一种基于相变材料自适应支撑的薄壁件加工用夹具的制作方法

本发明涉及一种夹具技术，特别是一种薄壁加工用夹具，具体地说是一种基于相变材料自适应支撑的薄壁件加工用夹具。

背景技术：

对于大型薄壁零件，由于加工过程残余应力不断释放，易产生大变形，变形后需要重新修基准，重新装夹、加工等，会使零件的加工精度降低，生产成本上升，甚至造成零件报废。

夹具包括机械夹具和真空夹具，所述机械夹具可通过具有液压或空气压力驱动的多个指状物以机械的方式加持物体。所述真空夹具可通过在其与物体的结合面产生真空来夹持物体。

传统使用液压或气体压力作为夹紧力的夹具，会存在液压油泄露或气体压力不稳定及过小的问题。在本发明中采用相变材料凝固的方法定位准确，夹具刚性强。在真空吸附夹持方面，本发明中采用多组真空夹具组合使用的方法，可以很好地固定不规则形状薄壁件，同时具有柔性好的特点。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的薄壁加工用夹具在加工过程中会因气压或液压力的变化发生变形而影响加工质量的问题，设计一种基于相变材料自适应支撑的薄壁件加工用夹具，它可以克服现有夹具的限制的同时以简单的结构和容易的机理夹持薄壁件。减少零件变形程度，对于提高零件质量，延长零件使用寿命具有重要意义。

本发明的技术方案是：

一种基于相变材料自适应支撑的薄壁件加工用夹具，包括支撑杆3.1与夹具体，其中夹具体包括支撑模块，定位模块和冷却套3.4，支撑模块包括l型支架1，t型支架2，支撑块4和辅助块11，定位模块包括定位支架5，快换垫片7，定位销8，定位块9和支撑钉10，被加工薄壁件6预留定位孔，被加工薄壁件6由一面两销定位在定位块9上；支撑杆3.1与上支撑板3.2、下支撑板3.3和冷却套3.4一起组成支撑单元3，调节上支撑板3.2、下支撑板3.3上的预留的安装支撑杆的孔的位置，能使同一支撑单元3的两根支撑杆3.1之间的距离变化，从而应对不同宽度的薄壁件；支撑单元3由支撑块4连接，支撑块4之间由t型支架2连接，l型支架1与定位支架5连接，其特征是所述的支撑杆3.1采用相变材料作为介质，进气口进入高压气体，相变材料受高压气体压力推动支撑杆臂3.1.6，使其向上移动，从而使得支撑臂上安装的真空吸盘向上移动与零件接触；当零件固定后，液态相变材料冷却为固态，实现支撑单元3的不变形支撑。

所述的支撑杆3.1包括真空吸盘3.1.1、吸盘定位螺栓3.1.2、万向球定位套3.1.3、万向球3.1.5、支撑杆臂3.1.6、支撑杆外壳3.1.7、相变材料3.1.8和加热电阻丝3.1.9，支撑杆臂3.1.6安装在支撑杆外壳3.1.7中，支撑杆外壳3.1.7安装有相变材料3.1.8和加热电阻丝3.1.9，万向球3.1.5安装在支撑杆臂3.1.6的上端并通过万向球定位套3.1.3约束定位在支撑杆臂3.1.6上，真空吸盘3.1.1通过吸盘定位螺栓3.1.2与万向球3.1.5相连，真空吸盘3.1.1上的真空吸气口3.1.12与真空气源相连；为实现真空吸盘3.1.1与被加工薄壁件表面6的贴合以实现夹紧的目的，支撑杆臂3.1.6本身需要具有一定的行程，即真空吸盘3.1.1能够上下自由行动一定的距离；在使用过程中，真空吸盘3.1.1的初始位置并未紧贴被加工薄壁件6表面，而是相距被加工薄壁件6有一段距离；然后真空吸盘3.1.1向上运动，接触到被加工薄壁件6表面后停止，来实现对被加工薄壁件6的贴合和夹紧；对液压状态下的相变材料3.1.8表面施加压力，液体内部压力增大，支撑杆臂3.1.6受到向上的推力；真空吸盘3.1.1在支撑杆臂3.1.6带动下到达指定位置后，相变材料3.1.8冷却固化，支撑杆3.1变为刚性整体；真空吸盘3.1.1吸紧薄壁被加工薄壁件6，支撑杆臂3.1.6对被加工薄壁件6有向上的支撑力；相变材料3.1.8从固态转变为液态采用的是电阻丝加热的方式；将夹具组装完成，将薄壁件6定位安装在相应位置后，电阻丝3.1.9通电加热固态相变材料3.1.8，到相变温度后相变材料从固态转变为液态；在通过排气快速接头3.1.13将高压气体通入液体相变材料3.1.8液面上，支撑杆臂3.1.6受压向上运动，带动吸盘定位螺栓3.1.2与真空吸盘3.1.1向上运动。到达合适位置后，加热电阻丝3.1.9断电，冷却套3.4上冷却液进口流入冷却液，冷却套3.4上冷却液出口流出冷却液并带走相变材料3.1.8中的热量，加速液体相变材料3.1.8凝固；相变材料3.1.8完全变为固体后，停止向冷却液进口输入冷却液，同时停止向排气快速接头3.1.13输入高压气体；支撑杆臂3.1.6由固态相变材料3.1.8支撑，被固定在合适位置；吸盘定位螺栓3.1.2上的真空吸气口3.1.12与真空快接插头相连，通过抽气的方式使真空吸盘3.1.1与被加工薄壁件6吸紧，吸盘定位螺栓3.1.2支撑住被加工薄壁件6，保证加工过程中的刚性与稳定。

