薄壁件磁流变随动支撑连续性和柔性，装夹可靠性好。
本发明采用的技术方案是一种磁流变液随动支撑方法，该方法首先设计并组装随动励磁装置，在夹具体上安装薄壁件并形成空腔，向空腔内注入磁流变液；再通过控制励磁电流调控励磁磁场强度，控制磁流变液的支撑刚度，以满足不同薄壁件装夹刚性需求；通过对目标区域磁流变液实施随动励磁固化和卸磁松弛，实现对大型薄壁件随动支撑和柔性装夹；方法的具体步骤如下：
第一步 设计并组装随动励磁装置
随动励磁装置I由内壳1、外壳2、励磁线圈3三部分组成；内壳1为阶梯形状，使其与铣刀6、刀柄7和主轴8的轮廓相容；将励磁线圈3缠绕至内壳1上，形成励磁内核；再利用外壳上螺栓组件4和外壳下螺栓组件5把外壳2与内壳1连接在一起，冷却液经由内壳1上的流入通道1a进入励磁线圈3，并从外壳2上的流出通道2a流出，实现对励磁线圈3的冷却；
第二步 填充磁流变液
将薄壁件12放置到夹具体14上，用薄壁件螺栓组件13完成装夹，则薄壁件12与夹具体14间形成空腔；磁流变液15经阀门18和入口通道14a被注入至空腔；透明观测管16通过流出通道14b与空腔连通；透明观测管16设置了填满线16a和警示线16b，填满线16a略高于薄壁件12的下表面，警示线16b与薄壁件12上表面齐平；当磁流变液15的液面到达填满线16a时，关闭阀门18，停止填充，并利用密封圈17完成密封；最终实现磁流变液可靠填充；
第三步 励磁磁场调控
首先，按照支撑力F反算出磁流变液所需屈服应力τ1，
Figure GDA0002262154450000021
式中，R为铣刀半径，h为磁流变液厚度，τ1为屈服应力，η为粘性系数，v为挤压速度；
利用屈服应力τ1反算励磁磁场强度H，
τ1＝271700CΦ1.5239Tanh(6.33×10-6H) (2)
式中，Tanh为双曲正切函数，C为磁流变液系数，Φ为磁性颗粒体积分数。然后，利用励磁磁场强度H解算励磁电流I，
Figure GDA0002262154450000031
式中，N为线圈匝数，Le为电磁铁下表面到磁流变液上表面的距离；
通过调控励磁电流I改变励磁磁场强度H，以满足所需支撑力F要求；
第四步 磁流变液随动支撑控制
借助转接工装11，利用主轴箱螺栓组件10将随动励磁装置I连接到主轴箱9上；随动励磁装置I被数控驱动至薄壁件12上方的工位1；励磁线圈3通电后产生励磁磁场，工位1对应空腔内的局部磁流变液励磁固化，固化后的磁流变液15a实现对薄壁件12工位1处支撑；随动励磁装置I被数控驱动至薄壁件12上方的工位2，其间励磁线圈3保持通电，则励磁磁场随动至工位2；因工位1处励磁磁场消失，其对应空腔内的局部磁流变液卸磁松弛，而工位2对应空腔内的局部磁流变液励磁固化，进而实现了对薄壁件12的随动支撑控制。
本发明的有益效果是设计并组装具有可控励磁、冷却功能的随动励磁装置，该方法励磁磁场精确可控，磁流变液瞬时液固转换，保证了薄壁件磁流变随动支撑连续性和柔性。还具有可控励磁、冷却功能，随动励磁装置结构紧凑。在随动励磁条件下，使得磁流变液工作于挤压模式，可获得更高的弹性模量；通过调整励磁强度，控制磁流变液的支撑刚度，以满足不同薄壁件装夹刚性需求；通过对目标区域磁流变液实施随动励磁固化和卸磁松弛，实现对大型薄壁件随动支撑和柔性装夹，装夹可靠性好。
附图说明
图1-随动励磁装置立体图，图2-随动励磁装置剖视图。其中，I-随动励磁装置，1-内壳，1a-冷却液流入通道，2-外壳，2a-冷却液流出通道，3-励磁线圈，4-外壳上螺栓组件，5-外壳下螺栓组件，6-铣刀，7-刀柄，8-主轴，9-主轴箱，10-主轴箱螺栓组件，11-转接工装。
图3-随动支撑图，其中，I-随动励磁装置，12-薄壁件，13-薄壁件螺栓组件，14-夹具体，14a-入口通道，14b-出口通道，15-磁流变液，15a-固化后的磁流变液，16-透明观测管，16a-填满线，16b-警示线，17-密封圈，18-阀门。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。
本实施例中，选用铣刀半径R＝16mm，线圈匝数为800，线径为2.76mm。电流密度设置为4A/mm2，通过单根铜线的电流I＝6mm2×4A/mm2＝24A，冷却液采用油基冷却液。
第一步 设计并组装随动励磁装置
随动励磁装置I由内壳1、外壳2、励磁线圈3三部分组成；内壳1为阶梯形状，使其与铣刀6、刀柄7和主轴8的轮廓相容。首先，将励磁线圈3缠绕至内壳1上，形成励磁内核；利用外壳上螺栓组件4和外壳下螺栓组件5，把外壳2与内壳1连接在一起；冷却液经由内壳1上的流入通道1a进入励磁线圈3，并从外壳2上的流出通道2a流出，实现对励磁线圈3的冷却，如图1、2所示。
第二步 填充磁流变液
