专利名称：一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，属于机械加工领域，具体来说，是应用于薄壁金属零件在机床上进行数控切削加工时的一种定位夹紧装置，可有效提高薄壁零件的加工精度及效率。
背景技术：
随着现代制造业的迅速发展，机械产品日趋轻量化和微型化，薄壁零件的应用越来越广泛。薄壁零件由于刚性差，在加工过程中因受到切削力、夹紧力以及切削热和残余应力的影响，容易产生变形，因此薄壁零件的高精、高质加工一直是困扰工艺人员的难点。对于工程实际中低刚性及几何形状不规则的薄壁零件的夹紧定位，传统机床夹具往往束手无策。因此，人们设计了柔性夹具，即能够夹持不同形状、不同尺寸工件的夹具，有较强的适应性，不但可以弥补加工部位工件刚性的不足，而且可以增加工艺系统的阻尼，减少加工过程中的振动。目前所使用的柔性夹具主要有:相变和伪相变材料式柔性夹具、自适应性夹具、模块化程序控制式夹具等。近年来，相变式柔性夹具发展非常迅速，相继出现了温度致相变的液体相变固紧夹具、电流变夹具、磁流变夹具等。其中，由于温度致相变的液体相变固紧夹具实现简单，得到了广泛应用。但目前能适应夹具性能要求的此类相变物质较少，归纳起来主要有石蜡基、低熔点合金及水基等。石蜡基的缺点是相对固紧力小，只适用于切削用量很小的场合；低熔点合金的缺点是成本相对较高，且一般含有锡、铅等对人体有害的重金属元素。以水基液体为相变物质的固紧夹具又被称为冰固夹具，其突出优点是相变物质廉价易得，且固紧力较石蜡基夹具大。目前，冰固柔性夹具在实际使用中存在的主要问题有温度调节器价格较高(如冰柜等)、整体冻结式冰固夹具相变时间长、消耗能量多等缺点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，以弥补薄壁零件刚性的不足，减小加工中的振动。本发明一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，包括夹紧机构与纵向定位机构；所述夹紧机构设置在机床上实现薄壁零件在机床上的固定。所述纵向定位机构同样设置于机床上，位于通过夹紧机构定位后的薄壁零件下方，包括容器、相变材料、密封板、支撑体与涡流管。其中，容器为顶部开口的箱体，内部相对侧壁间通过隔板构成冷却通道，冷却通道外侧壁与容器内侧壁间盛放有常温情况下为液体的相变材料。所述支撑体漂浮设置在容器内部相变材料上表面上。容器内水平设置有密封板，通过密封板将冷却通道以及相变材料密封；密封板上开有通孔A，使支撑体的自由端由通孔A伸出。容器相对侧壁上开有进气孔与出气孔，分别与冷却通道两端相通；且进气孔与涡流管出气端连通。由此通过夹紧机构将薄壁零件夹紧后，在机床上定位；将纵向定位机构设置在机床上薄壁零件下方，使薄壁零件底面与支撑件接触，接触时对支撑件施加压力，由此使支撑件下沉；此时通过涡流管向冷却通道内注入冷却气体使相变材料转化为固态，将支撑体冻结固定，由此实现薄壁零件的纵向定位，进而实现薄壁零件在机床上的整体定位，此时便可对薄壁零件实施切削加工。本发明的优点在于:1、本发明冰固柔性夹具作为机械加工领域的薄壁零件夹具，效果明显，可有效降低薄壁零件切削加工中的振动和变形，实现零件的高效及高质加工；2、本发明冰固柔性夹具采用水基液体为相变物质,相比其他相变物质,不但获取容易，而且液-固两相的转变也容易实现；且固紧力大，相变物质不与工件直接接触，无需花费大量时间对加工后的工件进行清洗；3、本发明冰固柔性夹具采用涡流管所产生的冷气来实现相变物质的固化，采用自然传热的方式实现相变物质的液化；4、本发明冰固柔性夹具在容器内设计S冷却通道，在降低相变物质容量，缩短冷却时间的同时，从涡流管输出的冷气可与相变物质进行充分接触，提高制冷效率；5、本发明冰固柔性夹具中支撑体所承受的浮力略大于自身重力，使得金属棒与薄壁零件之间的接触力很小，对工件变形的影响基本忽略不计；6、本发明冰固柔性夹具中支撑体在相变物质中的上下位置可根据薄壁零件的形状上下浮动，因此该装置可用于支撑自由曲面形状的薄壁零件，适用范围广；7、该装置结构简单、实现方便、成本低廉、对环境无污染。
图1为本发明冰固柔性夹具主视图；图2为本发明冰固柔性夹具剖视图C-C ；图3为本发明冰固柔性夹具剖视图A-A ；图4为本发明冰固柔性夹具剖视图B-B。图中:1_夹紧机构 2_纵向定位机构3_薄壁零件 4_机床5-T型滑槽 6-T型螺母7_通槽101-压板102-支撑柱 103-调整螺栓 104-固定螺母201-容器202-相变材料203-密封板 204-支撑体 205-定位顶盖206-涡流管 207-冷却通道 208-进气孔 209-出气孔204a-支撑块 204b_支撑杆