所述的相变材料3.1.8是一种室温为固态，在50-70摄氏度即转化为液态的合金金属。

所述的万向球3.1.5支承在滚子3.1.11上，滚子安装在滚子定位套3.1.4中。

所述的支撑杆外壳3.1.7上加工有外螺纹3.1.10，该外螺纹与上支撑板3.2上的内螺纹孔相配合。

通过调节更换不同长度的支撑块4，调节支撑单元3之间的距离，避免支撑杆3.1过于稀疏，薄壁加被加工薄壁件6在重力和切削力的作用下发生变形，从而加工精度达不到要求。

详述如下：

一种基于相变材料自适应支撑的薄壁件加工用夹具，包括支撑杆3.1与夹具体，其中夹具体包括支撑模块，定位模块和冷却套3.4。支撑模块有l型支架1，t型支架2，支撑块4和辅助块11。定位模块有定位支架5，快换垫片7，定位销8，定位块9和支撑钉10。被加工薄壁件6预留定位孔，在夹紧过程中，被加工薄壁件6由一面两销方案定位在定位块9上。支撑杆3.1与上支撑板3.2、下支撑板3.3和冷却套3.4一起组成支撑单元。调节上支撑板3.2、下支撑板3.3的预留安装支撑杆孔的位置，可以使同一支撑单元3的两根支撑杆3.1距离变化，从而应对不同宽度的薄壁件。不同支撑单元3由支撑块4连接，支撑块4之间由t型支架2连接，l型支架1与定位支架5连接，组装成夹具的主要部分。通过调节更换不同长度的支撑块4，可以调节不同支撑单元3之间的距离，避免支撑杆3.1过于稀疏，薄壁加被加工薄壁件6在重力和切削力的作用下发生变形，从而加工精度达不到要求。

通过调节l型支架1和t型支架2的长度，可以对形状变化较大的曲面进行加工，本发明为了简单叙述均采用平面薄壁件，不应当将本发明仅仅局限在附图中所示的平面薄壁件加工方案。

上述所有的连接方式均为螺栓或螺钉与螺母固定的方法将上支撑板3.2、下支撑板3.3、l型支架1、t型支架2、定位块9、辅助块11和定位支架5连接在一起，采用不同长度规格的互换件从而达到柔性制造。

为实现真空吸盘3.1.1与被加工薄壁件表面6的贴合以实现夹紧的目的，支撑杆臂3.1.6本身需要具有一定的行程，即真空吸盘3.1.1能够上下自由行动一定的距离。在使用过程中，真空吸盘3.1.1的初始位置并未紧贴被加工薄壁件6表面，而是相距被加工薄壁件6有一段距离。然后真空吸盘3.1.1向上运动，接触到被加工薄壁件6表面后停止，来实现对被加工薄壁件6的贴合和夹紧。采用的方法是：对液体状态下的相变材料3.1.8表面施加压力，液体内部压力增大，支撑杆臂3.1.6受到向上的推力。真空吸盘3.1.1在支撑杆臂3.1.6带动下到达指定位置后，相变材料3.1.8固化，支撑杆3.1变为刚性整体。真空吸盘3.1.1吸紧薄壁被加工薄壁件6，支撑杆臂3.1.6对被加工薄壁件6有向上的支撑力。

