用于复杂薄壁叶片类零件加工振动控制的专用柔性夹具的制作方法

本发明属于机械加工复杂薄壁类零件技术领域，具体涉及一种用于复杂薄壁叶片类零件加工振动控制的专用柔性夹具。

背景技术：

航空发动机是精密、复杂的高端装备，其零部件在高温、高压、高转速等恶劣环境下工作，为满足其高使用性能、高可靠等性能要求性，需对航空发动机零件进行高精密加工。在航空工业中，应用大量具有复杂自由曲面的薄壁零件，达到实现减重、结构紧凑、整体性能优异特性等目标。但薄壁零件具有结构复杂、刚性差等特点，同时夹具在应用过程中存在非均匀夹紧力、装夹残余应力等，加工中极易产生加工振动和变形等问题，这一直限制着航空工业高品质发展的主要因素。因此，为了提高薄壁零件加工质量和加工效率，需要克服材料强度高、结构壁厚薄、时变特性强、装夹布局方式复杂等带来的问题，实现薄壁零件加工过程中的变形和振动得以有效稳定控制，这一点是目前加工过程的难点，也是科学界研究的重点。

针对这一问题，提出了一种满足具有自由曲面的薄壁零件加工需要的振动与变形控制的柔性夹具及夹持方法，其利用浮动杆对工件进行浮动支撑，采用点阵形式布局，在弹簧的预紧力下能保证薄壁件一直与真空吸盘装置接触，在然后利用涨紧套将辅助支撑杆与支撑底座锁紧固定。通过增加多点柔性支撑，提高了工件刚度，有效降低工件振动变形，详见[江苏科技大学方喜峰.一种曲面薄壁件加工防变形柔性夹具及其夹持方法:中国,cn109318013a.2019-02-12]。

如图5所示，该专利结构主要包括如下：夹具体、真空吸盘加紧装置32、定位模板27和液压锁紧装置28。其中，夹具体包括框架支撑杆19、底板30、工作台板31、浮动杆29和压缩弹簧4；当薄壁零件装夹时，先将夹具固定在机床工作台上，通过有限元法分析待加工的薄壁零件特性，并计算出两个定位孔之间的距离，从而能快速确定工作台板上的孔位坐标，装上定位柱。接着将支撑杆19按照点阵形式布局装入到工作台板31与底板30的孔位中，在支撑杆19与底板30接触部位装上一个弹簧4，提供一个预紧力保证支撑杆与工件能始终保持接触，在支撑杆顶端装上一个真空吸盘32，在预紧力作用下能与工件表面自适应贴合，启动真空泵抽出空气对其薄壁件进行夹紧，增强了薄壁件的刚度，从而使得在加工过程中减少了振动变形。

该专利所提出的薄壁件柔性夹具对大多薄壁件均能进行装夹，同时通过有限元软件分析，减少了人工装夹，提高了生产效率；采用多个支撑杆与真空吸盘装置对薄壁件进行柔性支撑，大大增强了薄壁件的工艺刚度，减少了加工过程中振动变形。但是该装置对外输出阻尼为固定值，当对薄壁件进行加工时，随着材料去除，工件几何结构与质量都在发生变化，这将导致所选定的初始切削参数就不能使得切削过程稳定进行，必须通过装夹方式、辅助支撑来提高加工稳定性，但是文献所提方法不具有可调的特点，无法补偿因材料去除而引起的切削系统动力学特性的时空变化，无法避免加工系统发生颤振等失稳现象。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中存在的不足之处，提供一种用于复杂薄壁叶片类零件加工振动控制的专用柔性夹具，该夹具采用一种凸台式夹具本体结构对叶片两端进行装夹，而叶片叶身部位采用挤压式磁流变阻尼器支撑，通过增加基座与可调支撑杆使得磁流变阻尼器点状分布在叶片刚性薄弱部位，同时调节支撑杆高度使磁流变阻尼器所组成的型面与叶片下表面型面吻合，并且不能产生预应力。当加工系统动力学特性发生改变时，在不改变夹具初始构型情况下只须调控磁流变阻尼器中电流大小来增大输出阻尼，从而增大系统工艺刚度，减小叶片加工过程产生的振动和变形，延长叶片稳定加工过程，。相对于传统方法，该方法不仅结构简单、成本低，提高了生产效率，还抑制了加工过程产生的振动，保证叶片零件加工质量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用于复杂薄壁叶片类零件加工振动控制的专用柔性夹具，包括底板，底板上自左向右依次设置有双压板联动机构、辅助支撑机构和多点顶针夹紧机构，辅助支撑机构设置有若干个，每个辅助支撑机构均高度可调。

