專利名稱：磁流變?nèi)嵝詩A具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及機(jī)械夾持器件，尤其是涉及可以適應(yīng)不同形狀的工件的夾具。
雖然針對以上問題，出現(xiàn)了組合夾具、柔性夾具的設(shè)計(jì)(詳見《柔性夾具設(shè)計(jì)方法與技術(shù)》，牟巖君，信息技術(shù)，2000年第10期)，但是由于其沿用了傳統(tǒng)夾具的純機(jī)械結(jié)構(gòu)，仍然無法解決如下問題①當(dāng)工件剛性很低、容易變形時(shí)，無法保證夾緊后的定位和尺寸精度；②對于幾何形狀很不規(guī)則的工件，無法定位和夾緊。
為了解決這個(gè)問題，又出現(xiàn)了利用材料液固兩相轉(zhuǎn)變特性而設(shè)計(jì)的相變式夾具。如用錫、鉛等低熔點(diǎn)合金制作能夠根據(jù)工件的具體形狀熔結(jié)固定工件的夾具(詳見《基于液固兩相轉(zhuǎn)變的夾具技術(shù)》，濟(jì)南大學(xué)鐘康民等，制造技術(shù)與機(jī)床，1998年第08期)?？墒沁@種夾具也有很大的缺陷，限制了其在工業(yè)上的推廣使用①相變時(shí)間長，并且需要在特定溫度下進(jìn)行；②相變物質(zhì)的自身成本及所用裝置的成本均太高；③有的相變物質(zhì)會(huì)污染環(huán)境，嚴(yán)重?fù)p傷人身健康，例如鉛。
本實(shí)用新型的解決方案如下整個(gè)柔性夾具分為定位頭和夾具體兩部分，其中定位頭由柱銷、彈簧、框架以及緊固件構(gòu)成，夾具體由底座、容池、壓桿、勵(lì)磁件和芯棒以及磁流變材料構(gòu)成；柱銷橫向排列在框架中，在框架上設(shè)置固定柱銷用的緊固件，柱銷的一端設(shè)置與其同軸的彈簧；容池、壓桿、勵(lì)磁件、芯棒同軸安裝，置于底座上，壓桿和芯棒位于容池的兩端并伸入容池空腔，定位頭置于容池空腔中，柱銷及彈簧的軸向與壓桿和芯棒的軸向平行，定位頭的框架固定在芯棒的前端，彈簧一端與柱銷相抵、另一端與芯棒相抵；容池空腔中充滿磁流變材料。
也就是說，本實(shí)用新型的磁流變?nèi)嵝詩A具是基于柔性定位原理以及磁流變材料的相變特性和擠壓增強(qiáng)效應(yīng)而設(shè)計(jì)的。
磁流變材料是這樣一種物質(zhì)當(dāng)不加磁場時(shí)，這類流體與普通的牛頓流體性質(zhì)相似，而一旦加磁場，流體性質(zhì)會(huì)發(fā)生急劇變化，呈現(xiàn)出類固體的特征，剪切屈服強(qiáng)度和表觀粘度會(huì)增加若干個(gè)數(shù)量級，去除磁場后，材料又會(huì)回復(fù)到原來的狀態(tài)。這種變化可以瞬間完成(毫秒量級)，而且，相變可以通過電信號(hào)控制、響應(yīng)迅速，并可在室溫下工作。因此，如果將這種相變特性應(yīng)用于柔性夾具的設(shè)計(jì)制造之中，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。但是，就目前研制出的磁流變材料而言，其固化后的抗剪切能力仍然較弱，一般不超過100Kpa，很難達(dá)到夾具中夾持力的要求。
