CN113953877B - 一种浮动支撑装置及浮动支撑方法 - Google Patents
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Abstract
一种浮动支撑装置及浮动支撑方法，该浮动支撑装置包括支撑壳体、滑芯、锁紧头、嵌入型磁铁；支撑壳体底部固定到工装底板上，支撑壳体内壁设锥形锁紧面，支撑壳体上端口有向内延伸的凸缘，凸缘侧壁形成导向面，导向面与滑芯下部外壁滑动配合，滑芯下部内设有气道，气道尾部设有多个均布的气道的末端，各气道的末端内端高外端低倾斜结构，锁紧头装于气道的末端外端，气道头部为用于低温压力介质输入的气道入口，气道入口位于滑芯底部；滑芯上部限位于支撑壳体外，滑芯上部端面为用于支撑零件的支撑端面，滑芯上部为磁性部。本发明中利用磁铁磁性强度来实现对产品压力调整，应用更加灵活，具备易于观测调整、运用可靠、方便维护等特点。
Description
技术领域
本发明属于浮动支撑领域，具体涉及一种浮动支撑装置及浮动支撑方法。
背景技术
随着越来越多的轻量化材料的运用，以及设计精度的提高，对产品的制作精度要求也越来越高。因此在对一些刚性不足的薄壁件在加工的过程中就需要用到浮动支撑，而支撑力的大小是否可调以及加工过程中浮动支撑的有效性等对工件的最终质量有较大影响。目前市场主流的浮动支撑，均缺少对支撑力的检测和调整功能。
究其原因，无非是装置的结构缺乏对气/液压力变化时的敏感性，导致了气/液压力降低时会突然出现锁紧不严的风险，因此支撑力的检测也就变得无关紧要了，因为即使检测到也别无办法。另外在这类装置锁紧前，因大部分装置靠弹簧提供滑芯部分向工件的推动力，即使某些浮动支撑号称对工件的压力只有几N，但随着弹簧的压缩其提供的弹力也会逐渐增大的，而大部分浮动支撑的厂家不能提供支撑行程与弹簧压力的关系，在使用时更多需要实物和经验来判断。这给制造和工装设计工作带来了不便。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种精度高、可标准化、对气/液压力变化敏感性佳的浮动支撑装置，可同时应用于气压或液压环境，该装置具备易于观测调整、运用可靠、方便维护等特点。
本发明的另一目的是提供一种浮动支撑方法。
本发明的技术方案是：
一种浮动支撑装置，其特征在于：包括支撑壳体、滑芯、锁紧头、嵌入型磁铁；支撑壳体底部固定到工装底板上，支撑壳体内壁设锥形锁紧面，支撑壳体上端口有向内延伸的凸缘，凸缘侧壁形成导向面，导向面与滑芯下部外壁滑动配合，滑芯下部内设有气道，气道尾部设有多个均布的气道的末端，各气道的末端内端高外端低倾斜结构，锁紧头装于气道的末端外端，气道头部为用于低温压力介质输入的气道入口，气道入口位于滑芯底部；滑芯上部限位于支撑壳体外，滑芯上部端面为用于支撑零件的支撑端面，滑芯上部为磁性部；所述零件为与滑芯上部的磁性部相吸的导磁材料加工而成；或所述零件为非导磁材料加工而成，与滑芯上部的磁性部磁极相反的外置磁铁放置于零件的上面；滑芯上部的磁性部与零件或滑芯上部的磁性部与外置磁铁之间形成磁场；当滑芯的支撑端面与零件接触上、滑芯在磁场的磁力作用下向上移动至浮动支撑零件时，低温压力介质经气道入口输入气道的末端，在低温压力介质作用下锁紧头沿气道的末端向外移动并与支撑壳体的锥形锁紧面过盈配合；当气道入口断开低温压力介质时，锁紧头与气道的末端形成间隙配合，锁紧头与支撑壳体的锥形锁紧面为间隙配合，滑芯向下滑动带动滑芯的支撑端面脱离零件。
判断滑芯向上移动至锁紧锁紧头的方法：1、磁铁和外置磁铁提供的吸力远大于滑芯的重量，滑芯在磁力的带动下向工件表面移动，与工件接触后发出轻微声音；2、由于磁铁的吸力远大于滑芯的重量，且滑芯需要移动的行程很小，因此滑芯在磁力作用下在1秒钟左右或1秒钟以内就能完成与工件的接触，即可在1-2秒钟后即可锁紧。
所述锁紧头为球形，锁紧头与末端之间以密封圈密封。
所述滑芯上部端面设压力传感器。
所述滑芯上部中间内置嵌入型磁铁。