相变材料3.1.8从固态转变为液态采用的是电阻丝加热的方式。将夹具组装完成，将薄壁件6定位安装在相应位置后，电阻丝3.1.9通电加热固态相变材料3.1.8，到相变温度后相变材料从固态转变为液态。值得注意的是相变材料3.1.8选择的是室温为固态，在稍高温度（如50-70摄氏度）即可转化为液态的合金金属。在通过快接插头连接口将高压气体通入液体相变材料3.1.8液面上，支撑杆臂3.1.6受压向上运动，带动吸盘定位螺栓3.1.2与真空吸盘3.1.1向上运动。到达合适位置后，加热电阻丝3.1.9断电，冷却套3.4上冷却液进口流入冷却液，冷却套3.4上冷却液出口流出冷却液并带走相变材料3.1.8中的热量，加速液体相变材料3.1.8凝固。相变材料3.1.8完全变为固体后，停止向冷却液进口输入冷却液，同时断开向排气快速接头3.1.13输入高压气体。支撑杆臂3.1.6由固态相变材料3.1.8支撑，被固定在合适位置。

吸盘定位螺栓3.1.2中真空吸气口3.1.12与快接插头相连，通过抽气的方式使真空吸盘3.1.1与被加工薄壁件6吸紧，吸盘定位螺栓3.1.2支撑住被加工薄壁件6，可以保证加工过程中的刚性与稳定。

本发明的有益效果是：

本发明能克服现有夹具的限制的同时以简单的结构和容易的机理夹持薄壁件。减少零件变形程度，对于提高零件质量，延长零件使用寿命具有重要意义。

本发明实现了真正意义上的浮动装夹和无变形装夹。

本发明与气压传动等传统传动方式相比，稳定性更好，工件表面质量受外负载影响小。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图中：1.l型支架，2.t型支架，3.支撑单元，4.支撑块，5.定位支架，6.被加工薄壁件，7.快换垫片，8.定位销，9.定位块，10.支撑钉，11.辅助块

图2是本发明的支撑单元平面图。

图中：3.1支撑杆，3.2上支撑板，3.3下支撑板，3.4冷却套，3.1.13排气快速接头，3.1.14吸气快速接头，3.1.1真空吸盘，3.1.5万向球，3.1.3万向球定位套

图3是本发明的支撑杆剖面结构示意图。

图中：3.1.1真空吸盘，3.1.2吸盘定位螺栓，3.1.3万向球定位套，3.1.4滚子定位套，3.1.5万向球，3.1.6支撑杆臂，3.1.7支撑杆外壳，3.1.8相变材料，3.1.9加热电阻丝，3.1.10快插接头连接口，3.1.11滚子，3.1.12真空吸气口

图4是本发明的支撑钉的结构示意图。

图5是本发明的定位销定位工件平面的结构示意图。

图4、5中：5.定位支架，6.被加工薄壁件，10.支撑钉，7.快换垫片，1.l型支架，4.支撑块，3.2.上支撑板，5.定位支架，8.定位销，9.定位块，11.辅助块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，并不是把本发明的实施范围局限于此。

一种基于相变材料自适应支撑的薄壁件加工用夹具，其基本原理是基于相变材料在高温下转变为液态，在低温下转变为固态的原理，固定夹具装夹的位置通知增加夹具刚度。本发明的夹具可以对薄壁件进行装夹，并且避免加工过程中产生大形变。本发明与气压传动等传统传动方式相比，稳定性更好，装夹精度受外负载影响小。它采用利用相变材料的移动支撑杆支撑零件，根据零件模型确定支撑点的位置。通过多组支撑架的连接，将夹具单元连接成整体夹具。支撑杆吸盘根据工件表面的倾斜度，自由转动。具体的实现步骤包括：