双压板联动机构包括平衡板和左门字型底座，左门字型底座下端固定设在底板上表面，左门字型底座的左右侧敞口，左门字型底座上表面中部设置有支撑块，左门字型底座顶部的前侧和后侧分别设置有一套手动压紧装置，平衡板水平设置在左门字型底座内部，左门字型底座的内壁顶部设有向下凸出的固定式定位销，固定式定位销的中心线与支撑块沿垂直方向的中心线重合，平衡板上表面沿前后方向的中点处与固定式定位销下端接触，两套手动压紧装置下端分别与平衡板前后两端铰接。

两套手动压紧装置结构相同且关于固定式定位销中心线前后对称布置；

前侧的一套手动压紧装置包括压板、支杆、螺杆和弹簧，支杆和螺杆均垂直设置，左门字型底座上开设有螺纹盲孔和上下通透的下光孔，下光孔位于螺纹盲孔和支撑块之间，支杆下部螺纹连接在螺纹盲孔内，支杆上端与压板前侧下部铰接，压板上开设有与下光孔上下对应的上光孔，上光孔内径大于下光孔内径，下光孔内径大于螺杆外径，螺杆垂直穿设在上光孔和下光孔内，螺杆下端与平衡板左侧部铰接，螺杆上端螺纹连接有与压板上表面压接配合压紧螺母，弹簧套设在螺杆上，弹簧上端和下端分别与压板下表面和左门字型底座上表面顶压配合，压板后端部位于支撑块前侧边上方。

每个辅助支撑机构均包括内螺纹套管、支撑柱、挤压式磁流变阻尼器和位移传感器，底板上水平设有基座，内螺纹套管和支撑柱均垂直设置，内螺纹套管下端固定设在基座上，支撑柱下部伸入并螺纹连接在内螺纹套管内，支撑柱上端面开设有顶部敞口的球头窝，球头窝内转动设有球头，球头大部分位于球头窝内，支撑柱上端外部螺纹连接用于限定球头保持在球头窝内的限位盖，限位盖中部开设有穿过球头的圆孔，圆孔直径小于球头直径，球头上端面为平面结构，球头上端面通过双头螺柱与挤压式磁流变阻尼器底部连接为一体，位移传感器设置在挤压式磁流变阻尼器顶部。

多点顶针夹紧机构包括固定设在底板上表面的右门字型底座，右门字型底座的左右侧敞口，右门字型底座上表面沿前后方向通过燕尾导轨结构滑动连接有滑座，滑座上螺纹连接用于固定滑座位置的定位螺栓，滑座上表面前后间隔设有两块立板，两块立板之间形成左右通透且顶部敞口的夹持空间，每块立板上均螺纹连接有若干条顶针螺栓，每条顶针螺栓均沿前后方向水平设置，每条顶针螺栓的一端均伸入到夹持空间内。

支撑块上表面设置有用于定位薄壁叶片类零件的可换式定位销和菱形定位销。

采用上述技术方案，在叶片类薄壁零件加工时，将底板通过连接螺栓固定在加工机床上，采用有限元法分析薄壁零件刚性弱的区域，即容易发生振动变形的部位，将辅助支撑机构布置在易变形区域，支撑机构布置数量需要根据加工需要确定。

然后在薄壁叶片类零件橼头装夹处进行找平，钻出两个小工艺孔与可换式定位销和菱形定位销配合视作定位基准，放置到水平设置的支撑块上表面，两个小工艺孔对应与换式定位销和菱形定位销配合，保证叶片类零件在夹具中有确定的位置，同时采用双压板联动机构夹紧叶片类薄壁零件的左侧。双压板联动机构具体操作过程为：使用扳手同时拧动前后两侧的压紧螺母，压紧螺母压紧压板，压板另一端以与支杆铰接点为支点向下压紧叶片类薄壁零件，由于前后两侧的螺杆同时向上拉动平衡板，这样可以使得叶片类薄壁零件受到的夹紧力均匀，减少应力集中。

对于叶片类薄壁零件右侧的榫头部位由于其外形为自由曲面结构，难于对其进行装夹。为此设计了模块化多点顶针夹紧机构，叶片类薄壁零件右侧伸入到夹持空间内，两端各分布两个相同顶针加紧机构。该顶针螺栓伸入到夹持空间内的一端为圆头形触点，顶针螺栓螺纹连接在立板上。通过调整多个顶针螺栓之间的轴向移动量，有效地夹紧叶片类薄壁零件右侧的自由曲面。同时，滑座底部与右门字型底座之间通过燕尾导轨结构滑动连接，滑座可以在右门字型底座上进行前后移动，调整好位置后再通过定位螺栓将滑座进行定位夹紧。叶片类薄壁零件两端进行定位夹紧后，其中间部位必须添加辅助支撑，否则加工过程中容易产生加工振动。本发明在叶片类薄壁零件中部下方设置若干个辅助支撑机构，每个辅助支撑机构均可单独调节高度来支撑叶片类薄壁零件的底面，从而增强叶片类薄壁零件动态工艺系统刚度，提高切削系统稳定性，抑制叶片类薄壁零件在加工过程中所产生的加工振动和变形。