如图3所示，薄壁件12的材料为铝合金，厚度1mm。将薄壁件12放置到夹具体14上，用薄壁件螺栓组件13完成装夹，使薄壁件12与夹具体14间形成空腔；磁流变液15经阀门18和入口通道14a被注入至空腔。其中，磁流变液15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；透明观测管16通过流出通道14b与空腔连通；透明观测管16设置了填满线16a和警示线16b，填满线16a略高于薄壁件12的下表面，警示线16b与薄壁件12上表面齐平；当磁流变液15面到达填满线16a时，表示空腔已被磁流变液完全灌满，关闭阀门18停止填充，并利用密封圈17完成密封；最终实现磁流变液可靠填充。
第三步 励磁磁场调控
支撑力F＝100N，铣刀半径R＝16mm，磁流变液厚度h＝4mm，粘性系数η＝203Pa·s，挤压速度v＝2μm/s，磁性颗粒体积分数Φ＝40％，磁流变液系数C＝0.95，线圈匝数N＝800，电磁铁下表面到磁流变液上表面的距离Le＝3cm。利用公式(1)，反算出磁流变液所需屈服应力τ1＝46.6kPa；利用公式(2)，由屈服应力τ1反算出励磁磁场强度H＝115kA/m；利用公式(3)，由励磁磁场强度H解算出励磁电流I＝4.3A。最后，通过调控励磁电流I改变励磁磁场强度H，以满足所需支撑力F要求。
第四步 随动支撑运动控制
借助转接工装11，利用主轴箱螺栓组件10将随动励磁装置I连接到主轴箱9上；随动励磁装置I被数控驱动至薄壁件12上方的工位1；励磁线圈3通电后产生励磁磁场，工位1对应空腔内的局部磁流变液励磁固化，固化后的磁流变液15a实现对薄壁件12工位1处支撑；随动励磁装置I被数控驱动至薄壁件12上方的工位2，其间励磁线圈3保持通电，则励磁磁场随动至工位2；因工位1处励磁磁场消失，其对应空腔内的局部磁流变液卸磁松弛，而工位2对应空腔内的局部磁流变液励磁固化，进而实现了对薄壁件12的随动支撑控制，如图3所示。不同工位顺次加工，形成始终围绕主轴下方磁流变液固化的随动镜像支撑方式。
本发明的一种磁流变液随动支撑方法，实现了大型薄壁件的柔性装夹，装夹可靠性好。

Claims (1)

1.一种磁流变液随动支撑方法，其特征是，该方法首先设计并组装随动励磁装置，在夹具体上安装薄壁件并形成空腔，向空腔内注入磁流变液；再通过控制励磁电流调控励磁磁场强度，控制磁流变液的支撑刚度，以满足不同薄壁件装夹刚性需求；通过对目标区域磁流变液实施随动励磁固化和卸磁松弛，实现对大型薄壁件随动支撑和柔性装夹；方法的具体步骤如下：
第一步 设计并组装随动励磁装置
随动励磁装置(I)由内壳(1)、外壳(2)、励磁线圈(3)三部分组成；内壳(1)设计为阶梯形状，使其与铣刀(6)、刀柄(7)和主轴(8)的轮廓相容；将励磁线圈(3)缠绕至内壳(1)上，形成励磁内核；再利用外壳上螺栓组件(4)和外壳下螺栓组件(5)，把外壳(2)与内壳(1)连接在一起；冷却液经由内壳(1)上的流入通道(1a)进入励磁线圈(3)，并从外壳(2)上的流出通道(2a)流出，实现对励磁线圈(3)的冷却；
第二步 填充磁流变液
将薄壁件(12)放置到夹具体(14)上，用薄壁件螺栓组件(13)完成装夹，则薄壁件(12)与夹具体(14)间形成空腔；磁流变液(15)经阀门(18)和入口通道(14a)被注入至空腔；透明观测管(16)通过流出通道(14b)与空腔连通，透明观测管(16)设置了填满线(16a)和警示线(16b)，填满线(16a)略高于薄壁件(12)的下表面，警示线(16b)与薄壁件(12)上表面齐平；当磁流变液(15)的液面到达填满线(16a)时，关闭阀门(18)停止填充，并利用密封圈(17)完成密封；最终实现磁流变液可靠填充；
第三步 励磁磁场调控
首先，按照支撑力F反算出磁流变液所需屈服应力τ1，
Figure FDA0002262154440000011
式中，R为铣刀半径，h为磁流变液厚度，τ1为屈服应力，η为粘性系数，v为挤压速度；
利用屈服应力τ1反算励磁磁场强度H，
τ1＝271700CΦ1.5239Tanh(6.33×10-6H) (2)
式中，Tanh为双曲正切函数，C为磁流变液系数，Φ为磁性颗粒体积分数；
然后，利用励磁磁场强度H解算励磁电流I，
Figure FDA0002262154440000021
式中，N为线圈匝数，Le为电磁铁下表面到磁流变液上表面的距离；
通过调控励磁电流I改变励磁磁场强度H，以满足所需支撑力F要求；
第四步磁流变液随动支撑控制
借助转接工装(11)，利用主轴箱螺栓组件(10)将随动励磁装置(I)连接到主轴箱(9)上；随动励磁装置(I)被数控驱动至薄壁件(12)上方的工位1；励磁线圈(3)通电后产生励磁磁场，工位1对应空腔内的局部磁流变液励磁固化，固化后的磁流变液(15a)实现对薄壁件(12)工位1处支撑；随动励磁装置(I)被数控驱动至薄壁件(12)上方的工位2，其间励磁线圈(3)保持通电，则励磁磁场随动至工位2；因工位1处励磁磁场消失，其对应空腔内的局部磁流变液卸磁松弛，而工位2对应空腔内的局部磁流变液励磁固化，进而实现了对薄壁件(12)的随动支撑控制。
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