一种航空复材异形件加工夹具

1.本发明涉及一种航空复材异形件加工夹具，涉及航空航天复合材料加工领域。


背景技术：

2.复合材料是由两种或两种以上不同性质，不同形态的原材料，通过复合工艺组合而成的一种材料，他既保持了原组分材料的主要特点，又具备了原组分材料所没有的新型的一种多相材料，具有优异的使用性能，目前被广泛地应用在航空航天，生物医疗，交通运输及军事用品中，在我国的各个领域都具有不可替代的战略地位。然而，在对复合材料的机械加工中，由于复合材料密度较小，切削过程中的切屑极易形成大量粉尘，虽然目前绝大部分数控加工中心采用封闭结构，具有防护功能，但在机床加工完毕或更换刀具时需要打开防护门，这时悬浮在空中的粉尘就会大量泄露到外界中，而在一些没有防护装置的老式车床的工作中，所产生的粉尘要直接排放在空气中。当产生的粉尘颗粒直径小于900μm时就可以长时间地悬浮在空气中，当粉尘颗粒半径小于90μm时就可被人体吸入，切屑粉尘一旦进入人体内部很难排出，严重影响操作者的身体健康的问题，当粉尘颗粒半径小于2.5μm时即pm2.5，就可以进入人体肺泡，甚至进入到人体血液循环中去，引发呼吸道疾病，降低心肺功能等，危害性更大，需要重点防范。同时，加工时的大量粉末状的切屑硬度大，一旦进入导轨、主轴等精密部件，将会在部件内部产生研磨，严重降低导轨、主轴等精密零件的精度，使得整个机床的精度受到影响。并且航空复合材料大多以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，但其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效，在目前行业内夹具在加持复合材料工件时很容易因压紧力过大导致工件出现裂纹，造成废件，其次，而且目前的夹具只能对平面进行夹紧，但在航空领域上的复合材料件都属于异形件，本身工件毛坯也为异形件，夹紧时由于异形件表面具有弧度等特征，也会使工件损坏。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种航空复材异形件加工夹具以解决复材切屑污染以及加工复材异形件造成的工件裂纹问题，为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
4.一种航空复材异形件加工夹具，所述夹具包括组合夹具工作台和固定于组合夹具工作台之上的自适应支撑柔性夹具组，可调定位支撑销和多点式夹紧机构；
5.所述自适应支撑柔性夹具组包括一个中央支撑柔性夹具和若干个四周支撑柔性夹具；所述中央支撑柔性夹具固定在组合夹具工作台的中央区域，中央支撑柔性夹具两侧对称设置若干四周支撑柔性夹具，在中央支撑柔性夹具和四周支撑柔性夹具形成的间隙间设置若干可调定位支撑销，四周支撑柔性夹具外侧对称设置多点式夹紧机构，其中，多点式夹紧机构的部分快速夹具组位于其附近的四周支撑柔性夹具的上方。
6.本发明所述的航空复材异形件加工夹具中，所述可调定位支撑销通过其上的孔和
螺栓与组合夹具工作台可拆卸连接；所述可调定位支撑销设置数目和尺寸与待加工工件上的孔相匹配。
7.本发明所述的航空复材异形件加工夹具中，支撑柔性夹具主要由顶针体组、上壳体、下壳体、弹簧组成，上、下壳体相配形成内腔结构，顶针体组部分露于上壳体之外，并可沿垂直方向滑动；顶针体组下端安装弹簧另有自锁结构，弹簧固定于下壳体中，顶针体滑动一段距离后，可通过自锁结构进行锁紧。
8.本发明所述的航空复材异形件加工夹具中，所述多点式夹紧机构由快速夹具组和支撑架组成，所述快速夹具为可锁死工件的夹具。
9.本发明所述的航空复材异形件加工夹具中，所述自适应支撑柔性夹具组包括一个中央支撑柔性夹具和四个四周支撑柔性夹具；所述中央支撑柔性夹具固定在组合夹具工作台的中央区域，中央支撑柔性夹具两侧对称设置四周支撑柔性夹具，在中央支撑柔性夹具和一侧四周支撑柔性夹具形成的间隙间设置两个可调定位支撑销，在中央支撑柔性夹具和一侧四周支撑柔性夹具形成的缝隙间设置一个可调定位支撑销。
