哈尔滨工程大学工程训练中心 高明 唐明 崔勇
摘要：柔性夹具在现代加工中的作用至关重要，直接关系到新产品开发周期、加工效率、
产品质量及成本。本文介绍了相变材料柔性夹具分类，重点介绍了真相变材料柔性夹具中温度相变柔性夹具中石蜡夹具 、冰固夹具、低熔点合金夹具、以及电流变材料夹具、磁流变材料夹具。分别讨论了上述柔性夹具的相变材料的特性，不同种类的相变材料柔性夹具优缺点、在现代加工制造中的应用。
关键词：相变材料； 柔性夹具；应用
基于相变材料的夹具是利用物质在一定条件下能进行“液-固”两相转变的物理特性，将工件事先置于液体中并使其处于正确位置，液体材料在特定因素的刺激下，发生相变由液态转变为固态，从而实现工件、夹具元件与夹具体的固连；加工完成后，解除特定因素的刺激，此时材料发生“固-液”两相转变，取出工件，完成一次装夹加工。
一、相变材料柔性夹具的分类
相变材料柔性夹具分为真相变材料夹具和伪相变材料夹具两大类（详见图1）。伪相变材料是相对于真相变材料而言，用物理方法迫使材料在“固结态” 和“流动态”之间转换， 称为伪相变，即看似相变，其实并没有发生相变。典型的方法有用压力迫使材料“固结”，用空气流鼓吹迫使材料“流动” 起来，又称为流化床夹具。伪相变材料夹具仅处于探索阶段，本文我们主要研究真相变材料柔性夹具，用于机床夹具的真相变材料种类很多，使用不同的相变材料可得到不同类型的夹具。
图1
二、温度相变材料柔性夹具
一些材料随着温度的变化具有可控的相变物理性质，即从液相到固相，再变回液相，所以可以应用在柔性夹具中。温度相变柔性夹具通常都有一个充满液相材料的容器，将工件埋入液体中，然后通过改变介质的温度，使介质由液相变为固相，将零件夹紧并固定，然后进行加工。加工结束后再将介质恢复成液相，将工件取出。
很多物质都可以由改变温度来控制相变。但目前能适应夹具性能要求的相变物质较少，主要有石蜡基、水基、低熔点合金等。
1、 蜡固夹具
以石蜡为基添加其它物质（如松香）作为相变物质，这种相变材料的突出优点是材料成本低，相变温度低，能源消耗少，石蜡熔点为 48 ℃～ 58 ℃(不同品级的熔点不同)，白蜡的熔点为 80 ℃～ 85 ℃， 都是较为理想的相变材料。其主要缺点是相对夹紧力小，因而只适应于用来固紧切削用量较小的工件。另外，此类物质在加工产生的切削热影响下产生异味烟气，对工作环境不利。蜡固夹具在单件小批量生产及高硬度材料的加工中得到了一定应用。
2、冰固夹具
冰固夹具是以水基液体为相变物质的液体相变固紧夹具，也称之为冷冻夹具。冰固夹具按其固紧方式不同可分为粘着式快速冰固夹具和整体冻结式冰固夹具两种类型。冰固夹具的优点是相变物质廉价易得，固紧力也较蜡固夹具大得多，相变物质与工件的脱离极易，其中的粘着式冰固夹具的夹紧过程也很短。冰固夹具的主要缺点是温度调节器价格较高；切削加工过程不能过长，否则传给工件的切削热过多可导致其脱离夹具；不适于装夹热膨胀系数较大的工件，因温度变化将使其产生过量变形；此外，整体冻结式冰固夹具相变时间长，消耗能量较多。冰固夹具主要应用在导热差非金属不规则零件的磨削加工。
3、低熔点合金夹具
最容易想到的相变材料是低熔点合金，低熔点合金的主要成分是 Sn、Pb、和 Bi，如铅锡铋合金（32 %的 Pb、16 %的Sn 、52 %的 Bi）熔点为 95 ℃，改变合金的比例，可以进一步降低合金的熔点温度，如上述合金取18%Pb 、16%Sn 、49.4 %Bi ，再加入 21 %的 In(铟)时，熔点温度为 58 ℃，均可适用于柔性夹具。低熔点合金特点是强度、硬度低，固液转换温度低（40?C～200?C），液态具有良好的流动性，液固两相相态转化较快。低熔点合金的成本相对较高，但由于其可以重复回收利用，故对批量生产的成本影响不大。低熔点合金的主要缺点是不适应磨削加工，因其易粘附在砂轮表面使加工过程无法进行。低熔点合金是目前应用最为广泛的相变物质，它不仅在航空发动机和汽轮发动机叶片等低刚性零件的机械加工过程中得到了广泛应用，而且在冲压模具及塑料模具中的应用也极广泛。
三、电流变材料柔性夹具
除温度相变夹具之外，还有利用电场、磁场及振动等条件使相变材料发生相变。 对这些外界条件（也称刺激）敏感的相变材料则对应地称为电流变材料、磁流变材料、震动刺激流变材料、压力刺激流变材料等等。
电流变材料是由低绝缘液体和悬浮在其中的绝缘物体所构成，一种极具发展前景和工程应用价值的智能材料。性能良好的电流变材料在电场中时其粘度迅速地增加，超过临界值时，电流变材料即成为固态，其剪切模量随着电场的进一步增强而增加。这种相的转换大约在 1ms 内完成，并且去掉外界电场后此种相变过程可逆，即可在液态和类固态间进行快速可逆的转化，并保持粘度连续，能耗极小，因而可与微机结合，实现实时主动控制。电流变材料的剪切应力较小，但由于复杂零件表面的总面积很大，可用于精加工。电流变技术在机械工程、汽车工程、控制工程和航空航天业中应用范围广泛，如离合器、制动器、阀片、悬挂系统等。
四、磁流变材料柔性夹具
对外加磁场敏感的相变材料称为磁流变材料，磁流变材料可以看成是电流变材料的磁模拟，它可在“固-液”两相之间转换，通过改变磁场而平稳、快速地完成，一般转换时间都为毫秒级。最常见的磁流变材料是将铁粉加在一定比例的玉米油中混合而成， 也可以用碳酰铁和硅油混合而成。固相的磁流变材料比电流变材料承受剪切能力要强得多。利用磁流变液相变迅速、屈服强度大等特点，可以制造出，工件放在磁流变液中，当磁流变液体在外加磁场作用下变成固态时，工件就被夹紧，便可对工件进行机械加工。当工件加工完毕后，把磁流变材料中的外加磁场去掉，则磁流变材料立即恢复为液态，便可卸下工件。目前，磁流变柔性夹具离大规模的工程实际应用还有一段距离。
参考文献
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论文作者:高明,唐明,崔勇
论文发表刊物:中国科技教育（理论版）2018年11月
论文发表时间:2018/12/4
标签：夹具论文; 材料论文; 柔性论文; 熔点论文; 工件论文; 合金论文; 加工论文; 中国科技教育（理论版）2018年11月论文;