一种用于大型复杂曲面类叶片铣削的柔性夹具及方法与流程

本发明涉及机械加工技术领域，特别是涉及一种用于大型复杂曲面类叶片铣削的柔性夹具及方法。

背景技术：

目前，在航天工业中，对薄壁件的切削任务是至关重要的，而薄壁件的变厚度减薄加工一直是加工制造难题。航天结构中的复杂曲面薄壁叶片的悬伸量大、刚性差，且主要以五轴铣削为主要加工方式。难加工结构和复杂加工工艺使得薄壁结构在加工中易于产生变形、回弹等现象，存在让刀、振动等问题，导致工件变形，影响工件尺寸精度、切削表面质量和加工效率。

针对复杂曲面薄壁件加工过程中的加工振动问题，国内外很多学者进行了相关的研究。

在优选切削参数方面，Kersting提出利用仿真，预测五轴铣削过程中的可再生切削颤振；Biemann提出了一套可以计算五轴铣削加工振动的仿真方法以及加工表面建模方法；Zhou提出了一种五轴铣削中优选切削参数抑制切削振动的方法；Arnaud给出了保证精度和表面质量的最优切削参数；Campa提出了一种估计工件切削稳定域的方法以避免颤振。这些研究工作主要是通过一定程度上调整切削参数，从而控制薄壁挠性元件的振动。通过改变切削参数虽然加工振动能够得到有效的控制，但是并不能从根源上抑制振动，因此在铣削薄壁挠性工件中起到的减振效果并不理想。并且，针对成型面比较复杂的叶轮叶片的加工，所涉及的切削参数的调整过于复杂，无法完全掌控。

在夹具的优化布局方面，Selvakumar等人提出了利用实验设计算法，构建最佳的夹具布局，减少加工工件的最大弹性变形，从而抑制加工振动。但是，现有夹具与工件全部是刚性接触，在五轴铣削过程中，会导致工件变形和夹具变形，诱发振动。并且，在夹具优化研究中并未考虑夹子和定位器的数量和位置，以及夹具元素的布局等问题。

现有的薄壁件铣削夹具存在明显的不足和局限性，有些专为薄壁工件设计的夹具中没有考虑对叶片根部榫头的夹持与定位，因此往往由于榫头的影响而直接影响带榫头的整体叶片的装夹与定位。如申请号201610042625.3的发明专利公开的一种叶片加工辅助夹具包括基座和设置于基座端面的两个用于叶片夹持的夹持块，两夹持块通过调节机构可联动调节装配于基座上，基座的两夹持块之间还设置有用于叶片径向顶紧的顶紧机构。但是此发明的加工辅助夹具未考虑大型叶底部的榫头，因此此发明无法装夹带榫头的叶片。