10.进一步地，所述多点式夹紧机构由四个快速夹具组成的快速夹具组和支撑架组成，所述快速夹具组等间距固定在支撑架上，其中最外侧的两个快速夹具位于四周支撑柔性夹具中央上方。
11.本发明所述的航空复材异形件加工夹具中，所述组合夹具工作台上表面按网格开有t形槽，所述可调定位支撑销、中央支撑柔性夹具、四周支撑柔性夹具和多点式夹紧机构通过t形槽固定在组合夹具工作台上。
12.本发明所述的航空复材异形件加工夹具中，所述组合夹具工作台固定在废液收集底盘上；废液收集底盘上开有排液口，配有排液管；废液收集底盘上固定储废液槽；零点定位器安装在加工中心工作台上，废液收集底盘固定在零点定位器上。
13.本发明所述的航空复材异形件加工夹具中，可调定位支撑销由支撑壳体和定位销组成，可调定位支撑销外壳体分为可调定位支撑销上壳体与可调定位支撑销下壳体两部分组成，中间用螺栓组进行连接，可调定位支撑销下壳体底部特征为带螺栓孔的凸台(结构1)与u型螺纹槽(结构2)，u型螺纹槽(结构2)通过双头螺柱与组合夹具工作台连接起到确定可调定位支撑销位置作用，带螺栓孔的凸台(结构1)通过螺栓与组合夹具工作台连接，对u型螺纹槽(结构2)的定位起到补偿锁紧的作用。通过带螺栓孔的凸台(结构1)和u型螺纹槽(结构2)可以在工件定位夹紧后，可调定位支撑销可以从装置中拿出，防止干涉工件正常加工。同时，定位销为l型结构(l型结构短边定义为销把手)，其顶端部分带有长约为2mm的螺纹，定位销下方有相应规格的弹簧进行支撑，定位销可以在可调定位支撑销外壳体内上下自由滑动，并在定位销移动到最底端时，定位销的销把手结构可以和可调定位支撑销外壳体相切锁紧。
14.本发明的有益效果为：
15.1)本发明适用于加工中心，能够在不损伤复合材料异形件工件的前提下，对工件进行精准定位和装夹，提高加工效率，整体装置具有自适应特性，可以根据不同类型的航空复合材料工件设计不同类型的工装，整体装置使用和安装方便。
16.2)将复合材料切屑粉尘与切削液充分混合，将废液收集并排出。能够解决复材切屑污染机床问题并且保护机床操作人员身体健康。
17.本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
18.图1为本发明所述针对航空复材异形件加工夹具的整体装置俯视结构示意图；
19.图2为本发明所述针对航空复材异形件加工夹具的整体装置侧视结构示意图；
20.图3为本发明所述针对航空复材异形件加工夹具的拆卸储废液槽后装置后视结构示意图；
21.图4为本发明所述针对航空复材异形件加工夹具的拆卸储废液槽后装置侧视结构示意图；
22.图5为本发明实施例提供的针对航空复合材料异形件加工夹具长方体异形工件轴二测视结构示意图；
23.图6为本发明实施例提供的针对航空复合材料异形件加工夹具安装工件前侧视结构示意图；
24.图7为本发明实施例提供的航空复材异形件加工夹具安装工件前俯视结构示意图；
25.图8为本发明实施例提供的航空复材异形件加工夹具安装工件后侧视结构示意图；
26.图9为本发明提供的自适应支撑柔性夹具组中大柔性夹具无负载工况下俯视结构示意图；
27.图10为本发明提供的自适应支撑柔性夹具组中大柔性夹具无负载工况下侧视结构示意图；
28.图11为本发明提供的自适应支撑柔性夹具组中大柔性夹具最大负载工况下俯视结构示意图；
29.图12为本发明提供的自适应支撑柔性夹具组中大柔性夹具最大负载工况下侧视结构示意图；
30.图13为本发明提供的可调定位支撑销定位销正常功用时结构示意图；
31.图14为本发明提供的可调定位支撑销定位销压缩到最底端时结构示意图；
32.图中：废液收集工作盘1、自适应支撑柔性夹具组2、可调定位支撑销3、多点式夹紧机构4、四周支撑柔性夹具5、组合夹具工作台6、顶针体组7、中央支撑柔性夹具8、快速夹具组9、支撑架10、储废液槽11、排液管12、橡胶垫13、四周支撑柔性夹具壳体14、中央支撑柔性夹具壳体15、定位销16、可调定位支撑销外壳体17、废液收集底盘18、长方体异形工件19、柔性夹具自锁结构20、可调定位支撑销上壳体21、可调定位支撑销下壳体22。
具体实施方式