所述滑芯为下部小、上部大的台阶形结构，滑芯下部为圆柱部；气道沿滑芯的轴向设置，气道设有多个均布于滑芯径向的末端，气道入口位于圆柱部底面上；所述导向面为圆柱面，锥形锁紧面的上端底面大、锥形锁紧面的下端底面小，锥形锁紧面的上端底面直径大于圆柱面的底面直径。
所述低温压力介质温度与室温温差在30℃以上。
各气道的末端为斜线结构，各气道的末端均倾斜于水平面，各气道的末端均与锥形锁紧面垂直。
锁紧头与各气道的末端之间设有间隙，滑芯截面比锁紧头截面大，锥形锁紧面与竖直方向夹角θ不大于10°。
一种浮动支撑方法，当滑芯的支撑端面与零件接触上、滑芯在磁场的磁力作用下向上移动至浮动支撑零件时，锁紧头与气道的各末端之间设有间隙，滑芯锁紧方法：气道入口通入与室温温差在30℃以上低温压力介质；当滑芯、锁紧头的从初始温度开始降低时，滑芯截面比锁紧头截面大，受低温压力介质温度影响下锁紧头收缩变形速度快于气道的各末端收缩变形速度，在低温压力介质作用下锁紧头沿气道的各末端向支撑壳体的锥形锁紧面方向移动并接触，当滑芯受低温压力介质温度影响下收缩变形至稳定时，气道的各末端与锁紧头之间为过盈配合，锁紧头抵紧支撑壳体的锥形锁紧面，使滑芯处于锁紧状态；
当需要解除滑芯的锁紧时，断开气道入口的低温压力介质，滑芯、锁紧头温度恢复至初始温度，滑芯、锁紧头恢复初始尺寸，锁紧头与气道的各末端产生间隙，即可解除滑芯的锁定。
本发明结构简单，制作成本不高，安装方便快捷，适配广，运用有效。
本发明中使用的是磁铁的吸力，如果零件为感磁件，本发明中只使用1个磁铁即可。即使零件不能感磁需要在成组使用的情况，也是2个磁铁分置于零件的两侧；其中外部的磁铁还可以替换为电磁铁，来根据产品的需求通过调节点磁铁磁性强度来实现对产品压力调整的目的，应用更加灵活。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为气压对锁紧头作用在斜面上产生的力F对锥形锁紧面施加示意图之锁紧力F为水平状态；
图3为气压对锁紧头作用在斜面上产生的力F对锥形锁紧面施加示意图之锁紧力F为垂直于锥形锁紧面状态。
具体实施方式
图1中，本发明包括支撑壳体1，滑芯2，锁紧头3，嵌入型磁铁4，外置磁铁5。附图中还包括被支撑的零件6，滑芯内气道，支撑壳体导向口8和气道入口9。
支撑壳体1底部固定到工装底板上，内部设锥形锁紧面和上部的导向面。其中锥形面根据滑芯2的直径和上下移动的最大幅度确定；其上部的导向面，用于限制滑芯2的自由度，确保只能上下移动，且该间隙可以设置的非常小，而不阻碍装置的其他功能，保证装置移动的精确性。
滑芯2内部设有气道，用于传递压力；底部设有气道入口9，用于压力介质的输入；气道设有多个均布的，即，根据气道内部压力的变化，锁紧头3作出适当的反应：气道内压力上升，锁紧头3向外移动并与支撑壳体1上的锥形锁紧面贴紧；而由于滑芯2内设的锁紧面时锥形的，因此当锁紧头3持续贴紧锥形锁紧面并保持气道压力不降低的情况下，滑芯2是不会产生下移动作的，以此来达到支撑的作用。而当气道内压力下降，锁紧头3不能继续与锥形锁紧面贴紧，滑芯2在重力的作用下向下滑动，此时不再具备支撑效果。
锁紧头3外侧为球形，以确保与支撑壳体1内的锥形锁紧面接触时是点接触，保证锁紧力的有效性；气道内侧则为圆柱形，圆柱部分设有密封圈，以确保气道内部气压的稳定性。
滑芯2上部中间位置镶设有嵌入型磁铁4，用于直接与导磁工件或外置磁铁5产品吸力，从而带动滑芯2向工件欲支撑的位置移动，并最终与工件支撑面贴合。
滑芯2上部端面支撑点，可设一压力传感器，来监测支撑力量在加工过程中是否足够，并可以以此为依据进行调整压力介质的参数。
外置磁铁5可根据工件的特性，选用永磁铁，或磁力可以调整的电磁铁；如工件刚度/强度较差时，可以调小电磁铁的磁性，使滑芯2对工件支撑点产出极小的压力，再锁紧装置并移除外置磁铁5，这样可以保证浮动支撑对工件的影响最小；甚至通过与滑芯2上部端面支撑点附近压力传感器的互动，可以做到浮动支撑对工件的“0N”压力状态，这在其他浮动/辅助支撑装置中时难以做到的。