辅助支撑机构中的挤压式磁流变阻尼器为专利申请号为zl201710371312.7所公开的技术，通过旋转支撑杆来调整支撑高度，限位盖中间为空心，可以使得球头露出与挤压式磁流变阻尼器连接，同时又限制了球头的自由度。该辅助支撑机构不仅在垂直方向上能进行高度调整。此外，球头还可以进行旋转，从而调整挤压式磁流变阻尼器与叶片类薄壁零件所接触部位曲面法向矢量之间的夹角，减少因两者不重合而产生的装夹变形。

挤压式磁流变阻尼器下端通过双头螺柱与支撑杆上端的球头相连接，随球头转动而转动。同时，在挤压式磁流变阻尼器与叶片类薄壁零件之间添加位移传感器，其与薄壁零件相接触，用于测量叶片零件在加工过程中由于振动和切削力而产生的位移偏差，根据位移量的变化，反向计算需要调节磁流变阻尼器控制电流的大小，以改变磁流变阻尼器输出阻尼大小。

当对叶片类薄壁零件进行加工时，随着叶片类薄壁零件自身材料的去除、刀具磨损等因素，切削系统的刚度会逐渐变小，继续对叶片类薄壁零件加工时会产生切削振动。此时，可通过位移传感器感知工件加工时的位移偏移矢量，其值大小与振动状态程度成正比。若工艺系统振动量超过设定的阈值，即需要调控挤压式磁流变阻尼器控制电流，改变挤压式磁流变阻尼器的对外输出的刚度和阻尼特性，弥补了因叶片类薄壁零件材料去除而损耗的系统动态特性，最终达到切削系统系统新的动态平衡。

采用多点顶针夹紧机构，解决了具有自由曲面薄壁零件难装夹的问题；在定位、装夹基础上采用具有可控性能的磁流变材料，采用切削加工的小位移敏感、输出阻尼高、高频响应性能好的磁流变可控阻尼支撑件，以增加系统工艺刚度和阻尼特性，从而提高工件加工精度；当加工另一尺寸的类似零件时，在不改变初始夹具构型条件下，通过调节多点顶针夹紧机构中前后两侧的顶针螺栓之间距离，更换不同尺寸的挤压式磁流变阻尼器就能满足工件装夹。

其中，本发明结构装置与背景技术中述及的cn109318013a专利文献的主要区别是：定位方式不同，叶片类薄壁零件为自由曲面结构，两端并不平行，采用在叶片类薄壁零件叶尖夹持部位钻两个定位孔，并且通过两个定位销对其进行定位的方法；夹紧方式不同，对叶片类薄壁零件进行定位后在叶尖部位利用双压板联动机构对其夹紧，考虑到另一侧弯曲程度较大，难以进行装夹，采用双顶针螺栓的方法对其夹紧，通过调整顶针螺栓之间的位置可以轻松的装夹任意的自由曲面薄壁零件；铣削薄壁零件时，振动幅值小，频率高，而所采用的挤压式磁流变阻尼器其行程小，输出阻尼大，结构简单紧凑，其可根据叶片薄壁零件加工过程中系统动态特性的变化而自适应调控自身对外输出的刚度和阻尼特性，从而抑制加工中存在的振动；挤压式磁流变阻尼器与叶片类薄壁零件之间的位移传感器可以实时监测切削加工状态，实现系统动态感知与实时调控的目标。