33.下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
34.下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
35.为了解决现有技术存在的问题，如图1所示，本发明提供了一种针对航空复合材料
异形件加工夹具，一种针对航空复合材料异形件加工夹具，其特征在于，包括以下部分：
36.所述废液收集工作盘1由废液收集底盘18和组合夹具工作台6组合而成，废液收集工作盘1在储废液槽11和废液收集底盘18连接部分垫有橡胶垫13。废液收集底盘18位于组合夹具工作台6下方，通过螺栓机械连接。见图1；废液收集底盘18上配有排液口与排液管12，当切屑粉尘与切削液混合后将通过排液口排出储存到装置外，方便进一步处理。废液收集底盘18下方通过四个气动拉钉与气动零点定位器连接。
37.自适应支撑柔性夹具组2由一个大的中央支撑柔性夹具8和四个小的四周支撑柔性夹具组成5，见图3；支撑柔性夹具(包括中央支撑柔性夹具8和四周支撑柔性夹具5)的顶针体组7下方有弹簧支撑，在无负载情况下可以在柔性夹具外壳体(包括中央柔性支撑夹具壳体15和四周支撑柔性夹具壳体14)内上下运动，当工件向下压到自适应支撑柔性夹具组2的顶针体组7时，顶针体组7呈受负载状态时，顶针体组7会拟合出异形件的曲面特征，进而通过外壳体的锁紧结构20对顶针体组7当前位置进行锁紧。图9-图12为自适应支撑柔性夹具组2中中央支撑柔性夹具8有无负载工况下的结构示意图；自适应支撑柔性夹具组2通过机械连接与组合夹具工作台6相连。
38.可调定位支撑销3由可调定位支撑销外壳体17和定位销16组成，可调定位支撑销外壳体17分为可调定位支撑销上壳体21与可调定位支撑销下壳体22两部分组成，中间用螺栓组进行连接，可调定位支撑销下壳体22底部特征为带螺栓孔的凸台(结构1)与u型螺纹槽(结构2)，u型螺纹槽(结构2)通过双头螺柱与组合夹具工作台6连接起到确定可调定位支撑销3位置作用，带螺栓孔的凸台(结构1)通过螺栓与组合夹具工作台6连接，对u型螺纹槽(结构2)的定位起到补偿锁紧的作用。通过带螺栓孔的凸台(结构1)和u型螺纹槽(结构2)可以在工件定位夹紧后，可调定位支撑销3可以从装置中拿出，防止干涉工件正常加工。同时，定位销16为l型结构(l型结构短边定义为销把手)，其顶端部分带有长约为2mm的螺纹，定位销16下方有相应规格的弹簧进行支撑，定位销16可以在可调定位支撑销外壳体17内上下自由滑动，并在定位销16移动到最底端时，定位销16的销把手可以和可调定位支撑销外壳体17相切锁紧。图13、14为可调定位支撑销定位销正常功用以及可调定位支撑销定位销压缩到最底端锁紧时结构示意图；
39.多点式夹紧机构4由快速夹具组9以及支撑架10构成，多点夹紧在保证不损伤的前提下，可以对异形件进行夹紧，支撑架上支撑架上配有一定规格螺栓孔组。支撑架与组合夹具工作台6采用机械连接。
40.实施例1
41.请参考图1～8，一种航空复材异形件加工夹具，包括废液收集工作盘1、自适应支撑柔性夹具组2、可调定位支撑销3、多点式夹紧机构4、四周支撑柔性夹具5、组合夹具工作台6、顶针体组7、中央支撑柔性夹具8、快速夹具组9、支撑架10、储废液槽11、排液管12、橡胶垫13、四周支撑柔性夹具壳体14、中央支撑柔性夹具壳体15、定位销16、可调定位支撑销外壳体17、废液收集底盘18、长方体异形工件19、柔性夹具自锁结构20、可调定位支撑销上壳体21、可调定位支撑销下壳体22。
42.本实施例以长方体异形工件19为例，所述航空复合材料异形件加工夹具使用包括以下步骤：
43.s1、根据长方体异形工件19尺寸在组合夹具工作台6上制定好各个基准尺寸、布
局，自适应地将自适应支撑柔性夹具组2、可调定位支撑销3以及多点式夹紧机构4放置在组合夹具工作台6相应位置
44.s2、将自适应支撑柔性夹具组2(包括中央支撑柔性夹具8和四周支撑柔性夹具组成5)外壳体上的柔性夹具自锁结构20放松，使顶针体组7可以在柔性夹具外壳体(包括中央柔性支撑夹具壳体15和四周支撑柔性夹具壳体14)内自由上下滑动。多点式夹紧机构4上的快速夹具组9打开，防止与放置工件发生干涉。见图6、图7所示；
