本發(fā)明屬于薄壁件裝夾技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種薄壁平板磁流變液柔性支撐方法。

背景技術(shù)：

薄壁件是航空航天高端裝備上的典型件，其可靠裝夾是保證材料高效去除和零件最終加工幾何精度的核心環(huán)節(jié)。對(duì)面形較平緩的大型薄壁件，特別是近似于薄壁平板大都采用靠模裝夾方式。然而，成型后的毛坯件存在較大面形誤差，造成零件與胎模間不貼合，存在裝夾間隙；而加工中產(chǎn)生的復(fù)雜應(yīng)力變形，如零件脹形，又加劇了這一問(wèn)題，甚至出現(xiàn)大面積“空洞”現(xiàn)象。在薄壁件加工中，大型壓板、真空吸附等輔助手段被實(shí)際采用，對(duì)零件施以強(qiáng)力壓緊或吸附，盡量讓零件安裝面與夾具支撐面強(qiáng)制貼合。然而，“松綁”后的薄壁件往往因應(yīng)力重平衡而產(chǎn)生明顯的彎扭變形，甚至導(dǎo)致零件報(bào)廢。

磁流變液受外加磁場(chǎng)激勵(lì)能迅速固化，在常溫下即可輕松實(shí)現(xiàn)液-固相變互逆轉(zhuǎn)換。因此，既可以利用磁流變液的流體特性柔性充填裝夾間隙，又可以通過(guò)可控磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)局部或整體固化支撐。近年來(lái)，磁流變液已應(yīng)用于磁流變阻尼、磁流變加工、磁流變驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域，也有學(xué)者將其應(yīng)用于零件柔性裝夾。在這些應(yīng)用中，磁流變液大多工作在閥模式或剪切模式。由于磁流變液剪切模量通常較低，特別對(duì)于零件裝夾，其往往難以提供足夠的支撐剛性。而，磁流變液擠壓彈性模量可高出剪切模量1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，為薄壁件高可靠柔性裝夾提供了可行的方案選擇。

2009年，袁勝等在專利《一種蒙皮類零件檢驗(yàn)的固持裝置》，申請(qǐng)?zhí)朇N200910215311.9中，采用磁流變液作為支撐介質(zhì)，通過(guò)永磁吸盤實(shí)現(xiàn)零件的整體支撐。勵(lì)磁磁矢垂直于自重方向，磁流變液工作于剪切模式。2004年，張先舟等在專利《磁流變?nèi)嵝詩(shī)A具》，申請(qǐng)?zhí)朇N02138468.1中提出了一種具有可變剛度的柔性表面的夾持裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)多路磁流變閥滿足不同剛度、不同形狀的夾持要求。

上述方法與裝置均未提及基于擠壓模式的一種薄壁平板磁流變液柔性支撐方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述方法的不足，針對(duì)薄壁平板與夾具支撐面難以緊密貼合致使裝夾不可靠的難題，發(fā)明了一種薄壁平板磁流變液柔性支撐方法。該方法中，夾具支撐面上設(shè)計(jì)有等距分布的矩形截面凹槽，縱橫正交，便于磁流變液順暢流動(dòng)和間隙填充；采用基于真空負(fù)壓的自動(dòng)灌注，保證了磁流變液的填充密實(shí)度；磁場(chǎng)控制模塊由陣列式勵(lì)磁單元組成，通過(guò)對(duì)勵(lì)磁單元位置編碼，可實(shí)現(xiàn)單元、分區(qū)、整體等多模式勵(lì)磁要求；勵(lì)磁磁矢方向平行于外加載荷方向，磁流變液工作于擠壓模式，彈性模量更高，保證了支撐剛性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種薄壁平板磁流變液柔性支撐方法，其特征是，支撐方法中，首先將薄壁平板裝夾至陣列式可控勵(lì)磁夾具上，并對(duì)薄壁平板可靠密封；然后，通過(guò)抽真空，構(gòu)建薄壁平板與夾具體間真空負(fù)壓環(huán)境，在設(shè)定外壓下，實(shí)施磁流變液自動(dòng)灌注；最后，通過(guò)多路開關(guān)控制位置編碼的陣列式勵(lì)磁單元，磁流變液勵(lì)磁相變，完成勵(lì)磁區(qū)域固化支撐；方法的具體步驟如下：