步骤一、根据零件形状，设计固定装夹点。在零件中间边缘位置定位孔，采用定位销进行定位；

步骤二、根据固定装夹点的位置，放置合理数量的支撑杆；

步骤三、加热支撑杆内相变材料，将金属熔化后，利用气压推动支撑杆吸盘与零件接触；

步骤四、监测装夹点位移量，判断零件变形是否超过最大允许值，如果超过，根据各点的变形量，重复步骤三。

步骤五、零件变形量在允许范围内，确认真空吸盘吸紧工件，冷却套充入冷却液，相变材料凝固。将支撑杆臂固定在相应位置。

采用相变材料作为介质，进气口通入高压气体，相变材料受高压气体压力推动移动杆臂，使其向上移动，从而使得支撑杆吸盘向上移动与零件接触。当零件固定后，液态相变材料冷却为固态。为了能够适应工件表面的倾斜度，吸盘可以自由转动。吸盘与万向球固结为一个整体，吸盘随着万向球自由转动，以适应工件表面的倾斜度。万向球采用中间通孔的方式，实现气体从真空吸盘到气泵的流动，从而控制工件夹紧力。加热丝的布置方式与温度的控制方式是要求均匀布置后使得相变材料能够加热均匀，温度恒定在一定范围内。采用冷却套加快液体相变材料冷却转变为固态。支撑杆与支撑板通过螺栓连接的夹具单元之间由支撑架连接，可以自由增加夹具单元的数量，适应不同形状尺寸薄壁件的加工。同时采用快换结构。支撑顶压紧螺母最大直径小于工件的定位孔直径，取下快换垫片后工件可以直接取出。

详述如下：

如图1，4、5所示。

一种基于相变材料自适应支撑的薄壁件加工用夹具，包括l型支架1、t型支架2、支撑单元3、支撑块4、定位支架5和定位块9，以及连接使用的螺栓、支撑钉10与螺母。

在螺纹连接件的配合下，l型支架1、t型支架2及其镜像支架与定位支架5，定位块9相配合组成了夹具的支撑架。通过调整使用不同长度的l型支架1和t型支架2可以改变夹具高度，通过调整支撑块4的长度可以改变支撑单元3之间的间距。通过l型支架1、t型支架2和支撑块4这三种零件长度的系列化可以实现在装夹被加工薄壁件的高度及长度方向上的柔性化。

如图2所示。

若要与每一个不同尺寸的定位支架5配合，需要有相对应长度尺寸的上支撑板3.2和下支撑板3.3。上支撑板3.2、下支撑板3.3与定位块9尺寸相关联。上、下支撑板与支撑杆外壳3.1.7直接相连，支撑板作用是固定支撑杆外壳3.1.7，消除支撑杆外壳3.1.7的所有自由度，支撑杆臂3.1.6只能在支撑杆外壳3.1.7的约束下只有上下运动的自由度。同时，通过调节上支撑板3.2、下支撑板3.3上加装支撑杆3.1的螺孔之间的距离，可以控制两支撑杆3.1之间的距离，实现在宽度方向上的柔性调节。上支撑板3.2与支撑杆外壳3.1.7相匹配的孔上有内螺纹，将支撑杆外壳3.1.7的外螺纹3.1.10旋入可以限制其上下移动的自由度。

如图3所示。

在真空吸盘3.1.1接触并吸附住被加工薄壁件6表面以前，支撑杆臂3.1.6需要有一个上升运动，以带动真空吸盘3.1.1实现夹具与被加工薄壁件6的贴合。为实现此运动，需要约束支撑杆臂3.1.6只有沿轴向运动或旋转的自由度。3.1.13为通气快速接口，当相变材料3.1.8融化为液体时，孔3.1.13通入高压气体。液态的相变材料液面受到压力，内部压强增大，推动支撑杆臂3.1.6的底端向上运动。3.1.7支撑杆外壳约束住支撑杆臂只能沿轴向移动或转动，实现了所需要的运动形式。

液态相变材料3.1.8液面以下的螺旋线为加热电阻丝3.1.9布线。气体自进气口3.1.13进入支撑杆外壳3.1.7与支撑杆臂3.1.6的空隙空间，产生高压作用于液态相变材料3.1.8液面上。液态相变材料3.1.8的内部压力增大。由于液体内部压力处处相等，故支撑杆臂3.1.6底端所受压力增大，支撑杆臂3.1.6受到向上的合力，进而产生向上的运动趋势。

如图3所示。

抽气道连接真空泵产生负压。抽气道由吸盘定位螺栓3.1.2、万向球3.1.5、支撑杆臂3.1.6组成，吸盘定位螺栓3.1.2的内部结构如图所示。

在真空泵工作后，顶部的负压区域与被加工薄壁件6表面相贴合形成一个封闭区域，是夹紧力的来源。底部的负压区域是由万向球定位套3.1.3、滚子定位套3.1.4、万向球3.1.5、支撑杆臂3.1.6相配合构成的封闭区域。实现了吸盘在自由转动的过程中吸气通道依旧贯通的目的。通过调整真空泵压力可以控制低压区域的内部气压进而控制工件夹紧力。

