CN112917205B - 一种大型球冠类薄壁件阵列式内撑夹具及柔性装夹方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型球冠类薄壁件阵列式内撑夹具及柔性装夹方法，属于装夹技术领域。该阵列式内撑夹具由液压驱动***、定位夹紧装置和辅助装置组成，利用液压驱动***驱动液压缸动作，继而带动橡胶板运动，实现内撑装夹。本发明采用内胎膜与自动支撑结合的方式，结构简单，自动内撑阵列式排布，且各组自动内撑为单独动作，能适应较为复杂工件内表面，与之实现紧密贴合；同时采用压盘及压环对工件上下未加工区域进行辅助夹紧，可保证工件整体刚度；采用联接阀控制夹具的夹紧、松开，操作便捷，实现了保压功能，节约成本；本发明实现了对球冠类薄壁件的柔性、快速、可靠装夹。

Description

一种大型球冠类薄壁件阵列式内撑夹具及柔性装夹方法

技术领域

本发明属于装夹技术领域，特别涉及一种大型球冠类薄壁件阵列式内撑夹具及柔性装夹方法。

背景技术

航空航天领域重大装备中存在一大批尺寸相对较大、球冠类薄壁件，如火箭贮箱共底构件、火箭贮箱封头等，其需在表面上加工出精度要求极为严格的复杂特征，如槽、栅格等。然而，薄壁件刚度较低，在材料大余量去除过程中，易产生明显的加工振动，进而导致刀具快速磨损、零件加工质量差问题，影响零件的精度以及后续的装配及实际应用效果。在机械制造过程中，夹具用于固定加工工件，使之占有正确的位置，并在加工过程中支撑工件，减少工件的振动和变形。有研究表明，大约40％的零件加工精度问题都是由夹具的误差所引起的，因此设计具有增加***刚度、减少薄壁工件变形的夹具具有重要意义。

实际生产中，该类零件常常采用靠模装夹，使内胎膜外表面与零件内表面设计一致，尽量让零件的装夹面与夹具体的支撑面紧密贴合，但由于该类零件常采用旋压、拼焊等方式成型，其形状和尺寸较原始设计存在较大偏差，造成零件装夹面与夹具体支撑面贴合状态不一致，加工易产生较大振动及变形。此外，还采用在薄壁件内部填充液相材料的装夹方法，使用外加条件刺激液相材料发生相变由液态转变为固态，实现零件的固定。但目前能适应夹具性能要求的此类相变物质较少，且针对大型球冠类薄壁件，该方法较为繁琐，装夹稳定性较差。

2015年胡蓝等人在专利CN201520836110.1中公开了一种大型薄壁零件橡皮囊内压支撑装置，通过加压装置向液室中注入油或水等流体介质，依靠流体的压力，从而撑起橡皮囊，使其与工件内表面贴合，约束零件的变形，且支撑物为橡皮囊，能适应多种曲面，能重复利用，通用性较强。但该装置支撑刚度较弱，考虑到空隙结构的复杂性、填充物的流动性，易导致填充不均匀、不牢靠，无法保证薄壁件的局部刚度，难以满足薄壁件高精、高效制造需求。2020年刘海波等人在CN202010078986.X中公开了一种薄壁圆筒件自动内撑夹具及装夹方法，依靠电机丝杠***驱动锥度芯轴轴向运动，带动内撑胀套径向运动，实现对薄壁圆筒件的内撑装夹，大大提高了加工区域的局部刚度。但该内撑胀套为同步运动，难以适应较为复杂的零件内表面，无法完全与零件内表面紧密贴合，形成局部区域装夹空洞，产生振动及变形。

上述研究中，均未提及一种大型球冠类薄壁件阵列式内撑夹具及柔性装夹方法。

发明内容

本发明针对球冠类薄壁件在加工过程中快速、可靠装夹难题，提供了一种大型球冠类薄壁件阵列式内撑夹具及柔性装夹方法。本发明采用内胎膜与自动支撑结合的方式，结构简单，自动内撑阵列式排布，且各组内撑为单独动作，能适应较为复杂工件内表面，与之实现紧密贴合；自动支撑采用液压驱动***，驱动力大、平稳性好，其外部覆有橡胶板，可增大与工件内表面的接触面积，大大提高工件的局部刚度；采用压环及压盘对工件上下未加工区域进行辅助夹紧，可保证工件整体刚度；采用联接阀控制夹具的夹紧、松开，联接阀可在切断油压源后能长时间保持夹紧路无压力泄露，实现保压功能；可以实现球冠类薄壁件的柔性、快速、可靠装夹。