现有的薄壁件铣削夹具存在明显的不足和局限性，有些专为薄壁工件设计的夹具无法适用于复杂曲面薄壁工件，如申请号：201510916102.2、201010268925.6、201510285645.9和201510285670.7等发明专利。其中申请号201010268925.6和201510916102.2的发明专利分别于2010年和2015年公开了一种薄壁框体构件铣削夹具，利用真空吸附式工作台代替现有的虎钳夹具，克服了因压板式装夹使零件局部受力产生弹性变形的难题，在夹持的过程中能够使薄壁框架类零件均匀受力，进而解决目前薄壁框体类零件加工时用的夹具导致零件局部受力，易使零件产生弹性变形、零件质量很难达到设计要求的问题。尽管上述发明的夹持效果很可观，但是其应用范畴局限在了平面薄壁件之中，无法对复杂曲面的薄壁零件进行装夹。申请号201510285645.9的发明专利提供了一种薄壁件铣削用柔性随动夹具，包括底板，底板上固定有若干十字滑台，每个十字滑台上均安装有垂直升降台，每个垂直升降台通过吸盘杆安装有吸盘或者通过万向球轴承安装有主球。安装有吸盘的轴为定位轴，安装有主球的轴为随动轴，随动轴与定位轴之间可以相互转换，只需要将万向球轴承换为吸盘杆，将控制模式切换为定位模式即可。同时，各轴与底板之间可以自由拆装，充分体现柔性功能，可以有效减少铣削过程中的工件变形，提高工件加工精度。尽管该发明的随动效果很好，但是应用范畴局限在了平面薄壁件，无法适用于复杂曲面薄壁件。申请号201510285670.7的发明专利提供了一种薄壁件铣削用随动支承夹具，包括支架、轴承杆和气缸，轴承杆下端通过轴承定位环固定有轴承，其中气缸一端铰接于支架，另一端铰接于轴承杆，支架和轴承杆之间通过第一连杆和第二连杆铰接。当对薄壁工件进行立铣的时，装置会随着刀具的移动，在薄壁加工面的另一侧施加支承力，对薄壁件进行辅助支承。起到一定的减少加工变形的作用。但是，此装置主要适用于平面薄壁件，对于曲面的大型薄壁叶片效果不佳：1、装置随动支承曲面薄壁表面时，会由于表面的变厚度，导致装置产生沿薄壁面法线方向的位移，又由于气缸为开环，无反馈机制，施加支承力恒定，导致薄壁件受力过大，甚至向加工面侧弯曲，易损坏刀具；同时也容易导致连杆弯曲，破坏装置。2、本装置与工件的接触为刚性接触，不能起到良好的抑制振动的作用。

现有的薄壁件铣削夹具存在明显的不足和局限性，有些专为薄壁工件设计的夹具中没有随动支承或叶片夹持装置，因此无法对薄壁件加工过程中产生的颤振起到良好的抑制作用，如申请号：201310104849.9和201410353976.7等两个专利。其中，申请号201310104849.9的发明专利公开了一种空心涡轮叶片蜡模悬臂式夹具，夹具由前板和后板与中间板垂直固定安装，中间板相对的一侧敞开，整体呈凹形结构；叶片蜡模放置在夹具体内，叶片蜡模引晶段与前定位块凹槽装夹，叶片蜡模冒口补缩段与后定位块上表面分布的四个定位支承销装夹，实现对叶片蜡模的定位；后板外侧固连的圆柱梁装卡在加工设备三爪卡盘上，使夹具体悬空，实现主轴旋转带动叶片蜡模和夹具体一起转动，一次装夹即完成叶片蜡模叶背型面和叶盆型面的连续螺旋铣削加工。虽然该发明解决了无辅助定位芯头的小型空心涡轮叶片蜡模的定位问题；加工过程中避免了因两次装夹产生的定位误差，且一定程度上减少了连接刀痕，悬臂式设计增强了蜡型刚性，避免加工过程中发生断裂。但是该发明忽略了薄壁件的刚性小的特性，未考虑随动支承装置，因此，铣削过程中的工件变形会影响切削厚度,最终影响加工精度。叶片的变形同样会会产生切削颤振。申请号201410353976.7的发明专利公开的一种涡轮叶片型面修复夹具，具有一个制有矩形通孔的座体。在矩形通孔上端制有夹持高压涡轮叶片的紧力开口槽，矩形通孔下端制有向下连通贯穿槽孔开口缝，装配的紧固调节旋钮手柄的紧固螺杆，纵向通过座体一端夹持臂的端面丝母螺孔和矩形通孔，连接座体的另一端夹持臂。上述发明突出的特点是结构简单、操作方便、夹持稳定，仅需较小的力即可稳定可靠地固定高压涡轮叶片榫头。但是该发明只考虑了涡轮叶片榫头的夹持，未考虑叶片的颤振，未设置相应的叶片随动夹具。