综上所述，本发明带来的有益效果是：叶片薄壁零件在之前利用有限元法对其几何结构进行分析，计算出易于振动的部位，得出优化后的支撑杆多点阵布局图；随后将可调支撑杆插入到优化后的布局图中的孔系中，调整支撑杆与内螺纹套管之间伸出长度，用双头螺柱将自制磁流变阻尼器与球头连接，使得磁流变阻尼器不仅能在垂直方向上进行移动，还可以在空间上绕着球心进行旋转；使用双压板联动夹紧机构和双多点顶针夹紧机构不仅能够有效的对薄壁零件进行夹紧，还能有效的应用与多种自由曲面结构薄壁零件，解决了薄壁零件难装夹的问题；在磁流变阻尼器支撑杆与薄壁零件之间增加位移传感器，使得薄壁零件切削状态的实时感知能力，并当系统振动位移超过一定阈值时，可以及时调控磁流变阻尼器；当对叶片类薄壁零件进行铣削时，随着叶片类薄壁零件自身材料的去除、刀具磨损等因素，使得加工系统表现出时变的特性，采用挤压式磁流变阻尼器可以有效的补偿因去除材料而引起的切削系统动力学特性的时空变化，通过调整挤压式磁流变阻尼器中励磁线圈里的电流大小来使得磁场强度的大小发生变化，导致磁流变液固化程度也随之变化，从而使得输出阻尼力增大来补偿因材料去除而减小的系统刚度，最终达到抑制叶片类薄壁零件加工振动的目的。

附图说明

图1为本发明装置结构主视图；

图2为本发明装置结构俯视图；

图3为图1中a-a处剖视图；

图4为图2中b-b处剖视图；

图5为现有技术中一种曲面薄壁件加工防变形柔性夹具及其夹持方法的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实例说明本发明的实施方式，熟悉此技术技术人员可由本说明书所描述的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”及“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图4所示，本发明的一种用于复杂薄壁叶片类零件加工振动控制的专用柔性夹具，包括底板1，底板1上自左向右依次设置有双压板联动机构、辅助支撑机构和多点顶针夹紧机构，辅助支撑机构设置有若干个，每个辅助支撑机构均高度可调。

双压板联动机构包括平衡板2和左门字型底座3，左门字型底座3下端固定设在底板1上表面，左门字型底座3的左右侧敞口，左门字型底座3上表面中部设置有支撑块4，左门字型底座3顶部的前侧和后侧分别设置有一套手动压紧装置，平衡板2水平设置在左门字型底座3内部，左门字型底座3的内壁顶部设有向下凸出的固定式定位销5，固定式定位销5的中心线与支撑块4沿垂直方向的中心线重合，平衡板2上表面沿前后方向的中点处与固定式定位销5下端接触，两套手动压紧装置的下端分别与平衡板2的前后两端铰接。

两套手动压紧装置的结构相同且关于固定式定位销5的中心线前后对称布置；

前侧的一套手动压紧装置包括压板6、支杆7、螺杆8和弹簧9，支杆7和螺杆8均垂直设置，左门字型底座3上开设有螺纹盲孔和上下通透的下光孔，下光孔位于螺纹盲孔和支撑块4之间，支杆7下部螺纹连接在螺纹盲孔内，支杆7上端与压板6前侧下部铰接，压板6上开设有与下光孔上下对应的上光孔，上光孔的内径大于下光孔的内径，下光孔的内径大于螺杆8的外径，螺杆8垂直穿设在上光孔和下光孔内，螺杆8下端与平衡板2左侧部铰接，螺杆8上端螺纹连接有与压板6上表面压接配合的压紧螺母10，弹簧9套设在螺杆8上，弹簧9上端和下端分别与压板6下表面和左门字型底座3上表面顶压配合，压板6的后端部位于支撑块4前侧边上方。

每个辅助支撑机构均包括内螺纹套管11、支撑柱12、挤压式磁流变阻尼器13和位移传感器14，底板1上水平设有基座15，内螺纹套管11和支撑柱12均垂直设置，内螺纹套管11下端固定设在基座15上，支撑柱12下部伸入并螺纹连接在内螺纹套管11内，支撑柱12上端面开设有顶部敞口的球头窝，球头窝内转动设有球头16，球头16的大部分位于球头窝内，支撑柱12上端外部螺纹连接有用于限定球头16保持在球头窝内的限位盖17，限位盖17中部开设有穿过球头16的圆孔，圆孔的直径小于球头16的直径，球头16上端面为平面结构，球头16上端面通过双头螺柱18与挤压式磁流变阻尼器13的底部连接为一体，位移传感器14设置在挤压式磁流变阻尼器13的顶部。

多点顶针夹紧机构包括固定设在底板1上表面的右门字型底座19，右门字型底座19的左右侧敞口，右门字型底座19的上表面沿前后方向通过燕尾导轨结构20滑动连接有滑座21，滑座21上螺纹连接有用于固定滑座21位置的定位螺栓22，滑座21上表面前后间隔设有两块立板23，两块立板23之间形成左右通透且顶部敞口的夹持空间24，每块立板23上均螺纹连接有若干条顶针螺栓25，每条顶针螺栓25均沿前后方向水平设置，每条顶针螺栓25的一端均伸入到夹持空间24内。