然而，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)力學(xué)工程系的唐新魯博士等人的最新研究表明[見X.Tang，X.Zhang，and R.Tao.”Structure-Enhanced yield strength of MR fluids”ERMR’99 USA(1999)，World Scientific；Journal of Applied Physics，Vol.87，No.5，March 2000]當(dāng)磁流變材料在磁場中受到沿磁場方向的外加正壓力時(shí)，其剪切屈服應(yīng)力與未加壓情況相比又得到很大提高，甚至提高一個(gè)數(shù)量級以上。這樣就可以為解決夾持力不夠的問題提供了良好的途徑。
本實(shí)用新型利用上述原理，設(shè)計(jì)了一種新穎的磁流變?nèi)嵝詩A具。其結(jié)構(gòu)分為定位頭和夾具體兩部分。
定位頭如


圖1所示，由柱銷、彈簧、框架以及緊固件構(gòu)成。起定位作用的關(guān)鍵部件為陣列的柱銷群組。柱銷為剛性，采用導(dǎo)磁材料制作；柱銷前端為自由端、端部形狀以球頭為宜，柱銷后端形狀以平頭為宜、其端部都設(shè)置一個(gè)同軸的壓緊彈簧，彈簧與柱銷之間可采用連接(例如焊接或粘接)的方式定位，也可以采用卡槽等方式定位?？蚣転榄h(huán)狀，采用導(dǎo)磁或非導(dǎo)磁材料制作均可。柱銷以陣列的方式橫向排列在框架中、構(gòu)成柱銷群組，即柱銷至少為三根、以10～20根以上為佳(視夾具的尺寸大小而定)，各柱銷平行緊密排列、其軸向與框架的環(huán)面相垂直。在框架上合適的位置處設(shè)置緊固件、將柱銷固定束縛在框架中；為使固定效果更好，可以在緊固件端部設(shè)置卡塊，卡塊上設(shè)置與柱銷尺寸相適應(yīng)的鋸齒槽，或者在卡塊與柱銷之間、框架與柱銷之間設(shè)置彈性隔層。
夾具體如圖2所示，由底座、容池、壓桿、勵(lì)磁件和芯棒構(gòu)成。容池、壓桿、勵(lì)磁件、芯棒同軸安裝，置于底座上；壓桿、芯棒、底座為導(dǎo)磁材料，而容池為非導(dǎo)磁材料，勵(lì)磁件可以是勵(lì)磁線圈，芯棒穿過線圈。壓桿和芯棒位于容池的兩端并伸入容池空腔中，壓桿可通過轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)方式沿其軸向移動(dòng)，其伸入容池空腔中的端部以平面為佳。而定位頭就放在容池中靠著芯棒的一側(cè)(安裝方式詳見圖3和圖4)，柱銷及彈簧的軸向與壓桿和芯棒的軸向平行；芯棒的前端與定位頭的框架形狀相適應(yīng)，即外圍為環(huán)狀、中間有一空腔，使用緊固件將定位頭的框架固定在芯棒前端的環(huán)狀外圍上，使彈簧位于芯棒端部空腔中，彈簧一端與柱銷相抵、另一端與芯棒相抵。容池空腔中使用磁流變材料作為固化夾緊介質(zhì)(由于柱銷由導(dǎo)磁材料制作，磁阻遠(yuǎn)小于磁流變材料，所以可以忽略定位頭對磁場的阻礙)，考慮到夾具對零磁場時(shí)的粘度沒有特殊要求，最好使用體積濃度比較大(例如50％以上)的磁流變材料，這樣可大大降低對磁場強(qiáng)度的要求，同時(shí)最大剪切強(qiáng)度亦可大大提高。夾具體可以通過螺栓或其它方式固定在各種加工機(jī)床或器械的工作面上。
上述結(jié)構(gòu)的夾具可具備柔性定位的特點(diǎn)。當(dāng)要首次對某一種特定工件進(jìn)行定位時(shí)，先將固定柱銷用的緊固件松開，將工件壓入柱銷群的自由端，由于彈簧的彈性伸縮，柱銷頭可以緊貼工件表面形成眾多定位點(diǎn)；然后擰緊該緊固件，將柱銷群的位置固定好，柱銷群的自由端就構(gòu)成固定的定位點(diǎn)，以后就可以利用這些固定的定位點(diǎn)隨時(shí)方便地對該種工件定位。當(dāng)然，這種定位方式可能會(huì)出現(xiàn)過度定位現(xiàn)象，但是由于使用了磁流變材料，夾緊時(shí)，在每個(gè)定位點(diǎn)(即柱銷頭)附近都有固化的磁流變材料幫助柱銷群的自由端擬合工件外形，因而可以保證定位精度。