现有的薄壁件铣削夹具存在明显的不足和局限性，有些专为薄壁工件设计的夹具中虽然有随动支承装置，但是仍无法对薄壁件加工过程中产生的颤振起到良好的抑制作用，如申请号201610346138.6的发明专利公开了一种采用固定支承为辅，可移动的浮动支承为主的支承方式，固定支承位于工件的四周，可移动的浮动支承由智能夹具系统获取走刀路径和工件加工前的初始位置。初始装夹时，由固定和浮动的两种支承共同作用，使工件受力均匀，防止产生不必要的初始残余应力，从而减少夹紧误差，提高加工精度。但是，该发明中的固定夹具为刚性结构，在浮动支承的机械运动过程中以及切削过程中会产生强烈的颤振，而夹具的隔振装置吸振不完全，导致工件在加工过程中作被迫振动，且为随机振动。导轨、丝杠运动因为其自身的往复运动间隙，将降低加工精度。而且，此发明中的夹具所需要的智能夹具系统相对复杂，传感器应用较多，成本较高；并且传感器检测部位是裸露的，传感器表面易受环境的影响，从而难以保证其可靠精度。

综上所述，现有技术中对于复杂曲面薄壁件加工过程中的加工振动问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于大型复杂曲面类叶片铣削的柔性夹具，设置了柔性夹持部，可以减小大型叶片等薄壁结构的加工变形，降低加工中的颤振，进而解决大型薄壁叶片铣削过程中因刚性弱而造成的加工变形大和加工表面质量难以保证等难题以及曲面类零件难装夹的问题。

进一步的，本发明采用下述技术方案：

一种用于大型复杂曲面类叶片铣削的柔性夹具，包括设置于工作台的下部夹持部，下部夹持部上方配合设置柔性夹持部，所述柔性夹持部两端均与水平移动机构连接，水平移动机构端部与上下移动机构连接；

所述柔性夹持部包括与叶片侧壁柔性贴合的弹性夹持体，弹性夹持体柔性夹持住叶片上部侧壁，下部夹持部夹持住叶片底部；加工过程中水平移动机构和上下移动机构带动弹性夹持体调整夹持叶片的位置，以预留出待加工区域。

本发明的夹具，设置了柔性夹持部和下部夹持部相配合，在保证能可靠稳固的夹持的前提下，柔性夹持部可以给叶片以柔性夹持力，可以减小大型叶片等薄壁结构的加工变形，降低加工中的颤振，减少加工误差，提高加工精度；本发明的柔性夹持部可以在水平方向和竖直方向内移动，将叶片的待加工区域留出，不会干涉叶片的加工过程。

进一步的，所述弹性夹持体为支承气囊，支承气囊中部留有供叶片穿过的空腔，支承气囊充满状态下与叶片侧壁紧密贴合。支承气囊中填设气体作为填充介质，使得支承气囊可以和曲面的叶片完全贴合，且支承气囊的柔性可抑制加工过程中产生的震颤。

更进一步的，所述支承气囊为椭圆形结构。将支承气囊设置成椭圆形结构，与曲面叶片的侧面更为贴合。

进一步的，所述支承气囊侧部带有气嘴，气嘴与充气机构连通。气嘴可以采用美式气嘴，美式气嘴通过美式充气头和充气机构连通，利用气压逆向封闭原理，主要靠支承囊内压顶力锁死，耐高压、漏气线性较陡，即气压不够时漏气更快，并且气嘴充气流量大，配备美式充气头，充气的效率非常高。

进一步的，所述上下移动机构包括固设于工作上的丝杠，所述丝杠上配合设置上丝杠螺母和下丝杠螺母，所述下丝杠螺母上部支撑水平移动机构，上丝杠螺母与下丝杠螺母配合将水平移动机构夹紧。下丝杠螺母对水平移动机构起支撑作用，上丝杠螺母和下丝杠螺母相互配合将水平移动机构夹紧，可以带动水平移动机构可靠的实现上下移动。