本发明所采用的技术方案是：

一种大型球冠类薄壁件阵列式内撑夹具，包括定位夹紧装置、辅助装置和液压驱动***。

所述的定位夹紧装置包括芯轴6、内胎膜7、液压缸19和橡胶板3。所述内胎膜7支撑面的设计廓形与工件内壁的定位面几何廓形保持一致，具有定心功能。所述芯轴6安装于内胎膜7中心处，芯轴6通过芯轴内螺栓20与内胎膜7固连；芯轴6上部有一圈外螺纹，便于与锁紧螺母5配合。所述液压缸19嵌入内胎膜7中，通过液压缸连接螺栓29与内胎膜7相连；在内胎膜母线上均布有3个液压缸19，其为一组自动支撑，在内胎膜环向方向，阵列式均布8组自动支撑，每组自动支撑均由一个减压阀9控制，单独动作，实现对球冠类薄壁件的均匀、可靠装夹。每个液压缸19活塞末端均装有橡胶板3，活塞杆处于初始位置时，橡胶板3上表面与内胎膜表面在同一曲面上，保证橡胶板与工件内表面接触；夹紧时，活塞推动橡胶板3运动，从而调节球冠类薄壁件16内表面与内胎膜面的间隙，使球冠类薄壁件与内胎膜贴合更加紧密，进而保证球冠类薄壁件的局部刚度。

所述的辅助装置包括压环15、压板8、压盘4、锁紧螺母5、上定位盘22、下定位盘23、转接工装2和T型块11。其中，压环15为分瓣式，由两瓣通过螺栓连接，压环15底部安有橡胶垫，减小与工件的接触变形。待液压缸19活塞推动橡胶板3对球冠类薄壁件16撑涨完毕后，在球冠类薄壁件下端用压环15及压板8加以固定；在球冠类薄壁件上端用压盘4进行固定，并通过锁紧螺母5与芯轴6螺纹连接，完成球冠型薄壁件16的完全定位，实现可靠装夹。所述上定位盘22、下定位盘23分别装于转接工装2上部及下部，转接工装2通过上定位盘22与内胎膜7底部的定位孔配合，实现“一面一销”定位；转接工装2与内胎膜7通过转接工装内螺栓17固连。转接工装2通过下定位盘23与转台1中心孔配合，实现“一面一销”定位方式；转接工装2与转台1通过转台内螺栓10和T型块11连接。

所述液压驱动***包括储液箱25、双向液压泵26、溢流阀27、三通28、减压阀9、联接阀12、压力表13和蓄能器14。所述储液箱25通过油管与双向液压泵26相连，双向液压泵26将液压油输送给联接阀12，联接阀用于控制油路的通断；溢流阀27通过三通28接于双向液压泵26与联接阀12之间，当回路中压力高于溢流阀27设定压力，溢流阀27开启，进而将液压油回送到储液箱25中。此外，减压阀9、联接阀12、压力表13、蓄能器14均安装于内胎膜7上，液压油经胎膜内部液压管路依次流入联接阀12、压力表13、蓄能器14、减压阀9中，经减压阀9变压控制后，再通过内胎膜内部液压管路18输送至液压缸19中。压力表13用于实时监测油路压力，当***压力较低时，蓄能器14工作，将储存的能量释放出来，重新补供给***。

利用上述夹具对球冠类薄壁件进行柔性装夹的方法，利用液压驱动***驱动液压缸19活塞动作，进而带动橡胶板3运动，与球冠类薄壁件内表面紧密贴合，实现对球冠类薄壁件的内撑装夹。具体步骤如下：