支撑块4上表面设置有用于定位薄壁叶片零件的可换式定位销26和菱形定位销27。

本发明的具体工作过程及原理为：在叶片类薄壁零件29加工时，将底板1通过连接螺栓28设置在加工机床上，用计算机分析薄壁工件的结构形状，得出薄壁零件容易发生振动变形的部位，将辅助支撑机构分布并支撑在在这些易变形区域。

然后在叶片类薄壁零件29的叶尖装夹处进行找平，钻出两个小孔与可换式定位销26和菱形定位销27配合当定位基准，放置到水平设置的支撑块4上表面，两个小孔对应与换式定位销和菱形定位销27配合，使叶片类薄壁零件29在空间有正确的定位，同时采用双压板6联动机构夹紧叶片类薄壁零件29的左侧。双压板6联动机构的具体操作过程为：使用扳手同时拧动前后两侧的压紧螺母10，压紧螺母10压紧压板6，压板6另一端以与支杆7铰接点为支点向下压紧叶片类薄壁零件29，由于前后两侧的螺杆8同时向上拉动平衡板2，这样可以使得叶片类薄壁零件29受到的夹紧力均匀，减少应力集中。

对于叶片类薄壁零件29右侧的榫头部位由于其外形为自由曲面结构，难于对其进行装夹，为此设计了模块化多点顶针夹紧机构，叶片类薄壁零件29的右侧伸入到夹持空间24内，两端各分布两个相同的顶针加紧机构，该顶针螺栓25伸入到夹持空间24内的一端为圆头形触点，顶针螺栓25螺纹连接在立板23上。通过调整多个顶针螺栓25之间的轴向移动量，能够有效地夹紧叶片类薄壁零件29右侧的自由曲面。同时滑座21底部与右门字型底座19之间通过燕尾导轨结构20滑动连接，滑座21可以在右门字型底座19上进行前后移动，调整好位置后再通过定位螺栓22将滑座21进行定位夹紧。叶片类薄壁零件29两端进行定位夹紧后，其中间部位必须加一个辅助支撑，否则会产生弯曲变形。本发明在叶片类薄壁零件29中部下方设置若干个辅助支撑机构，每个辅助支撑机构均可单独调节高度来支撑叶片类薄壁零件29的底面，从而增强叶片类薄壁零件29动态工艺系统刚度，提高切削系统稳定性，抑制叶片类薄壁零件29再加工过程中因振动产生的弯曲变形。

辅助支撑机构中的挤压式磁流变阻尼器13为专利申请号为zl201710371312.7所公开的技术，通过旋转支撑柱12来调整支撑高度，限位盖17中间为空心，可以使得球头16露出与挤压式磁流变阻尼器13连接，同时又限制了球头16的自由度。该辅助支撑机构不仅在垂直方向上能进行高度调整，此外，球头16还可以进行旋转，从而调整挤压式磁流变阻尼器13与叶片类薄壁零件29所接触部位曲面法向矢量之间的夹角，减少因两者不重合而产生的装夹变形。

挤压式磁流变阻尼器13下端通过双头螺柱18与支撑柱12上端的球头16相连接，随球头16转动而转动，同时在挤压式磁流变阻尼器13与叶片类薄壁零件29之间添加一位移传感器14，与薄壁零件相接触，用于测量叶片零件在加工过程中由于振动和切削力而产生的位移偏差，根据位移量的变化来调节电流的大小改变磁流变液的固化程度，从而改变对外输出阻尼。

当对叶片类薄壁零件29进行加工时，随着叶片类薄壁零件29自身材料的去除、刀具磨损等因素，切削系统的刚度会逐渐变小，继续对叶片类薄壁零件29加工时会产生切削振动，通过位移传感器14可以知道工件的位移偏移矢量，其值大小与振动状态程度成正比，参考位移矢量增大挤压式磁流变阻尼器13中励磁线圈中的电流的大小，使得磁流变液的固化程度增加，从而使得挤压式磁流变阻尼器13的对外输出阻尼增大，弥补了因叶片类薄壁零件29材料去除而减小的系统刚度，最终达到切削系统的动态平衡。

采用多点顶针夹紧机构，解决了自由曲面薄壁零件难装夹难的问题；在定位、装夹基础上采用切削加工的小位移敏感、输出阻尼高、高频响应性能好的磁流变可控阻尼支撑件，以增强加工工艺刚度，提高工件的加工精度；当加工另一尺寸的类似零件时，在不改变原先夹具的布局条件下，通过调节多点顶针夹紧机构中前后两侧的顶针螺栓25之间的距离，更换不同尺寸的挤压式磁流变阻尼器13就能满足现工件的装夹。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。