进一步的，所述水平移动机构包括套设于丝杠的套管结构，所述套管结构侧壁连接带长圆孔槽的竖板；所述套管结构顶部与上丝杠螺母配合，套管结构底部与下丝杠螺母配合。

进一步的，所述弹性夹持体两端均设有连接杆，连接杆固定连接于竖板的长圆孔槽处。弹性夹持体通过连接杆连接于水平移动机构竖板的长圆孔槽处，使弹性夹持体固定于长圆孔槽的任意位置即可调整弹性夹持体的水平位置。

更进一步的，所述上丝杠螺母顶部带有第一凹槽，所述下丝杠螺母底部带有第二凹槽，套管结构夹设于第一凹槽和第二凹槽之间。设置第一凹槽和第二凹槽，可以将水平移动机构的套管结构卡合夹套安装，可以稳固、可靠固定住套管结构，同时套管结构还可以在第一凹槽和第二凹槽的间隙中自由转动，从而可以调整连接杆的位置，进而可以使连接杆和竖板保持垂直连接，配合连接紧固。

进一步的，所述下部夹持部包括虎台钳，所述虎台钳包括活动钳口体和固定钳口体，所述活动钳口体和固定钳口体顶部均固定有夹块。

更进一步的，所述夹块之间的距离小于固定钳口体和活动钳口体之间的距离。

将下部夹持部的虎台钳钳口体顶部固定夹块，增大了下部夹持部与叶片的夹持面积，同时两夹块之间夹持住叶片，增大了对叶片的夹持高度，活动钳口体和固定钳口体之间可以为叶片底部的榫头留出空间，避免了榫头对大型叶片装夹的干扰。

本发明还提供了一种用于大型复杂曲面类叶片铣削加工装置，包括如上所述的柔性夹具。

本发明还提供了一种用于大型复杂曲面类叶片铣削的柔性夹具在装夹复杂曲面薄壁工件中的应用。

本发明还提供了一种用于大型复杂曲面类叶片铣削的柔性夹具的装夹方法，包括以下步骤：

将叶片底部固定夹持于下部夹持部，弹性夹持体柔性夹持住叶片上部侧壁；在铣削加工至临近弹性夹持体时，解除弹性夹持体对叶片的夹持力，上下移动机构带动柔性夹持部移动，预留出叶片的待加工区域供下一步铣削加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的柔性夹具结构简单，结构的稳固可靠性更强，生产方便，使用便利，支承效果好；

本发明的柔性夹具解决了大型叶片由于榫头的存在而不易装夹的难题，并且装夹叶片时更加稳定、牢固；

本发明采用气体作为支承气囊的填充介质，支承气囊可以与曲面的叶片完全贴合，减少加工变形，并依靠自身的柔性，抑制加工颤振，直接降低加工噪音，减少了加工误差，提高了加工精度；

无论是机械加工前的安装调试，还是加工完成拆卸支承囊，都非常的简单易操作；本发明已系列化，在机械加工的匹配应用中对工人的操作无特殊要求，可快速的被广大工人所掌握。

本发明可用于航天，化工，水利，电力等行业的复杂曲面类薄壁件的加工，尤其对于飞机、船舶、精密机械装备等的轻量化加工、噪声、稳定性和可靠性要求高等的行业领域，有十分广阔的推广应用前景。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明柔性夹具的结构示意图；

图2为上丝杠螺母的剖面示意图；

图3为下部夹持部的结构示意图；

图中，1、工作台；2、下部夹持部；3、丝杠；4、下丝杠螺母；5、套管结构；6、上丝杠螺母；7、连接杆；8、支承气囊；9、螺母；10、气嘴；11、竖板；12、活动钳口体；13、固定钳口体；14、夹块。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在复杂曲面薄壁件加工过程中的加工振动的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于大型复杂曲面类叶片铣削的柔性夹具。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种用于复杂曲面类大型叶片铣削的柔性夹具，包括铣床工作台1，工作台1上固定有下部夹持部2，下部夹持部2上方配合设置柔性夹持部，柔性夹持部两端均与水平移动机构连接，水平移动机构端部与上下移动机构连接；柔性夹持部包括与叶片侧壁柔性贴合的弹性夹持体，弹性夹持体柔性夹持住叶片上部侧壁，下部夹持部2夹持住叶片底部；加工过程中水平移动机构和上下移动机构带动弹性夹持体调整夹持叶片的位置，以预留出待加工区域。

