磁流變柔性夾具的製作方法

2023-05-23 22:28:56 1

專利名稱：磁流變柔性夾具的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及機械夾持器件，尤其是涉及可以適應不同形狀的工件的夾具。
雖然針對以上問題，出現了組合夾具、柔性夾具的設計(詳見《柔性夾具設計方法與技術》，牟巖君，信息技術，2000年第10期)，但是由於其沿用了傳統夾具的純機械結構，仍然無法解決如下問題①當工件剛性很低、容易變形時，無法保證夾緊後的定位和尺寸精度；②對於幾何形狀很不規則的工件，無法定位和夾緊。
為了解決這個問題，又出現了利用材料液固兩相轉變特性而設計的相變式夾具。如用錫、鉛等低熔點合金製作能夠根據工件的具體形狀熔結固定工件的夾具(詳見《基於液固兩相轉變的夾具技術》，濟南大學鍾康民等，製造技術與工具機，1998年第08期)。可是這種夾具也有很大的缺陷，限制了其在工業上的推廣使用①相變時間長，並且需要在特定溫度下進行；②相變物質的自身成本及所用裝置的成本均太高；③有的相變物質會汙染環境，嚴重損傷人身健康，例如鉛。
本實用新型的解決方案如下整個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、框架以及緊固件構成，夾具體由底座、容池、壓杆、勵磁件和芯棒以及磁流變材料構成；柱銷橫向排列在框架中，在框架上設置固定柱銷用的緊固件，柱銷的一端設置與其同軸的彈簧；容池、壓杆、勵磁件、芯棒同軸安裝，置於底座上，壓杆和芯棒位於容池的兩端並伸入容池空腔，定位頭置於容池空腔中，柱銷及彈簧的軸向與壓杆和芯棒的軸向平行，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，本實用新型的磁流變柔性夾具是基於柔性定位原理以及磁流變材料的相變特性和擠壓增強效應而設計的。
磁流變材料是這樣一種物質當不加磁場時，這類流體與普通的牛頓流體性質相似，而一旦加磁場，流體性質會發生急劇變化，呈現出類固體的特徵，剪切屈服強度和表觀粘度會增加若干個數量級，去除磁場後，材料又會回復到原來的狀態。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控制、響應迅速，並可在室溫下工作。因此，如果將這種相變特性應用於柔性夾具的設計製造之中，具有顯著的優點。但是，就目前研製出的磁流變材料而言，其固化後的抗剪切能力仍然較弱，一般不超過100Kpa，很難達到夾具中夾持力的要求。
然而，中國科學技術大學力學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]當磁流變材料在磁場中受到沿磁場方向的外加正壓力時，其剪切屈服應力與未加壓情況相比又得到很大提高，甚至提高一個數量級以上。這樣就可以為解決夾持力不夠的問題提供了良好的途徑。
本實用新型利用上述原理，設計了一種新穎的磁流變柔性夾具。其結構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、框架以及緊固件構成。起定位作用的關鍵部件為陣列的柱銷群組。柱銷為剛性，採用導磁材料製作；柱銷前端為自由端、端部形狀以球頭為宜，柱銷後端形狀以平頭為宜、其端部都設置一個同軸的壓緊彈簧，彈簧與柱銷之間可採用連接(例如焊接或粘接)的方式定位，也可以採用卡槽等方式定位。框架為環狀，採用導磁或非導磁材料製作均可。柱銷以陣列的方式橫向排列在框架中、構成柱銷群組，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、其軸向與框架的環面相垂直。在框架上合適的位置處設置緊固件、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置卡塊，卡塊上設置與柱銷尺寸相適應的鋸齒槽，或者在卡塊與柱銷之間、框架與柱銷之間設置彈性隔層。
夾具體如圖2所示，由底座、容池、壓杆、勵磁件和芯棒構成。容池、壓杆、勵磁件、芯棒同軸安裝，置於底座上；壓杆、芯棒、底座為導磁材料，而容池為非導磁材料，勵磁件可以是勵磁線圈，芯棒穿過線圈。壓杆和芯棒位於容池的兩端並伸入容池空腔中，壓杆可通過轉動或滑動方式沿其軸向移動，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(安裝方式詳見圖3和圖4)，柱銷及彈簧的軸向與壓杆和芯棒的軸向平行；芯棒的前端與定位頭的框架形狀相適應，即外圍為環狀、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狀外圍上，使彈簧位於芯棒端部空腔中，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(由於柱銷由導磁材料製作，磁阻遠小於磁流變材料，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度的要求，同時最大剪切強度亦可大大提高。夾具體可以通過螺栓或其它方式固定在各種加工工具機或器械的工作面上。