第一步設(shè)計(jì)并組裝陣列式可控勵(lì)磁夾具

陣列式可控勵(lì)磁夾具由夾具體1、勵(lì)磁單元陣列2、密封圈4、壓邊5、螺釘6組成；

所述夾具體1上加工有夾具凸臺(tái)1h、梯形截面環(huán)槽1g、夾具支撐面1c、肋板頂面1d，在肋板頂面1d向下加工有若干個(gè)均布的方槽1a，在每個(gè)方槽1a的底面向下加工有導(dǎo)線出口孔1b，在夾具體1右側(cè)面加工有通道1f；

勵(lì)磁單元陣列2由若干個(gè)均布的任一勵(lì)磁單元2_i,j構(gòu)成，勵(lì)磁單元陣列2中的勵(lì)磁單元個(gè)數(shù)與夾具體1上加工出的若干個(gè)均布的方槽1a的個(gè)數(shù)相同；每個(gè)勵(lì)磁單元分別嵌入夾具體1的各個(gè)方槽1a中；每個(gè)勵(lì)磁單元的導(dǎo)線2i分別穿過(guò)夾具體1底部的各個(gè)導(dǎo)線出口孔1b與多路開關(guān)14外接；勵(lì)磁單元陣列頂面與夾具支撐面1c平齊，方槽間肋板頂面1d低于勵(lì)磁單元陣列頂面，使得相鄰勵(lì)磁單元間形成矩形截面凹槽1e；矩形截面凹槽1e與通道1f連通；

第二步薄壁平板安裝與密封

薄壁平板3的定位面3j與夾具支撐面1c貼合；密封圈4楔形段壓入梯形截面環(huán)槽1g內(nèi)；壓邊5壓住密封圈4；擰緊螺釘6；使得密封圈4方形段與薄壁平板3的被加工面3k緊密貼合；同時(shí)密封圈4楔形段被梯形截面環(huán)槽1g橫向壓縮，實(shí)現(xiàn)可靠密封。

第三步安裝磁流變液真空負(fù)壓自動(dòng)灌注系統(tǒng)

通道1f通過(guò)密封管螺紋副連接夾具體三通閥7，夾具體三通閥7分別連接真空泵8與三通閥9，三通閥9另兩個(gè)口分別接雙向液壓泵10與溢流閥11，雙向液壓泵10接儲(chǔ)液箱12，溢流閥11接儲(chǔ)液箱12，溢流方向?yàn)槿ㄩy9流向儲(chǔ)液箱12；儲(chǔ)液箱12內(nèi)裝滿磁流變液13；真空泵8與雙向液壓泵10的啟停開關(guān)與傳感器接PLC15，PLC15接上位機(jī)16。

第四步啟動(dòng)自動(dòng)灌注程序

上位機(jī)16控制PLC15令真空泵8工作，清除薄壁平板3與夾具體1間的空氣，獲得真空負(fù)壓環(huán)境；真空泵8自帶負(fù)壓傳感器實(shí)時(shí)反饋壓力信號(hào)P₀至上位機(jī)16，P₀達(dá)設(shè)定的真空閾值，上位機(jī)16控制PLC15令真空泵8停止，同時(shí)令雙向液壓泵10工作；磁流變液13經(jīng)通道1f充填定位面3j與夾具支撐面1c間的縫隙，實(shí)現(xiàn)縫距“歸零”；雙向液壓泵10自帶壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋壓力信號(hào)P₁至上位機(jī)16，當(dāng)P₁使定位面3j所受液壓為一個(gè)大氣壓，與外部大氣壓平衡時(shí)，上位機(jī)16控制PLC15令雙向液壓泵10停止，真空負(fù)壓自動(dòng)灌注過(guò)程結(jié)束。

第五步磁流變液勵(lì)磁固化支撐

首先進(jìn)行坐標(biāo)單元位置編碼，以?shī)A具支撐面1c的內(nèi)角點(diǎn)為原點(diǎn)o，相鄰兩邊為x軸、y軸，建立坐標(biāo)系O-xyz，且夾具支撐面1c處于xy平面坐標(biāo)系的三象限；勵(lì)磁單元分別向x軸、y軸投影，投影沿x軸正向所排次序?yàn)樵搯卧恢镁幋a的橫坐標(biāo)，投影沿y軸正向所排次序?yàn)樵搯卧恢镁幋a的縱坐標(biāo)，任一勵(lì)磁單元2_i,j的位置都由(i,j)編碼表示，i為x軸上第i個(gè)位置編碼，j為y軸上第j個(gè)位置編碼。