下部夹持部2的左右两侧各固定有一根丝杠3，与工作台1螺纹连接，两根丝杠3上分别连接有三个零件，其中最下面通过螺纹连接有一个下丝杠螺母4，下丝杠螺母4上方有一个套管结构5套在丝杠3上，套管结构5上方同样有一个上丝杠螺母6，与丝杠3最下面的下丝杠螺母4对称连接在丝杠3上，丝杠3、下丝杠螺母4、上丝杠螺母6共同形成上下移动机构；

套管结构5两端分别嵌入上丝杠螺母6和下丝杠螺母4的特制凹槽内，套管结构5的竖板11中央连接有支承气囊8，支承气囊8圆周外侧上有一个气嘴10，左右两侧通过硬质PVB材料连接有两根连接杆7，连接杆7为空心杆，最外端均攻有螺纹，连接在套管结构5一侧竖板11的长圆孔槽中，并由螺母9固定，气嘴10由充气头连接充、放气。套管结构5、竖板11共同组成水平移动机构，支承气囊8即为弹性夹持体，支承气囊8中部留有供叶片穿过的空腔，支承气囊8充满状态下与叶片侧壁紧密贴合。在加工过程中由于气体支承气囊的作用，可以减小了大型叶片等薄壁结构的加工变形，降低了加工中的颤振；进而解决了大型薄壁叶片铣削过程中因刚性弱而造成的加工变形大和加工表面质量难以保证等难题以及曲面零件难以装夹的问题。

如图3所示，下部夹持部2是基于传统的虎台钳进行改造，包括虎台钳，虎台钳包括活动钳口体12和固定钳口体13，活动钳口体12和固定钳口体13顶部均固定有夹块14；活动钳口体12和固定钳口体13上均钻螺纹孔，将夹块14通过螺钉与螺纹孔的连接固定在活动钳口体12和固定钳口体13上，夹块14之间的距离小于固定钳口体13和活动钳口体12之间的距离。本发明的下部夹持部2增大了虎台钳的可夹持高度，适用于底部带有榫头的叶片，装夹适用范围更广；两夹块14之间夹持叶片，活动钳口体12和固定钳口体13之间容纳叶片的榫头，为大型叶片底部的榫头留出空间，避免了榫头对大型叶片装夹的干扰。

丝杠3通过螺纹连接在工作台1上，位于下部夹持部2的左右两侧且距离下部夹持部2较远的距离，保证在走刀过程中，丝杠3不会干涉刀架的运动，又因为丝杠3类似于悬臂梁结构，应选用刚性较大的碳钢或者合金钢为材料，且丝杠3的高度应大于大型叶片的高度，保证本发明适用于叶片的全部铣削加工过程，丝杠3上的下丝杠螺母4和上丝杠螺母6可以旋转升降，从而利于调整套管结构5的高度。

下丝杠螺母4和上丝杠螺母6通过螺纹与丝杠3连接，每根丝杠3上有两个下丝杠螺母4和上丝杠螺母6，上下对称分布，中间夹有套管结构5，下丝杠螺母4主要负责升降套管结构5，上丝杠螺母6主要负责配合下丝杠螺母4压紧套管结构5，因此，下丝杠螺母4和上丝杠螺母6必须成对配合使用，其中下丝杠螺母4和上丝杠螺母6结构相同，如图2所示，下丝杠螺母4和上丝杠螺母6一端分别带有第二凹槽和第一凹槽，第二凹槽和第一凹槽为特制圆槽，方便放置套管结构5。