上述結構的夾具可具備柔性定位的特點。當要首次對某一種特定工件進行定位時，先將固定柱銷用的緊固件鬆開，將工件壓入柱銷群的自由端，由於彈簧的彈性伸縮，柱銷頭可以緊貼工件表面形成眾多定位點；然後擰緊該緊固件，將柱銷群的位置固定好，柱銷群的自由端就構成固定的定位點，以後就可以利用這些固定的定位點隨時方便地對該種工件定位。當然，這種定位方式可能會出現過度定位現象，但是由於使用了磁流變材料，夾緊時，在每個定位點(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，將工件放入夾具體的磁流變材料容池中、並貼在柱銷群自由端所構成的固定定位點上進行定位，再利用勵磁件產生的磁場使磁流變材料類固化將工件初步固定，然後將壓杆沿軸向移動(轉動或推動)、使壓杆對工件沿平行於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，將線圈斷電使磁場撤消並退出壓杆，此時磁流變材料恢復流體狀態，喪失抗剪切能力，因而可以輕易取出工件。
綜上所述，由於採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效應，本柔性夾具具有以下優點一)與傳統機械式夾具相比1)夾具的柔性好，可適用於各種形狀和特性的工件；2)自動化程度高，夾、取工件容易，便於控制；3)可以實現對低剛性及幾何形狀不規則工件的定位和夾緊。
二)與普通相變式夾具相比1)相變時間短(在毫秒量級)；2)相變溫度為室溫；3)相變物質的自身成本低(與易熔合金相比)；4)相變裝置的結構簡單、成本低(只需能夠產生磁場的部件，而無須加熱或製冷設備)；5)不汙染環境，便於清洗。
附圖2為夾具體結構示意圖。
附圖3為夾具體的芯棒端部結構及其與定位頭連接示意圖。
附圖4顯示了勵磁件在夾具中產生的磁力線的方向和封閉路線。
具體實施方式
本實用新型的實施例如下柱銷1為16根剛性圓柱體，採用35#鋼製作，尺寸為φ3mm、長30mm；柱銷前端為球頭，後端為平頭、其端部都粘接一個同軸的壓緊彈簧2，彈簧尺寸為φ3mm、長10mm，材料為65#鋼；框架3為35#鋼製的矩形環，外側尺寸為20×23mm，框架的上側邊設置一個豎向的緊定螺栓6作為固定柱銷用的緊固件，緊定螺栓的下端部連接一個下側面為鋸齒狀的卡塊5，框架下側邊的內側還貼有硬橡膠層4作為彈性隔層。底座7為35#鋼製的U型件，勵磁件8和容池10置於底座凹槽中、用螺釘固定，容池為銅製，其內腔尺寸為20×20×23mm(長×寬×高)；壓杆11為鋼製螺旋件、直徑20mm，安裝在底座的一個側面上、其端部伸入容池的一側，芯棒9亦為鋼製、其端部伸入容池的另一側中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置於柱銷與壓杆之間。容池內使用的磁流變材料13由體積比56％的羰基鐵粉(粒徑8～10μm)和44％的矽油均勻混合組成。勵磁件8採用標準型號CJ10-60交流接觸器線圈(線徑0.35，匝數1900)。當電流達到約1.2A時，磁場強度達到300毫特。磁流變材料固化後的剪切強度約為40kPa，但轉動壓杆使之擠壓磁流變材料、產生沿磁場方向約10MPa的擠壓力後，經實測，磁流變材料的剪切強度達到了2Mpa。實際測試中，一根0.1×1×20mm的鐵片被夾緊後可以承受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增大，以保證磁場強度。例如使用200×400×400mm(長×寬×高)的大容池，需要使用匝數約15000的線圈。其他部件的尺寸亦需相應增大，如採用100根剛性35#鋼圓柱體柱銷，尺寸為φ30mm、長60mm；柱銷後端都粘接一個同軸的壓緊彈簧，彈簧尺寸為φ30mm、長30mm，材料為65Mn鋼；框架為35#鋼製的矩形環，外側尺寸為400×410mm；壓杆為直徑100mm的液壓杆，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)。在磁場強度達到600毫特並沿磁場方向施加約10MPa的擠壓力的情況下，磁流變材料的剪切強度達到了Mpa量級。
權利要求1.一種磁流變柔性夾具，其特徵在於整個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)構成，夾具體由底座(7)、容池(10)、壓杆(11)、勵磁件(8)和芯棒(9)以及磁流變材料(13)構成；柱銷橫向排列在框架中，在框架上設置固定柱銷用的緊固件，柱銷的一端設置與其同軸的彈簧；容池、壓杆、勵磁件、芯棒同軸安裝，置於底座上，壓杆和芯棒位於容池的兩端並伸入容池空腔，定位頭置於容池空腔中，柱銷及彈簧的軸向與壓杆和芯棒的軸向平行，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。
專利摘要本實用新型是一種磁流變柔性夾具，它涉及機械夾持器件、尤其是可以適應不同形狀的工件的夾具。整個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、框架以及緊固件構成，夾具體由底座、容池、壓杆、勵磁件和芯棒以及磁流變材料構成；容池、壓杆、勵磁件和芯棒同軸安裝在底座上，壓杆和芯棒位於容池的兩端並伸入容池空腔，定位頭亦置於容池空腔中、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，柱銷的自由端可以擬合工件的外形並利用磁流變材料的相變特性夾持。本實用新型可以方便地應用於各種形狀和特性的工件。
文檔編號B23Q3/15GK2582814SQ02257890
公開日2003年10月29日 申請日期2002年10月18日 優先權日2002年10月18日
發明者張先舟, 王琪民, 張培強 申請人:中國科學技術大學