按照控制要求，多路開關(guān)14指定相應(yīng)的任一勵(lì)磁單元2_i,j通電，產(chǎn)生垂直于勵(lì)磁單元陣列2頂面的局部法向磁場(chǎng)；所需磁場(chǎng)強(qiáng)度H按下式計(jì)算：

式中，F(xiàn)_N為切削力，τ₁為真實(shí)剪切屈服應(yīng)力，R為銑刀半徑，h為磁流變液厚度，η為粘性系數(shù)，為擠壓速度，C為與磁流變液載液介質(zhì)相關(guān)的系數(shù)，Φ為磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，μ₀為真空磁導(dǎo)率，μ_r為磁流變液相對(duì)磁導(dǎo)率。

磁流變液勵(lì)磁相變，完成勵(lì)磁區(qū)域固化支撐。由于任一勵(lì)磁單元2_i,j正上方磁流變液受局部法向磁場(chǎng)作用固化增強(qiáng)，受軸向銑削力作用工作于擠壓模式，抵抗加工載荷，抑制加工變形。

本發(fā)明的有益效果是勵(lì)磁單元正上方的磁流變液勵(lì)磁固化，工作于擠壓模式，抵抗加工載荷，抑制加工變形；勵(lì)磁單元陣列等尺寸微間距排列，產(chǎn)生局部法向磁場(chǎng)均勻性好；按勵(lì)磁區(qū)域大小，可控勵(lì)磁固化有三種模式可選：?jiǎn)卧獎(jiǎng)?lì)磁、分區(qū)勵(lì)磁、整體勵(lì)磁；自初始裝夾至加工全過(guò)程，薄壁平板定位面與夾具支撐面縫距始終“歸零”，裝夾柔性好。

附圖說(shuō)明

附圖1-陣列式可控勵(lì)磁夾具整體結(jié)構(gòu)示意圖，其中：1-夾具體，2-勵(lì)磁單元陣列，3-薄壁平板，4-密封圈，5-壓邊，6-螺釘，7-夾具體三通閥，8-真空泵，9-三通，10-雙向液壓泵，11-溢流閥，12-儲(chǔ)液箱，14-多路開關(guān)，15-PLC，16-上位機(jī)，2i-導(dǎo)線，oxyz-直角坐標(biāo)系。

附圖2-勵(lì)磁單元位置編碼示意圖，其中：A-A-階梯剖面示意圖，2_i,j-任一勵(lì)磁單元,其中，i＝1...m,j＝1...m。附圖3-陣列式可控勵(lì)磁夾具灌注前階梯剖面示意圖，附圖4-陣列式可控勵(lì)磁夾具灌注且勵(lì)磁后階梯剖面示意圖。其中：1-夾具體，2-勵(lì)磁單元陣列，3-薄壁平板，4-密封圈，5-壓邊，6-螺釘，7-夾具體三通閥，1a-方槽，1b-導(dǎo)線出口孔，1c-夾具支撐面，1d-肋板頂面，1e-矩形截面凹槽，1f-通道，1g-梯形截面環(huán)槽，1h-夾具凸臺(tái)，2i-導(dǎo)線，3j-定位面，3k-被加工面。

附圖5-薄壁平板磁流變液柔性支撐流程圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。

本實(shí)施例采用的薄壁平板3為鋁合金材料，滾壓成形后的面形誤差0.1～0.2mm、厚度1mm，尺寸1000mm×1000mm；勵(lì)磁單元陣列10×10；如圖1、2所示。羰基鐵粉磁流變液由40％體積分?jǐn)?shù)羰基鐵粉與60％體積分?jǐn)?shù)硅油制成，密度3.55g/ml。銑削力100N，銑刀直徑8mm，磁流變液最大厚度4mm，磁流變液粘度0.69Pa·s，擠壓速度1mm/s，與磁流變液載液介質(zhì)相關(guān)的系數(shù)C為0.95，磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)0.40，磁流變液相對(duì)磁導(dǎo)率17。

實(shí)施例中，首先將薄壁平板裝夾至陣列式可控勵(lì)磁夾具上，并對(duì)薄壁平板可靠密封；然后，通過(guò)抽真空，構(gòu)建薄壁平板與夾具體間真空負(fù)壓環(huán)境，在設(shè)定外壓下，實(shí)施磁流變液自動(dòng)灌注；最后，通過(guò)多路開關(guān)控制位置編碼的陣列式勵(lì)磁單元，磁流變液勵(lì)磁相變，完成勵(lì)磁區(qū)域固化支撐；附圖5是薄壁平板磁流變液柔性支撐流程圖，如圖所示,方法具體步驟如下：