支撑壳体1内部的锥形锁紧面锥度极小，而滑芯2内部的气道的末端7（即与锁紧头3连接的部分）可以做成与锥面垂直的状态。这样确保了薄壁件的加工过程中，浮动支撑对工件的影响最小。
对零件6加工前，需采用固定支撑件、本发明进行支撑固定。零件6先由固定支撑件支撑，零件的特殊部位（如刚性不足部位）放置本发明进行浮动支撑。浮动支撑的锁紧头3锁紧之前，滑芯2与零件6之间必须贴合，且相互之间的力量是平衡的。
若零件6为导磁材料，本装置应用于导磁材料的工件加工时，如钢件、铁件，嵌入型磁铁4会因为磁性作用带动滑芯2向零件6表面移动，并最终在磁性作用下附着在零件6表面，此时滑芯2、嵌入的磁铁4和零件6之间会获得力的平衡，锁紧头3在气道内压力作用下向外移动并与支撑壳体1上的锥形锁紧面贴紧，锁紧头3锁紧滑芯2位置。
若零件6为不具备磁性的材料，在零件6背部放一块强磁铁或电磁铁，来对滑芯2上的嵌入型磁铁4产生足够的吸力，驱动滑芯2向工件表面移动，并达到滑芯2、工件、磁铁之间的平衡，锁紧头3在气道内压力作用下向外移动并与支撑壳体1上的锥形锁紧面贴紧，锁紧头3锁紧滑芯2位置。
一旦滑芯2位置锁紧，外置磁铁5是可以撤出的，避免外置磁铁5所处区域需要加工或影响加工的情况，其使用更加灵活。当然，为减小磁力对装置的干扰，所选的支撑壳体1、滑芯2都是采用不导磁的材料制作的，滑芯2可以做的足够小和轻，以保证滑芯2本身的质量在贴合产品的瞬间产生的冲击力对产品影响做到最小。
使用时，气道入口9在锁紧时通入低温（与室温温差在30℃以上）压力气/液体，锁紧头3与气道的末端7直径设有非常小的间隙，锁紧头3与气道的末端7之间不用设置密封圈；在低温气体作用下（需要一定时间），由于滑芯2截面远大于锁紧头3截面，因此在低温气体作用下气道的末端7的直径比受低温作用下锁紧头3的直径更小，锁紧头3与气道的末端7形成过盈配合。由于锁紧头3截面小率先稳定，此时锁紧头3与气道的末端7之间还有一定间隙，此时锁紧头3支撑壳体1的锥形锁紧面也会形成一定间隙，在气道的末端7内压力气体作用下，锁紧头3会再次向支撑壳体1的锥形锁紧面方向移动并接触。待滑芯2和锁紧头3完成所有收缩变形后，该装置完成锁紧，此时可以移除外置磁铁5。
当需要解除锁紧时，可以断开气道入口9的低温低压气体使其装置恢复常温，滑块2和锁紧头3恢复常温尺寸后，锁紧头3与气道的末端7重新产生间隙，即可解除锁定。
图2中，F为气压对锁紧头作用在斜面上产生的力，最终经过分解可以看到，F会转换为垂直于斜面的力和平行于斜面方向的力，其中垂直于斜面方向的力会在辅助支撑工作时转化为摩擦力，是有益于辅助支撑锁紧的。而平行于斜面方向的力，在该力作用下会引起滑块2沿斜面向上移动的势能，由于滑块2在此前已经与零件接触，因此该力并无用处，反而该力会继续作用在零件上导致打乱零件装夹时的受力平衡，严重时会引起工件变形，因此是不利于浮动支撑装置的。
图2中的F只有1部分转化为摩擦力，而一部分转化为向上的力F1；而图3中的F可以全部的转化为摩擦力。根据模型比较，当垂直于斜面施加力使，其摩擦力更大，向上的力F1更小。因此，本发明中气道的末端7采用垂直于锥形锁紧面11的布置方式。为了使F1更小，本发明设置斜面的角度很小。
另外，气道的末端7设置成倾斜状，利于锁紧头3在气道的末端7内受锁紧头3本身重力影响而移动。
图2中的摩擦力f小于图3中的摩擦力f。图2中力F分解后会有平行斜面向上的力F1，图2中的f=cosθ*F*k，F1=sinθ*F，该力F1会将滑芯2向上顶起，滑块2过大的上升力会作用在零件6上，严重时会引起零件6变形，因此是不利于浮动支撑装置的，力F1属于有害力。图3中的F可以全部的转化为摩擦力f，不会产生向上的力。
其中θ为锥形锁紧面11与竖直方向夹角，正常小于10°；
F为气压对锁紧头作用在斜面上产生的力；
f为滑芯2受压力时，锁紧头与锥形锁紧面11之间的摩擦力；
k为摩擦系数。