套管结构5采用钢管制成，套管结构5与一块带孔槽的竖板11焊接连接，竖板11采用钢板制成，其中钢管的一侧焊接有平行于管套轴线的竖板11，竖板11中间开有孔槽，利于快速且无间隙的调整、固定连接杆7，套管结构5可以自由旋转从而保证连接杆7与竖板11垂直，保证螺母9与竖板11完全接触。

连接杆7为空心杆，一般用钢管，减小其自身质量的同时，不会降低它的刚度，连接杆7一端通过硬质PVB材料连接在支承气囊8两侧，另一端攻有螺纹。

支承气囊8为椭圆形支撑囊，内部为等厚度环形空腔，支承气囊8中支承介质为空气，支承气囊8可以与大型叶片的曲面待加工面完全贴合，加强大型叶片刚度的同时，还可以利用自身的柔性减弱或者抑制叶片的颤振，支承气囊8椭圆形长轴两端外侧通过硬质PVB材料与连接杆7连接，增大了支承气囊8的刚度。

支承气囊8的材料可以是丁基橡胶，材料具有气密性好，不易漏气，不易氧化，经久耐用的优点，支承气囊8的外侧有一个气嘴10，方便支承囊的充气与放气，并且支承气囊8可以加工成各种型号，自成一个系列，适配于各个尺寸的叶片结构。

气嘴10采用美式气嘴，美式气嘴与美式充气头配合；利用气压逆向封闭原理，主要靠支承囊内压顶力锁死，耐高压、漏气线性较陡，即气压不够时漏气更快，并且气嘴10充气流量大，配备美式充气头，充气的效率非常高。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种用于大型复杂曲面类叶片铣削加工装置，包括如上所述的柔性夹具。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种用于大型复杂曲面类叶片铣削的柔性夹具在装夹复杂曲面薄壁工件中的应用。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种用于大型复杂曲面类叶片铣削的柔性夹具的装夹方法，包括以下步骤：

将叶片底部固定夹持于下部夹持部，弹性夹持体柔性夹持住叶片上部侧壁；在铣削加工至临近弹性夹持体时，解除弹性夹持体对叶片的夹持力，上下移动机构带动柔性夹持部移动，预留出叶片的待加工区域供下一步铣削加工。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的操作过程详细说明本申请的技术方案。

利用本发明的柔性夹具在加工过程中的装夹的步骤过程为：

将大型叶片的底部(榫头上方的凸台)固定在下部夹持部2上。

分别旋转丝杠3上的上丝杠螺母6升至高于大型叶片的高度处。

分别旋转丝杠3上的下丝杠螺母4，连同套管结构5一齐升至大型叶片的顶端处。

将处于未充气状态的支承气囊8套在大型叶片顶端偏下的位置，支承气囊8的上方预留出待加工区域，调节下丝杠螺母4即调节套管结构5的高度，连接杆7的两端分别插入套管结构5的孔槽内，调节套管结构5的转角以及连接杆7在孔槽的位置，使连接杆7垂直于套管结构5的孔槽壁，然后在孔槽的两侧用两个螺母9将连接杆7固定。

然后将丝杠3上的上丝杠螺母6向下旋转至与套管结构5接触并与下丝杠螺母4配合夹紧套管结构5。

通过美式充气头与气嘴10的连接，利用气泵以及气压控制阀等设备为支承气囊8充气，使支承气囊8内气压达到15kPa，处正常工作状态。

随着加工的正常进行，当待加工区域快到支承气囊8附近时，需暂停机床加工，将支承气囊8内的气体抽出，然后松开固定连接杆7的螺母9，之后将丝杠3的下丝杠螺母4向下旋转，套管结构5连同连接杆7与支承气囊8一齐下移，继续预留出待加工区域。

重复以上步骤，直至加工完成。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。