45.s3、将工件放置在本装置上，使长方体异形工件19三个定位孔与可调定位支撑销3的定位销16结构相配合，本身定位销16的顶端部分带有长约为2mm的螺纹，在工件与定位销16配合后，用一定规格的螺母与定位销16顶部螺纹进行配合，对工件施加第一次轻微的压紧力，此时自适应支撑柔性夹具组2的顶针体组7应有第一次轻微压缩。
46.s4、通过多点式夹紧机构4的快速夹具组9重新闭合，多点压紧工件。此时自适应支撑柔性夹具组2的顶针体组7已有明显的压缩变形，且该压缩变形的整体形状为长方体异形工件19平面形状，下一步将自适应支撑柔性夹具组2外壳体的柔性夹具自锁结构20锁紧，顶针体组7不再压缩并具有一定的刚性，对工件进行支撑。见图8所示；
47.s5、若刀具加工到可调定位支撑销3的定位销16位置时，若有干涉问题，可以将可调定位支撑销下壳体22连接在螺栓孔的凸台(结构1)的定位螺栓卸掉，再扳动定位销16扳动销把手使定位销向下压缩到图14位置，即可将可调定位支撑销3从长方体异形工件19的下方拿出。
48.工作原理：使用该航空复材异形件加工夹具时，首先根据图1～8、13、14，该夹具下部为四头零点定位器，四头零点定位器与废液收集底盘18底部使用螺钉进行配合，四头零点定位器可保证整个装置在工作台上拆装方便，在加工中心加工航空复合材料工件时，复合材料切削为粉尘，通过喷嘴喷出的冷却液与粉尘混合，加工后的废液可利用废液收集底盘18进行收集，废液从收集盘的排液管12排出。在加工中心装夹工件时，所述可调定位支撑销3设置的数目和尺寸与待加工工件上的定位孔数量相匹配。使用所述可调定位支撑销3的定位销16头进行加工定位，定位销16顶端部分带有长约为2mm的螺纹，工件定位完成后，拧紧螺帽使工件均匀地压在自适应支撑柔性夹具组2上，待位置调整好后，再利用自适应支撑柔性夹具2自带的锁紧结构锁紧顶针体组7，使其支撑住工件，其次，用多点式夹紧机构4对工件进行压紧，待加工到压紧位置时需抬起该点的快速夹具组9，在加工定位孔时，需将可调定位支撑销3定位销16手动掰到锁紧位置，即可加工定位孔。可调定位支撑销3底部特征为u型螺纹槽(结构2)以及带螺栓孔的凸台(结构1)，如发生干涉问题可将带螺栓孔的凸台(结构1)的定位螺栓卸除，将可调支撑定位销3从工件下方抽出。
49.本发明将复合材料切屑粉尘与切削液充分混合，将废液收集并排出，能够解决复材切屑污染机床问题并且保护机床操作人员身体健康。并且在不损伤复合材料异形件工件的前提下，对工件进行精准定位和装夹，提高加工效率，整体装置具有自适应特性，可以根据不同类型的航空复合材料工件设计不同类型的工装，使用和安装方便。
50.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种航空复材异形件加工夹具，其特征在于：所述夹具包括组合夹具工作台(6)和固定于组合夹具工作台(6)之上的自适应支撑柔性夹具组(2)，可调定位支撑销(3)和多点式夹紧机构(4)；所述自适应支撑柔性夹具组(2)包括一个中央支撑柔性夹具(8)和若干个四周支撑柔性夹具(5)；所述中央支撑柔性夹具(8)固定在组合夹具工作台(6)的中央区域，中央支撑柔性夹具(8)两侧对称设置若干四周支撑柔性夹具(5)，在中央支撑柔性夹具(8)和四周支撑柔性夹具(5)形成的间隙间设置若干可调定位支撑销(3)，四周支撑柔性夹具(5)外侧对称设置多点式夹紧机构(4)，其中，多点式夹紧机构(4)的部分快速夹具组(9)位于其附近的四周支撑柔性夹具(5)的上方。2.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于：所述可调定位支撑销(3)通过其上的孔和螺栓与组合夹具工作台(6)可拆卸连接；所述可调定位支撑销(3)设置数目和尺寸与待加工工件上的孔相匹配。3.