Claims (7)
1.一种浮动支撑装置，其特征在于：包括支撑壳体（1）、滑芯（2）、锁紧头（3）、嵌入型磁铁（4）；支撑壳体（1）底部固定到工装底板上，支撑壳体（1）内壁设锥形锁紧面，支撑壳体（1）上端口有向内延伸的凸缘，凸缘侧壁形成导向面，导向面与滑芯（2）下部外壁滑动配合，滑芯（2）下部内设有气道，气道尾部设有多个均布的气道的末端（7），各气道的末端（7）内端高外端低倾斜结构，锁紧头（3）装于气道的末端外端，气道头部为用于低温压力介质输入的气道入口（9），气道入口（9）位于滑芯（2）底部；滑芯（2）上部限位于支撑壳体（1）外，滑芯（2）上部端面为用于支撑零件（6）的支撑端面，滑芯（2）上部为磁性部；所述零件（6）为与滑芯（2）上部的磁性部相吸的导磁材料加工而成；或所述零件（6）为非导磁材料加工而成，与滑芯（2）上部的磁性部磁极相反的外置磁铁（5）放置于零件（6）的上面；滑芯（2）上部的磁性部与零件（6）或滑芯（2）上部的磁性部与外置磁铁（5）之间形成磁场；
当滑芯（2）的支撑端面与零件（6）接触上、滑芯（2）在磁场的磁力作用下向上移动至浮动支撑零件（6）时，低温压力介质经气道入口（9）输入气道的末端（7），在低温压力介质作用下锁紧头（3）沿气道的末端（7）向外移动并与支撑壳体（1）的锥形锁紧面过盈配合；当气道入口（9）断开低温压力介质时，锁紧头（3）与气道的末端（7）形成间隙配合，锁紧头（3）与支撑壳体（1）的锥形锁紧面为间隙配合，滑芯（2）向下滑动带动滑芯（2）的支撑端面脱离零件（6）；所述锁紧头（3）为球形，锁紧头（3）与末端之间以密封圈密封；所述滑芯（2）上部端面设压力传感器。
2.根据权利要求1所述的浮动支撑装置，其特征在于：所述滑芯（2）上部中间内置嵌入型磁铁（4）。
3.根据权利要求1所述的浮动支撑装置，其特征在于：所述滑芯（2）为下部小、上部大的台阶形结构，滑芯（2）下部为圆柱部；气道沿滑芯（2）的轴向设置，气道设有多个均布于滑芯（2）径向的末端，气道入口（9）位于圆柱部底面上；
所述导向面为圆柱面，锥形锁紧面的上端底面大、锥形锁紧面的下端底面小，锥形锁紧面的上端底面直径大于圆柱面的底面直径。
4.根据权利要求1所述的浮动支撑装置，其特征在于：所述低温压力介质温度与室温温差在30℃以上。
5.根据权利要求1所述的浮动支撑装置，其特征在于：各气道的末端（7）为斜线结构，各气道的末端（7）均倾斜于水平面，各气道的末端（7）均与锥形锁紧面垂直。
6.根据权利要求5所述的浮动支撑装置，其特征在于：锁紧头（3）与各气道的末端（7）之间设有间隙，滑芯（2）截面比锁紧头（3）截面大，锥形锁紧面（11）与竖直方向夹角θ不大于10°。
7.一种采用权利要求1-6所述任一项浮动支撑装置进行的浮动支撑方法，其特征在于：
当滑芯（2）的支撑端面与零件（6）接触上、滑芯（2）在磁场的磁力作用下向上移动至浮动支撑零件（6）时，锁紧头（3）与气道的各末端（7）之间设有间隙，滑芯（2）锁紧方法：气道入口（9）通入与室温温差在30℃以上低温压力介质；当滑芯（2）、锁紧头（3）的从初始温度开始降低时，滑芯（2）截面比锁紧头（3）截面大，受低温压力介质温度影响下锁紧头（3）由初始尺寸收缩变形速度快于各气道的末端（7）收缩变形速度，在低温压力介质作用下锁紧头（3）沿气道的各末端（7）向支撑壳体（1）的锥形锁紧面方向移动并接触，当滑芯（2）受低温压力介质温度影响下由初始尺寸收缩变形至稳定时，气道的各末端（7）与锁紧头（3）之间为过盈配合，锁紧头（3）抵紧支撑壳体（1）的锥形锁紧面，使滑芯（2）处于锁紧状态；
当需要解除滑芯（2）的锁紧时，断开气道入口（9）的低温压力介质，滑芯（2）、锁紧头（3）温度恢复至初始温度，滑芯（2）、锁紧头（3）恢复初始尺寸，锁紧头（3）与气道的各末端（7）产生间隙，即可解除滑芯（2）的锁定。
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