低压区域压强过小，与外部压差过大会导致吸盘定位螺栓3.1.2支撑力过大，并且吸盘定位螺栓3.1.2与被加工薄壁件6接触面积很小，容易产生大形变，反而不利于加工精度的控制。低压区域压强过大，与外界大气压相差不多会导致工件夹紧力过小，不能吸牢被加工薄壁件6，在加工过程中产生形变。因此需要实时对真空泵压力控制进而控制真空吸盘内低压区域压强。

夹紧力有稳定性要求，为了稳定夹紧力需要稳定内部气压。因此安装密封环防止外部气体进入低压区造成气压波动。

支撑杆臂3.1.6顶端有一球形凹槽，与万向球3.1.5相配合。万向球3.1.5受力矩时可在凹槽内自由滚动。为了减小万向球3.1.5、支撑杆臂3.1.6之间的摩擦力，在凹槽与万向球3.1.5之间置入球形滚子3.1.11，使真空吸盘3.1.1方向的调节更加灵活。

滚子定位套3.1.4起到约束槽内滚子3.1.11脱出及约束万向球3.1.5向下的位移的作用。万向球定位套3.1.3起到约束万向球3.1.5不产生向上位移的作用，使万向球3.1.5只具有沿其球心自由旋转的自由度。同时万向球定位套3.1.3还在与万向球3.1.5接触的位置安装密封环，起到密封的作用，防止外部空气进入内部密封腔，使内部气压稳定，夹紧力稳定。

吸盘定位螺栓3.1.2为非标螺栓，将真空吸盘3.1.1与万向球3.1.5连接为一个整体，令真空吸盘3.1.1随着万向球3.1.5自由转动，以适应被加工薄壁件6表面的倾斜度。同时，当真空吸盘3.1.1吸紧被加工薄壁件6，由于真空吸盘3.1.1是柔性材料，受力后会产生很大变形，此时吸盘定位螺栓3.1.2会顶住被加工薄壁件6，使被加工薄壁件6位置固定，保障了夹紧后的位置精度。

当真空吸盘3.1.1在向上运动的过程中顶住被加工薄壁件6表面以后，向上的运动受迫停止。真空吸盘3.1.1受到被加工薄壁件6表面对它的反作用力，连带着吸盘定位螺栓3.1.2和万向球3.1.5一起转动，使真空吸盘3.1.1紧紧贴合在被加工薄壁件6表面。支撑杆臂带动实现了所需的运动。

如图1，4、5所示。

工件定位采用一面两销方式。四个支撑钉10分别作用在被加工薄壁件6的四角。因被加工薄壁件6较大，且定位面精度较高，为提高定位稳定性，此处存在一个过定位。由于拆卸不便，为提高装卸工件的效率，此处采用快换结构。采用六角螺母压紧快换垫片7从而压紧被加工薄壁件6的方式，对被加工薄壁6起到固定作用。又选择的六角螺母最大直径小于被加工薄壁件6的定位孔直径，取下快换垫片7后被加工薄壁件6可以直接取出。取出方法是：

将固态相变材料3.1.8加热使其融化为液体，并且对吸气快速接头3.1.10通气，使真空吸盘3.1.1压强增大至与大气相同，支撑杆臂3.1.6受重力作用下落，真空吸盘3.1.1与被加工薄壁件6分离。

将螺母拧松，将快换垫片7沿着缺口取下。上螺母虽然在支撑钉10上，但是由于被加工薄壁件6已加工孔直径大于上螺母最大宽度，因此可以通过被加工薄壁件6可以通过已加工孔洞取下。以达到提高效率的目的。

被加工薄壁件6的安装采用相反过程的方法。将被加工薄壁件6已加工孔洞对准螺钉，上螺母最大宽度小于已加工孔洞直径，上螺母通过孔洞。将定位销8安装在定位孔上。将快换垫片沿着缺口插入上螺母与被加工薄壁件6之间，拧紧螺母。

只需将螺母拧松，无需旋下螺母，就可以将快换垫片7取下，使用国标垫片存在干涉情况，故使用有缺口的特制垫片7。

以上所述仅是本发明的几个较佳实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化和修饰，包含在本发明专利申请的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。