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于：支撑柔性夹具主要由顶针体组(7)、上壳体、下壳体、弹簧组成，上、下壳体相配形成内腔结构，顶针体组(7)部分露于上壳体之外，并可沿垂直方向滑动；顶针体组(7)下端安装弹簧另有自锁结构，弹簧固定于下壳体中，顶针体滑动一段距离后，可通过自锁结构进行锁紧。4.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于：所述多点式夹紧机构(4)由多个快速夹具组(9)和支撑架(10)组成，所述快速夹具(1)为可锁死工件的夹具。5.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于：所述自适应支撑柔性夹具组(2)包括一个中央支撑柔性夹具(7)和四个四周支撑柔性夹具(5)；所述中央支撑柔性夹具(7)固定在组合夹具工作台(6)的中央区域，中央支撑柔性夹具(7)两侧对称设置四周支撑柔性夹具(5)，在中央支撑柔性夹具(8)和一侧四周支撑柔性夹具(5)形成的间隙间设置两个可调定位支撑销(3)，在中央支撑柔性夹具(8)和另一侧四周支撑柔性夹具(5)形成的缝隙间设置一个可调定位支撑销(3)。6.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于：所述多点式夹紧机构(4)由四个快速夹具组成的快速夹具组(9)和支撑架(10)组成，所述快速夹具(9)等间距固定在支撑架(2)上，其中最外侧的两个快速夹具(9)位于四周支撑柔性夹具(5)中央上方。7.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于：所述组合夹具工作台(6)上表面按网格开有t形槽，所述可调定位支撑销(3)、中央支撑柔性夹具(8)、四周支撑柔性夹具(5)和多点式夹紧机构(4)通过t形槽固定在组合夹具工作台(6)上。8.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于：所述组合夹具工作台(6)固定在废液收集底盘(18)上；废液收集底盘(18)上开有排液口，配有排液管(12)；废液收集底盘(18)上固定有储液槽(11)；零点定位器安装在加工中心工作台上，废液收集底盘(18)固定在零点定位器上。9.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于：所述可调定位支撑销(3)由定位支撑销外壳体(17)和定位销(16)组成，可调定位支撑销外壳体(17)分为可调定位支撑销上壳体(21)与可调定位支撑销下壳体(22)，并用螺栓组进行连接；可调定位支撑销下壳体(22)底部为带螺栓孔的凸台与u型螺纹槽，u型螺纹槽通过双头螺柱与组合夹具工作台连接并起到确定可调定位支撑销(3)位置作用；带螺栓孔的凸台通过定位螺栓与组合夹具工作台(6)连接，
对u型螺纹槽的定位起到补偿锁紧的作用；定位销为l型结构，定位销(16)下方有相应规格的弹簧进行支撑，定位销(16)可以在可调定位支撑销外壳体(17)内上下自由滑动，并在定位销(16)滑动到最底端时，定位销(16)可以和可调定位支撑销外壳体(17)相切锁紧。

技术总结
本发明涉及一种航空复材异形件加工夹具，涉及航空航天复合材料加工领域。一种航空复材异形件加工夹具，所述夹具包括组合夹具工作台和固定于组合夹具工作台之上的自适应支撑柔性夹具组，可调定位支撑销和多点式夹紧机构；所述自适应支撑柔性夹具组包括一个中央支撑柔性夹具和若干个四周支撑柔性夹具；在中央支撑柔性夹具和四周支撑柔性夹具形成的间隙间设置若干可调定位支撑销，四周支撑柔性夹具外侧对称设置多点式夹紧机构。本发明能够在不损伤复合材料异形件工件的前提下，对工件进行精准定位和装夹，提高加工效率，整体装置具有自适应特性，可以根据不同类型的航空复合材料工件设计不同类型的工装，整体装置使用和安装方便。便。便。


技术研发人员：王奔 唐家杰 吴志新 蒋宝文 昂给拉玛
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/9/7