本发明专利技术公开了一种基于相变材料的无应力夹具系统，包括无应力装夹模块、固定基准模块和固定底板；无应力装夹模块安装在固定底板上，其包括夹具外壳、相变材料、连接组件、控温装置及测温装置，相变材料设置在夹具外壳内，控温装置、测温装置经设置以控制、测量相变材料的温度，连接组件的一部分与工件相连，另一部分置于相变材料中；通过测量并控制相变材料的温度，控制相变材料在固态和液态之间相变，从而使连接组件解锁或锁紧；固定基准模块安装在固定底板上，固定基准模块用于固定住工件，并确定整个加工过程的加工基准；本发明专利技术在无应力装夹模块解锁后能够释放工件内部残余应力产生的弯扭变形，锁紧无应力装夹模块后，不引入新的装夹变形。入新的装夹变形。入新的装夹变形。
【技术实现步骤摘要】
一种基于相变材料的无应力夹具系统及加工方法
[0001]本专利技术涉及加工技术，特别是涉及一种基于相变材料的无应力夹具系统及加工方法。
技术介绍
[0002]在航空航天领域，薄壁件的加工一直都是重要的研究内容，为了保证经济性和强度，大部分的零件都是采用高强度的7系铝合金制造，为了保证重量轻，很多结构件的壁厚都非常薄，最薄的结构件壁厚甚至在1.2mm左右。铝合金的毛坯大都是预拉伸板或者模锻件，其内部的残余应力分布不均，在加工的过程中由于材料的大量去除，毛坯内部的残余应力会重新分配，同时由于工件刚度在加工过程中的逐渐变弱，工件会产生严重的弯扭复合变形，导致在实际生产中加工出来的零件不符合标准，需要送去钳工进行人工修复，更有甚者直接报废。
[0003]实际加工中，大多都是采用压板或者真空吸盘进行装夹，通过在毛坯两端均匀去量，将零件的加工位置放在应力水平较小的中间位置，保证其变形在允许范围之内，这种方法费时费力而且受材料种类和批次的影响较大，无法满足实际生产。与此同时，当工件壁厚加工到一定尺寸，整个工件的刚度变得非常小，压板或者真空吸盘地再装夹会引入新的装夹应力，导致工件的二次变形，因此柔性装夹技术就非常重要，这种技术既可以实现工序间的应力释放，又可以在后续的工序中无应力装夹，可以大大提高了加工精度。
[0004]目前，也有一些柔性装夹技术，采用气动或者电机等作为动力源实现柔性装夹，但是气动的装置对气密性要求较高，而且气动的夹持力受到气压的影响较大，存在一定的局限性；电机驱动的柔性装夹装置，对控制精度要求较高，无法精准地实现随动，很可能在再装夹的过程中引入装夹应力，也存在一定的弊端。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于解决现有的柔性装夹技术的上述问题，提供一种基于相变材料的无应力夹具系统及加工方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种基于相变材料的无应力夹具系统，包括无应力装夹模块、固定基准模块和固定底板；所述无应力装夹模块安装在所述固定底板上，所述无应力装夹模块包括夹具外壳、相变材料、连接组件、控温装置及测温装置，所述相变材料设置在所述夹具外壳内，所述控温装置经设置以控制所述相变材料的温度，所述测温装置经设置以测量所述相变材料的温度，所述连接组件的一部分用于与工件相连，另一部分置于所述相变材料中；其中，通过测量并控制所述相变材料的温度，控制所述相变材料在固态和液态之间相变，从而使所述连接组件解锁或锁紧；所述固定基准模块安装在所述固定底板上，所述固定基准模块用于在所述无应力装夹模块解锁或锁紧时均固定住所述工件，并确定整个加工过程的加工基准。
[0008]在本专利技术的一些实施例中，所述连接组件包括连接轴、鱼眼轴承、定位件和端盖，
所述连接轴穿过所述鱼眼轴承伸入所述相变材料，所述端盖固定在所述夹具外壳的上方，用于将所述鱼眼轴承的外圈压在所述夹具外壳上，所述定位件的一端固定在所述端盖上，所述定位件的另一端卡在所述连接轴上端的凹槽中，用于标定所述无应力装夹模块的零位状态。
[0009]在本专利技术的一些实施例中，所述连接轴伸入所述相变材料内的一端设置有用于防止连接轴从相变材料中脱出的凸台，优选地，所述连接轴的上端通过螺纹连接并紧固所述工件。
[0010]在本专利技术的一些实施例中，在解锁状态下，所述连接轴借助所述鱼眼轴承实现四个自由度，包括Z方向的平移和旋转自由度，以及沿X和Y方向的旋转自由度。
[0011]在本专利技术的一些实施例中，所述控温装置包括呈螺旋状绕制在所述相变材料内的水管，所述水管在所述夹具外壳上具有进出水口，通过水循环改变所述相变材料的温度；所述测温装置包括呈螺旋状盘绕在所述连接轴的表面的测温元件。
[0012]在本专利技术的一些实施例中，所述固定基准模块一体成型，所述固定基准模块的上端具有与工件边部的工艺凸台的下底面相接触的结合面，所述固定基准模块的下端具有固定槽。
[0013]在本专利技术的一些实施例中，3个所述固定基准模块固定在所述工件的中间连接位置，3个固定点确定一个平面，多个所述无应力装夹模块分布在所述工件的边角位置。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，所述固定底板上设有挡边凹槽和非挡边凹槽，所述挡边凹槽用于所述无应力装夹模块以及所述固定基准模块的固定，所述非挡边凹槽用于所述固定底板与机床床身的连接。