首先，将球冠类薄壁件16吊装在阵列式内撑夹具上，以球冠类薄壁件16下表面为定位面；接着，启动液压驱动***，储液箱25提供动力驱动所需的液压油，液压油经油管依次通过双向液压泵26、三通28、联接阀12等，打开联接阀12的A阀，液压油依次流入到压力表13、蓄能器14中，蓄能器14储存能量，在***低压时进行补压，保证***稳定。此后，液压油经蓄能器14流入减压阀9中，每组自动支撑均由一个减压阀9控制，单独动作，通过操作减压阀9控制流入不同组液压缸的压力，实现变压控制，从而调控各组自动支撑运动行程，适应较为复杂工件内表面。之后，液压油再通过夹具体内部液压管路18流入到液压缸19进油口中，使无杆腔增大，带动活塞向前运动，使橡胶板3与球冠类薄壁件16内表面接触间隙减小，贴合紧密，实现内撑效果。待内撑完毕，将压环15置于球冠类薄壁件16底部，用压板8将其固定，压环15下部安有橡胶垫，有效加大与球冠类薄壁件16底部的接触面积，同时可使压板8施加的夹紧力均匀化，夹紧牢固，减小变形。此外，将压盘4置于球冠类薄壁件16上部未加工区域，锁紧螺母5放于压盘4上，旋紧锁紧螺母5，从而使得压盘4与球冠类薄壁件16上表面紧密接触，实现压紧。最后，关闭联接阀12，从而切断油路，能实现保压功能。泄压时，只需打开联接阀12的B阀，液压油从液压缸有杆腔中经出油口排出，即可促使液压缸19活塞向后运动，使橡胶板3与工件内表面脱离，实现松开效果。

本发明的有益效果是：本发明通过内胎膜与自动支撑相结合，结构简单，各组自动支撑单独动作，有效地加大与工件内表面的接触面积，实现紧密贴合，橡胶板有效增加了***阻尼，减小振动。液压流道嵌入内胎膜中，液压元件集中于内胎膜上，节约了大量空间，较为便捷的进行控制。同时，采用压盘、压环对工件上下未加工区域进行支撑，大大提高了工件的整体刚度；采用液压***驱动，驱动力大、平稳性好；采用联接阀控制夹具的夹紧、松开，操作便捷，可实现保压功能，节约成本，有效提高了装夹的可靠性。

附图说明

图1为球冠类薄壁件自动内撑夹具示意图。

图2为球冠类薄壁件装夹示意图。

图3为夹具体纵向剖切示意图。

其中：1回转台；2转接工装；3橡胶板；4压盘；5锁紧螺母；6芯轴；7内胎膜；8压板；9减压阀；10转台内螺栓；11T型块；12联接阀；13压力表；14蓄能器；15压环；16球冠类薄壁件；17转接工装内螺栓；18液压管路；19液压缸；20芯轴内螺栓；21上定位盘内螺栓；22上定位盘；23下定位盘；24下定位盘内螺栓；25储液箱；26双向液压泵；27溢流阀；28三通；29液压缸连接螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。

实施例中，球冠类薄壁件16由一块铝合金板材经冲压拉伸整体成型而成，其上方小端孔径为420mm，下方大端外径为3350mm，高度约900mm。工件壁厚沿母线方向变化从28mm(小端)到15mm(大端)。

首先，组装自动内撑夹具装备，如图1和图2，由定位夹紧装置、辅助装置和液压驱动***组成。

安装时，芯轴6安装于内胎膜7中部，并通过芯轴内螺栓20与之固连；芯轴6上部有一圈外螺纹，便于与锁紧螺母5配合。液压缸19嵌入内胎膜7中，通过液压缸连接螺栓29与内胎膜7相连；在内胎膜母线上均布有3个液压缸19，每3个液压缸19为一组自动支撑，在胎膜环向方向，阵列式均布8组自动支撑，每组自动支撑均由一个减压阀9控制，单独动作，实现对球冠类薄壁件的均匀、可靠装夹。每个液压缸19活塞末端均装有橡胶板3，活塞杆处于初始位置时，橡胶板3上表面与内胎膜7表面在同一曲面上，保证橡胶板3与球冠类薄壁件16内表面接触。待液压缸活塞推动橡胶板3对球冠类薄壁件16撑涨完毕后，在球冠类薄壁件16下端用压环15及压板8加以固定，压环15的两瓣通过螺栓连接，其底部安有橡胶垫；在球冠类薄壁件上端用压盘4进行固定，并依靠锁紧螺母5与芯轴6的螺纹连接，完成球冠类薄壁件16的完全定位，实现可靠装夹。