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，包括夹紧机构I与纵向定位机构2，如图1所示。所述夹紧机构I用来夹紧薄壁零件3，可设置在机床4上，实现薄壁零件3在机床4上的固定，夹紧机构I由压板101、支撑柱102、调整螺栓103与固定螺母104构成。其中，支撑柱102与调整螺栓103均竖直设置，且支撑柱102的高度小于调整螺栓103的高度 ’支撑柱102与调整螺栓103底部具有螺纹连杆，由此通过螺纹连杆与设置在机床4上横向T型滑槽5中的T型螺母6相互配合，实现支撑柱102、调整螺栓103与机床4间的定位，如图4所示；通过将支撑柱102与调整螺栓103安装在机床4上不同横向位置T型滑槽5上，可实现支撑柱102与调整螺栓103在机床4上的纵向位置调节。同时支撑柱102与调整螺栓103可沿T型滑槽5滑动，实现支撑柱102与调整螺栓103在机床4上的相对位置的调节。上述调整螺栓103上套有压板101，调整螺栓103顶部螺纹连接有固定螺母104 ;由此通过上下调节压板101的位置，以及支撑柱102与调整螺栓103间的距离，使压板101将薄壁零件3压在支撑柱102顶面上，通过拧紧调整螺母103使压板101压紧薄壁零件3 ;通过上述结构，可采用多个夹紧机构I配合，实现几何形状不规则的薄壁零件3的压紧定位。为了实现薄壁零件3压紧后的稳定性，因此本发明中夹紧机构I为n个，n > 2，可对薄壁零件3周向均匀分布的n点进行夹紧，优选为4个；且通过选用不同高度的支撑柱102，实现薄壁零件3与机床4间竖直位置调节。所述纵向定位机构2同样设置于机床4上，位于通过夹紧机构I定位后的薄壁零件3下方，如图2、图3、图4所示，包括容器201、相变材料202、密封板203、支撑体204、定位顶盖205与涡流管206。其中，容器201为顶部开口的箱体，内部通过竖直设置的隔板构成S型冷却通道207，冷却通道207外侧壁与容器201内侧壁间盛放有常温情况下为液体的相变材料202。所述支撑体204为由支撑块204a与支撑杆204b构成的一体化空心结构，支撑块204a顶面上竖直连接支 撑杆204b ;支撑体204漂浮设置在容器201内部相变材料202上表面上。本发明中相变材料202选用水基液体，不但获取容易，而且液-固两相的转变也容易实现；支撑体204选用空心铝制支撑体。容器201内水平设置有密封板203，密封板203与冷却通道207顶面固定，且与容器201内侧壁周向固定，由此通过密封板203将冷却通道207以及相变材料202密封。密封板203上开有通孔A，使支撑体204中支撑杆204b的自由端由通孔A伸出，实现对支撑杆204b的径向定位；上述支撑杆204b与通孔A间的缝隙很小，可忽略不计，因此不会影响密封板203对相变材料202的密封效果。容器201顶面还通过定位顶盖205固定密封，定位顶盖205上开有通孔B，通孔B位置与密封板203上通孔A位置相对应，由此支撑体204中支撑杆204b自由端依次伸出通孔A与通孔B，由此通过通孔A与通孔B可实现支撑体204中支撑杆204b自由端径向上的两点定位。容器201相对侧壁上开有进气孔208与出气孔209，分别与冷却通道207两端相通。其中，进气孔208与涡流管206出气端连通，通过开启涡流管206的冷气阀门，由进气孔208向冷却通道207内部输入冷却气体，冷却气体由出气孔209排出，从而实现对容器201内部变相物质的冷却过程。由于冷却通道207的S型结构设计，在冷却过程中，可使冷却气体对变相材料进行充分冷却，提高冷却效率。容器201底面相对两侧具有外突边缘，外突边缘上均开有通槽7，由此使机床4上横向T型滑槽5内设置的T型螺栓穿过通槽7后，由螺母与T型螺栓配合拧紧，实现容器201与机床4间的定位，如图3所示，且容器201在机床4上可沿T型滑槽5滑动，实现在机床4中的横向位置调整；同时，通过T型螺栓与通槽7间的位置调整，实现容器201与加床4间纵向位置调整。由此上述结构中，通过采用合适高度的支撑柱102对薄壁零件3与纵向定位机构2间的上下位置进行调节，使薄壁零件3底面与支撑体204中支撑杆204b自由端接触，随后将薄壁零件3压紧固定。由于在薄壁零件3底面与支撑体204中支撑杆204b自由端接触后，薄壁零件3会对支撑杆204b施加一个较小的压力，但由于支撑杆204b漂浮在常温状态下的相变材料202上表面，因此支撑杆204b受到压力下沉，同时返回给薄壁零件3底面一个向上的支撑力。由于支撑体203的浮力与重力的大小均与支撑体203的尺寸有关，受尺寸限制，在保证薄壁零件3漂浮的情况下，尽可能减小支撑体204所受到的浮力与自身重力的差值，由此不会对工件产生大的变形。而通过开启涡流管206的冷气阀门，对相变材料202进行冷却，使相变材料202由液态转化为固态，同时使支撑体204浸入相变材料202部分冻结在相变材料202内，实现支撑体204与相变材料202间的轴向定位，由此通过支撑体204便可实现对薄壁零件3的支撑，进而实现薄壁零件3的纵向定位；此时，便可对薄壁零件3实施切削加工。加工完成后，将薄壁零件3从夹紧机构I上取下，经一段时间的自然传热后，容器201内的相变物质融化为液态，由此恢复初始状态。为保证纵向定位机构2对薄壁零件3的稳定定位与支撑，因此优选为在相变材料202上表面至少两个不同横向位置上设置支撑体204，且其中一个横向位置上至少设置两个支撑体204，由此形成对薄壁零件3的不共线的多点支撑。