需要夾持工件時(shí)，將工件放入夾具體的磁流變材料容池中、并貼在柱銷群自由端所構(gòu)成的固定定位點(diǎn)上進(jìn)行定位，再利用勵(lì)磁件產(chǎn)生的磁場使磁流變材料類固化將工件初步固定，然后將壓桿沿軸向移動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng)或推動(dòng))、使壓桿對工件沿平行于磁力線方向施加很大的擠壓力，從而使夾具體容池中的磁流變材料的剪切應(yīng)力大幅度提高、使夾具的夾持力提高到可以滿足精加工的要求。
加工完畢、需要取出工件時(shí)，將線圈斷電使磁場撤消并退出壓桿，此時(shí)磁流變材料恢復(fù)流體狀態(tài)，喪失抗剪切能力，因而可以輕易取出工件。
綜上所述，由于采用特殊的定位方法以及利用磁流變材料的相變和擠壓增強(qiáng)效應(yīng)，本柔性夾具具有以下優(yōu)點(diǎn)一)與傳統(tǒng)機(jī)械式夾具相比1)夾具的柔性好，可適用于各種形狀和特性的工件；2)自動(dòng)化程度高，夾、取工件容易，便于控制；3)可以實(shí)現(xiàn)對低剛性及幾何形狀不規(guī)則工件的定位和夾緊。
二)與普通相變式夾具相比1)相變時(shí)間短(在毫秒量級)；2)相變溫度為室溫；3)相變物質(zhì)的自身成本低(與易熔合金相比)；4)相變裝置的結(jié)構(gòu)簡單、成本低(只需能夠產(chǎn)生磁場的部件，而無須加熱或制冷設(shè)備)；5)不污染環(huán)境，便于清洗。
附圖2為夾具體結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3為夾具體的芯棒端部結(jié)構(gòu)及其與定位頭連接示意圖。
附圖4顯示了勵(lì)磁件在夾具中產(chǎn)生的磁力線的方向和封閉路線。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的實(shí)施例如下柱銷1為16根剛性圓柱體，采用35#鋼制作，尺寸為φ3mm、長30mm；柱銷前端為球頭，后端為平頭、其端部都粘接一個(gè)同軸的壓緊彈簧2，彈簧尺寸為φ3mm、長10mm，材料為65#鋼；框架3為35#鋼制的矩形環(huán)，外側(cè)尺寸為20×23mm，框架的上側(cè)邊設(shè)置一個(gè)豎向的緊定螺栓6作為固定柱銷用的緊固件，緊定螺栓的下端部連接一個(gè)下側(cè)面為鋸齒狀的卡塊5，框架下側(cè)邊的內(nèi)側(cè)還貼有硬橡膠層4作為彈性隔層。底座7為35#鋼制的U型件，勵(lì)磁件8和容池10置于底座凹槽中、用螺釘固定，容池為銅制，其內(nèi)腔尺寸為20×20×23mm(長×寬×高)；壓桿11為鋼制螺旋件、直徑20mm，安裝在底座的一個(gè)側(cè)面上、其端部伸入容池的一側(cè)，芯棒9亦為鋼制、其端部伸入容池的另一側(cè)中20mm，定位頭的框架用螺釘12固定在芯棒端部，使柱銷及彈簧伸入尺寸為20×12×20mm(深×寬×高)的芯棒端部空腔中；工件14置于柱銷與壓桿之間。容池內(nèi)使用的磁流變材料13由體積比56％的羰基鐵粉(粒徑8～10μm)和44％的硅油均勻混合組成。勵(lì)磁件8采用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)CJ10-60交流接觸器線圈(線徑0.35，匝數(shù)1900)。