内胎膜7底部开有定位孔，通过上定位盘22、上定位盘内螺栓21与转接工装2实现“一面一销”定位，内胎膜7通过转接工装内螺栓17与转接工装2固连。转接工装2通过下定位盘23、下定位盘内螺栓24与转台1中心孔配合，实现“一面一销”定位方式，并通过转台内螺栓10和T型块11与转台1连接。

储液箱25通过油管与双向液压泵26相连，双向液压泵26将液压油输送给联接阀12，联接阀控制油路的通断；溢流阀27通过三通28接于双向液压泵26与联接阀12之间，当回路中压力高于溢流阀27设定压力，溢流阀开启，进而将液压油回送到储液箱25中。此外，减压阀9、联接阀12、压力表13、蓄能器14均安装于胎膜7上，液压油经胎膜内部液压管路依次流入联接阀12、压力表13、蓄能器14、减压阀9中，经减压阀9变压控制后，再通过内胎膜内部液压管路18输送至液压缸19中。压力表13用于实时监测油路压力，当***压力较低时，蓄能器14工作，其将储存的能量释放出来，重新补供给***。

装夹方法的具体步骤如下：

第一步，吊装球冠类薄壁件，启动液压驱动***

首先，将球冠类薄壁件16吊装在阵列式内撑夹具上，以球冠类薄壁件16下表面为定位面；接着，启动液压驱动***，储液箱25提供动力驱动所需的液压油，液压油经油管依次通过双向液压泵26、三通28、联接阀12等。

第二步，液压缸运动，与球冠类薄壁件内表面紧密接触

通过控制联接阀12的开关来控制油路的通断，从而控制夹具的夹紧、松开。联接阀12起到改变液压油流向作用，当打开联接阀12的A阀，液压油依次流入压力表13、蓄能器14中，蓄能器14储存能量，在***低压时进行补压，保证***稳定。此后，液压油经蓄能器14流入减压阀9中，每组自动支撑均由一个减压阀9控制，单独动作，通过操作减压阀9控制流入不同组液压缸的压力，实现变压控制，从而调控各组自动支撑运动行程，适应较为复杂工件内表面。之后，液压油再通过夹具体内部液压管路18流入液压缸19进油口中，使无杆腔增大，带动活塞向前运动，使橡胶板3与球冠类薄壁件16内表面接触间隙减小，贴合紧密，实现内撑效果。

第三步，辅助装置运动

当液压缸活塞将球冠类薄壁件16内表面撑起时，将压环15置于球冠类薄壁件16底部，用压板8将其固定，压环15下部安有橡胶垫，有效加大与工件底部的接触面积，同时可使压板8施加的夹紧力均匀化，夹紧牢固，减小变形。此外，将压盘4置于工件上部未加工区域，锁紧螺母5放于压盘4上，通过人工手动的方式旋紧锁紧螺母5，从而使得压盘4与球冠类薄壁件16上表面紧密接触，实现压紧。

第四步，实现保压功能

待将球冠类薄壁件16装夹完毕后，关闭联接阀12，从而切断油路，该***能实现保压功能。联接阀12可在切断油压源后能长时间保持夹紧路无压力泄露，即拔下油管，依旧能实现稳定内撑，节约大量成本。泄压时，只需打开联接阀12的B阀，液压油从液压缸有杆腔中经出油口排出，流入储液箱25中，即可促使液压缸19活塞向后运动，使橡胶板与球冠类薄壁件内表面脱离，实现松开效果。

本发明所述的阵列式内撑夹具装置结构简单、性能可靠，装夹过程操作简便、自动化程度高，可实现有效保压，节约成本，该夹具具有较强的适应性，采用内胎膜与自动支撑结合的方式，结构简单，可实现紧密贴合，不但可以弥补加工部位工件刚性的不足，而且可以增加工艺***的阻尼，减少加工过程中的振动，可以有效实现对球冠类薄壁件进行柔性、快速、可靠装夹。

Claims (4)

1.一种大型球冠类薄壁件阵列式内撑夹具，其特征在于，该夹具包括定位夹紧装置、辅助装置和液压驱动***；

所述的定位夹紧装置包括芯轴(6)、内胎膜(7)、液压缸(19)和橡胶板(3)；所述内胎膜(7)支撑面的设计廓形与球冠类薄壁件内壁的定位面几何廓形一致；所述芯轴(6)安装于内胎膜(7)中心处；所述液压缸(19)连接在内胎膜(7)中，3个液压缸(19)作为一组自动支撑沿内胎膜母线均匀分布；在内胎膜环向方向，阵列式均布8组自动支撑，每组自动支撑均由一个减压阀控制；每个液压缸(19)活塞末端均装有橡胶板(3)，活塞杆处于初始位置时，橡胶板(3)上表面与内胎膜表面在同一曲面上；夹紧时，活塞推动橡胶板(3)运动，使球冠类薄壁件与内胎膜紧密贴合；