权利要求
1.一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，其特征在于:包括夹紧机构与纵向定位机构； 所述夹紧机构设置在机床上实现薄壁零件在机床上的固定； 所述纵向定位机构同样设置于机床上，位于通过夹紧机构定位后的薄壁零件下方，包括容器、相变材料、密封板、支撑体与涡流管；其中，容器为顶部开口的箱体，内部相对侧壁间通过隔板构成冷却通道，冷却通道外侧壁与容器内侧壁间盛放有常温情况下为液体的相变材料；所述支撑体漂浮设置在容器内部相变材料上表面上；容器内水平设置有密封板，通过密封板将冷却通道以及相变材料密封；密封板上开有通孔A，使支撑体的自由端由通孔A伸出；容器相对侧壁上开有进气孔与出气孔，分别与冷却通道两端相通；且进气孔与涡流管出气端连通。
2.如权利要求1所述一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，其特征在于:所述夹紧机构由压板、支撑柱、调整螺栓与固定螺母构成；其中，支撑柱与调整螺栓均竖直设置，且支撑柱的高度小于调整螺栓的高度；调整螺栓上套有压板，调整螺栓顶部螺纹连接有固定螺母；通过上下调节压板的位置，以及支撑柱与调整螺栓间的距离，使压板将薄壁零件压在支撑柱顶面上，通过拧紧螺母使压板压紧薄壁零件。
3.如权利要求1所述一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，其特征在于:所述冷却通道为S型。
4.如权利要求1所述一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，其特征在于:所述容器顶面还通过定位顶盖固定密封，定位顶盖上开有通孔B，通孔B位置与密封板上通孔A位置相对应，由此支撑体中支撑杆自由端依次伸出通孔A与通孔B。
5.如权利要求1所述一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，其特征在于:所述支撑柱与调整螺栓底面具有螺纹连杆，通过螺纹连杆与机床上T型滑槽内设置的T型螺母相互配合，实现滑动连接。
6.如权利要求1所述一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，其特征在于:所述容器底面相对两侧具有外突边缘，外突边缘上开有通槽，使机床上横向T型滑槽内设置的T型螺栓穿过通槽后，由螺母与T型螺栓配合拧紧，实现容器与机床间的定位。
7.如权利要求1所述一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，其特征在于:所述相变材料上表面至少两个不同横向位置上设置支撑体，且其中一个横向位置上至少设置两个支撑体。
8.如权利要求1所述一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，其特征在于:所述相变材料为水基液体。
9.如权利要求1所述一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，其特征在于:所述夹紧机构为n个，n > 2，可对薄壁零件周向均匀分布的n点进行夹紧。
10.如权利要求9所述一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，其特征在于:所述所述夹紧机构为4个。
全文摘要
本发明公开一种用于薄壁零件数控切削加工的冰固柔性夹具，包括夹紧机构与纵向定位机构；其中，夹紧机构将薄壁零件夹紧后，在机床上定位。纵向定位机构设置在机床上薄壁零件下方，整体为一盛放有相变材料的容器，相变材料上表面漂浮设置有竖直的支撑件；且容器内相对两侧壁间还设计有冷却通道；由此，夹紧机构将薄壁零件夹紧后，使薄壁零件底面与支撑件接触，接触时对支撑件施加压力，由此使支撑件下沉；此时通过涡流管向冷却通道内注入冷却气体使相变材料转化为固态，将支撑体冻结固定，由此实现薄壁零件的纵向定位。本发明的优点为效果明显，实现方便、成本低廉、对环境无污染，有效提高弱刚性工艺系统数控切削加工时的效率及加工质量。
文档编号B23Q3/08GK103100907SQ201310033060
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月28日 优先权日2013年1月28日
发明者杨毅青, 代巍, 陈甜甜 申请人:北京航空航天大学