第一步設(shè)計(jì)并組裝陣列式可控勵(lì)磁夾具。

陣列式可控勵(lì)磁夾具包含：夾具體1、由10×10勵(lì)磁單元組成勵(lì)磁單元陣列2、密封圈4、壓邊5、螺釘6構(gòu)成；每個(gè)勵(lì)磁單元分別嵌入夾具體1的各個(gè)方槽1a中，每個(gè)勵(lì)磁單元的導(dǎo)線2i穿過(guò)夾具體1底部的導(dǎo)線出口孔1b外接多路開關(guān)14；

第二步薄壁平板安裝與密封。

薄壁平板3的定位面3j與夾具支撐面1c貼合；密封圈4楔形段壓入梯形截面環(huán)槽1g內(nèi)；壓邊5壓住密封圈4；擰緊螺釘6；使得密封圈4方形段與薄壁平板3的被加工面3k緊密貼合；同時(shí)密封圈4楔形段被梯形截面環(huán)槽1g橫向壓縮，實(shí)現(xiàn)可靠密封。

第三步安裝磁流變液真空負(fù)壓自動(dòng)灌注系統(tǒng)。

夾具體1上的通道1f通過(guò)密封管螺紋副連接夾具體三通閥7，夾具體三通閥7分別接真空泵8與三通閥9，三通閥9另兩個(gè)口分別接雙向液壓泵10與溢流閥11，雙向液壓泵10接儲(chǔ)液箱12，溢流閥11接儲(chǔ)液箱12，溢流方向?yàn)槿ㄩy9流向儲(chǔ)液箱12；儲(chǔ)液箱12內(nèi)裝滿高密度的羰基鐵粉磁流變液13；真空泵8與雙向液壓泵10的啟停開關(guān)與傳感器接PLC15，PLC15接上位機(jī)16。

第四步啟動(dòng)自動(dòng)灌注程序。

附圖3是陣列式可控勵(lì)磁夾具灌注前階梯剖面示意圖，附圖4是陣列式可控勵(lì)磁夾具灌注且勵(lì)磁后階梯剖面示意圖。上位機(jī)16控制PLC15令真空泵8工作，清除薄壁平板3與夾具體1間空氣，獲得真空負(fù)壓環(huán)境；真空泵8自帶負(fù)壓傳感器實(shí)時(shí)反饋壓力信號(hào)P₀至上位機(jī)16，P₀低于-0.09MPa時(shí)，令真空泵8停止，同時(shí)啟動(dòng)雙向液壓泵10；磁流變液13經(jīng)通道1f充填定位面3j與夾具支撐面1c間縫隙，實(shí)現(xiàn)縫距“歸零”；雙向液壓泵10自帶壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋壓力信號(hào)P₁至上位機(jī)16，當(dāng)P₁使定位面3j所受液壓為0.101MPa時(shí)，上位機(jī)16控制PLC15令雙向液壓泵10停止，真空負(fù)壓自動(dòng)灌注過(guò)程結(jié)束。

第五步磁流變液勵(lì)磁固化支撐。

首先進(jìn)行勵(lì)磁單元位置編碼，如圖2所示。

勵(lì)磁模式分為：?jiǎn)卧獎(jiǎng)?lì)磁、分區(qū)勵(lì)磁如2×2、3×3等局部多個(gè)勵(lì)磁單元通電勵(lì)磁、整體勵(lì)磁即全部勵(lì)磁單元通電勵(lì)磁。

采用單元?jiǎng)?lì)磁模式，多路開關(guān)14指定任一勵(lì)磁單元2_i,j,i＝1...10,j＝1...10通電，產(chǎn)生垂直于勵(lì)磁單元陣列2頂面的局部法向磁場(chǎng)；設(shè)定勵(lì)磁單元磁場(chǎng)強(qiáng)度為76.4kA/m。任一勵(lì)磁單元2_i,j正上方磁流變液受局部法向磁場(chǎng)作用固化增強(qiáng)，如圖4所示。受軸向銑削力作用工作于擠壓模式，抵抗加工載荷，抑制加工變形。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了磁流變液于初始裝夾狀態(tài)下對(duì)縫隙的柔性充填，局部法向磁場(chǎng)對(duì)加工區(qū)域磁流變液的局部強(qiáng)化，能夠滿足不同尺寸薄壁平板的裝夾可靠性要求，其工況適應(yīng)性好，精度一致性高，實(shí)現(xiàn)了薄壁平板的柔性裝夾。