當(dāng)電流達(dá)到約1.2A時(shí)，磁場強(qiáng)度達(dá)到300毫特。磁流變材料固化后的剪切強(qiáng)度約為40kPa，但轉(zhuǎn)動(dòng)壓桿使之?dāng)D壓磁流變材料、產(chǎn)生沿磁場方向約10MPa的擠壓力后，經(jīng)實(shí)測，磁流變材料的剪切強(qiáng)度達(dá)到了2Mpa。實(shí)際測試中，一根0.1×1×20mm的鐵片被夾緊后可以承受5Kg以上的拉力。完全可以滿足精加工的要求。
如果需要夾持比較大的工件，可以使用大的容池，但磁場線圈也要相應(yīng)增大，以保證磁場強(qiáng)度。例如使用200×400×400mm(長×寬×高)的大容池，需要使用匝數(shù)約15000的線圈。其他部件的尺寸亦需相應(yīng)增大，如采用100根剛性35#鋼圓柱體柱銷，尺寸為φ30mm、長60mm；柱銷后端都粘接一個(gè)同軸的壓緊彈簧，彈簧尺寸為φ30mm、長30mm，材料為65Mn鋼；框架為35#鋼制的矩形環(huán)，外側(cè)尺寸為400×410mm；壓桿為直徑100mm的液壓桿，端面固定30×400×400mm(厚×寬×高)的推板。芯棒端部伸入容池中50mm，芯棒端部空腔為40×300×400mm(深×寬×高)。在磁場強(qiáng)度達(dá)到600毫特并沿磁場方向施加約10MPa的擠壓力的情況下，磁流變材料的剪切強(qiáng)度達(dá)到了Mpa量級。
權(quán)利要求1.一種磁流變?nèi)嵝詩A具，其特征在于整個(gè)柔性夾具分為定位頭和夾具體兩部分，其中定位頭由柱銷(1)、彈簧(2)、框架(3)以及緊固件(6)構(gòu)成，夾具體由底座(7)、容池(10)、壓桿(11)、勵(lì)磁件(8)和芯棒(9)以及磁流變材料(13)構(gòu)成；柱銷橫向排列在框架中，在框架上設(shè)置固定柱銷用的緊固件，柱銷的一端設(shè)置與其同軸的彈簧；容池、壓桿、勵(lì)磁件、芯棒同軸安裝，置于底座上，壓桿和芯棒位于容池的兩端并伸入容池空腔，定位頭置于容池空腔中，柱銷及彈簧的軸向與壓桿和芯棒的軸向平行，定位頭的框架固定在芯棒的前端，彈簧一端與柱銷相抵、另一端與芯棒相抵；容池空腔中充滿磁流變材料。
專利摘要本實(shí)用新型是一種磁流變?nèi)嵝詩A具，它涉及機(jī)械夾持器件、尤其是可以適應(yīng)不同形狀的工件的夾具。整個(gè)柔性夾具分為定位頭和夾具體兩部分，其中定位頭由柱銷、彈簧、框架以及緊固件構(gòu)成，夾具體由底座、容池、壓桿、勵(lì)磁件和芯棒以及磁流變材料構(gòu)成；容池、壓桿、勵(lì)磁件和芯棒同軸安裝在底座上，壓桿和芯棒位于容池的兩端并伸入容池空腔，定位頭亦置于容池空腔中、固定在芯棒的前端，柱銷為陣列的群組、橫向排列在框架中，其一端設(shè)置同軸的彈簧、與芯棒相抵；容池空腔中充滿磁流變材料。使用時(shí)，柱銷的自由端可以擬合工件的外形并利用磁流變材料的相變特性夾持。本實(shí)用新型可以方便地應(yīng)用于各種形狀和特性的工件。
文檔編號(hào)B23Q3/15GK2582814SQ02257890
公開日2003年10月29日 申請日期2002年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月18日
發(fā)明者張先舟, 王琪民, 張培強(qiáng) 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)