所述的辅助装置包括压环(15)、压板(8)、压盘(4)、转接工装(2)、上定位盘(22)和下定位盘(23)；待球冠类薄壁件撑涨完毕后，在球冠类薄壁件下端用压环(15)及压板(8)加以固定，在球冠类薄壁件上端用压盘(4)固定，并通过锁紧螺母(5)与芯轴(6)螺纹连接，完成球冠型薄壁件的完全定位，实现可靠装夹；所述转接工装(2)连接在内胎膜(7)和转台(1)之间，转接工装(2)上部及下部分别安装上定位盘(22)和下定位盘(23)，上定位盘(22)和下定位盘(23)分别与内胎膜(7)底部的定位孔及转台(1)中心孔配合，实现“一面一销”定位；

所述的液压驱动***中包括储液箱(25)、双向液压泵(26)、溢流阀(27)、减压阀(9)、联接阀(12)、压力表(13)和蓄能器(14)；其中，储液箱(25)与双向液压泵(26)相连，双向液压泵(26)将液压油输送给联接阀(12)；溢流阀(27)接于双向液压泵(26)与联接阀(12)之间；所述减压阀(9)、联接阀(12)、压力表(13)、蓄能器(14)均安装于内胎膜(7)上，液压油依次流入联接阀(12)、压力表(13)、蓄能器(14)、减压阀(9)中，经减压阀(9)变压控制后，再通过内胎膜内部液压管路(18)输送至液压缸(19)中。

2.根据权利要求1所述的一种大型球冠类薄壁件阵列式内撑夹具，其特征在于，所述压环(15)为分瓣式，由两瓣通过螺栓连接；压环(15)底部设有橡胶垫，用于减小与球冠类薄壁件的接触变形。

3.根据权利要求1或2所述的一种大型球冠类薄壁件阵列式内撑夹具，其特征在于，转接工装(2)与内胎膜(7)通过转接工装内螺栓(17)固连；转接工装(2)与转台(1)通过转台内螺栓(10)和T型块(11)连接。

4.一种利用如权利要求1所述的大型球冠类薄壁件阵列式内撑夹具进行柔性装夹的方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：

第一步：吊装球冠类薄壁件，启动液压驱动***

首先，将球冠类薄壁件(16)吊装在阵列式内撑夹具上，以球冠类薄壁件(16)下表面为定位面；接着，启动液压驱动***，储液箱(25)提供动力驱动所需的液压油，液压油经油管依次通过双向液压泵(26)、三通(28)、联接阀(12)；

第二步：液压缸运动，与球冠类薄壁件内表面紧密接触

打开联接阀(12)的A阀，液压油依次流入压力表(13)、蓄能器(14)中，蓄能器(14)储存能量，在***低压时进行补压，保证***稳定；随后，液压油流入减压阀(9)中，每组自动支撑均由一个减压阀(9)控制，单独动作，通过操作减压阀控制流入不同组液压缸的压力，实现变压控制；之后，液压油通过夹具体内部液压管路(18)流入液压缸(19)进油口中，使无杆腔增大，带动活塞向前运动，使橡胶板与球冠类薄壁件内表面接触间隙减小，贴合紧密，实现内撑效果；

第三步：辅助装置运动

待内撑完毕，将压环(15)置于球冠类薄壁件(16)底部，用压板(8)将其固定；此外，将压盘(4)置于球冠类薄壁件上部未加工区域，旋紧锁紧螺母(5)，使压盘(4)与球冠类薄壁件(16)上表面紧密接触，实现压紧；

第四步：实现保压功能

关闭联接阀(12)，切断油路，实现保压功能；泄压时，打开联接阀(12)的B阀，液压油从液压缸有杆腔中经出油口排出，液压缸(19)活塞向后运动，使橡胶板与球冠类薄壁件内表面脱离，实现松开效果。

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