[0015]本专利技术还提供一种使用如上所述无应力夹具系统的加工方法，包括如下步骤：A、使用所述无应力装夹模块和所述固定基准模块固定工件，对所述工件进行粗加工；B、通过温控解锁所述无应力装夹模块，然后对所述工件进行时效处理；C、对工件表面进行测量，得到工件的变形图，根据变形图制定下一步的加工策略；D、通过温控再次锁紧所述无应力装夹模块，然后按照所述加工策略对所述工件进行加工。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，所述工件为框结构件，步骤A中，对所述工件的上框表面进行粗加工；步骤D中，采用1)先根据所述加工策略针对所述工件的变形量将所述上框表面加工至合格的尺寸精度，然后翻面装夹，将所述工件的底面加工至合格的尺寸精度；或者，2)先根据所述加工策略针对所述工件的变形量将所述上框表面加工至设定的余量，然后翻面装夹，重复步骤B至D的方法将所述工件的底面加工至合格的尺寸精度，然后再次翻面装夹，将所述工件的上框表面的所述余量去除，加工至合格的尺寸精度；优选地，过程1)用于加工三框结构件，过程2)用于加工C型框类结构件。
[0017]本专利技术具有如下有益效果：
[0018]本专利技术提出的一种基于相变材料的无应力夹具系统，包括共同安装在固定底板上的无应力装夹模块和固定基准模块均，无应力装夹模块中，通过控温装置测量并控制相变材料的温度，能够实现控制相变材料在固态和液态之间相变，从而使连接组件解锁或锁紧，并通过固定基准模块固定住工件，能够确定整个加工过程的加工基准在加工的过程中不发生变化，从而避免了工件装夹过程中产生的高装夹应力的可能并避免了工件的弯扭变形。通过无应力装夹模块解锁后，释放工件由于内部残余应力产生的弯扭变形，变形释放完成
后，无装夹应力地锁紧无应力装夹模块，不引入新的装夹变形。同时，将上述所有部分集成在一个固定底板上，通过调节各个模块在底板上的位置适配不同尺寸和形状的工件。
[0019]且本专利技术的无应力装夹模块中，采用相变材料作为填充物，使用其物理性质去实现解锁和夹紧，相比于气动的装置受到气密性影响，电机驱动的装置控制精度有限等等，本专利技术的系统更加稳定，夹持力可靠稳定，无应力效果更好而且成本更低。
[0020]本专利技术提出的加工方法，在加工的工序间引入了应力释放的步骤，而且在后续的加工中可以实现无应力的再装夹，大大减小了装夹造成的装夹变形，提高了零件的合格率；在工序间引入了三坐标测量工件变形的过程，根据测量的结果制定下一步的加工策略，实现加工过程动态实时的规划调整，也可以起到提高加工效率和加工精度的作用。
[0021]此外，在一些实施例中，还具有如下有益效果：...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于相变材料的无应力夹具系统，其特征在于，包括无应力装夹模块、固定基准模块和固定底板；所述无应力装夹模块安装在所述固定底板上，所述无应力装夹模块包括夹具外壳、相变材料、连接组件、控温装置及测温装置，所述相变材料设置在所述夹具外壳内，所述控温装置经设置以控制所述相变材料的温度，所述测温装置经设置以测量所述相变材料的温度，所述连接组件的一部分用于与工件相连，另一部分置于所述相变材料中；其中，通过测量并控制所述相变材料的温度，控制所述相变材料在固态和液态之间相变，从而使所述连接组件解锁或锁紧；所述固定基准模块安装在所述固定底板上，所述固定基准模块用于在所述无应力装夹模块解锁或锁紧时均固定住所述工件，并确定整个加工过程的加工基准。2.如权利要求1所述的无应力夹具系统，其特征在于，所述连接组件包括连接轴、鱼眼轴承、定位件和端盖，所述连接轴穿过所述鱼眼轴承伸入所述相变材料，所述端盖固定在所述夹具外壳的上方，用于将所述鱼眼轴承的外圈压在所述夹具外壳上，所述定位件的一端固定在所述端盖上，所述定位件的另一端卡在所述连接轴上端的凹槽中，用于标定所述无应力装夹模块的零位状态。3.如权利要求2所述的无应力夹具系统，其特征在于，所述连接轴伸入所述相变材料内的一端设置有用于防止连接轴从相变材料中脱出的凸台，优选地，所述连接轴的上端通过螺纹连接并紧固所述工件。4.如权利要求2所述的无应力夹具系统，其特征在于，在解锁状态下，所述连接轴借助所述鱼眼轴承实现四个自由度，包括Z方向的平移和旋转自由度，以及沿X和Y方向的旋转自由度。5.如权利要求1至4任一项所述的无应力夹具系统，其特征在于，所述控温装置包括呈螺旋状绕制在所述相变材料内的水管，所述水管在所述夹具外壳上具有进出水口，通过水循环改变所述相变材料的温度；所述测温装置包括呈螺旋状盘绕在所述连接轴的表面...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯峰，刘学平，于飞，周文萌，张建富，马原，冯平法，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：
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