本發(fā)明涉及一種用于高陡度保形頭罩表面加工的裝夾裝置及裝夾方法。

背景技術(shù)：

為了適應(yīng)高速飛行器的發(fā)展，平衡飛行器的空氣動力學(xué)要求、隱身與光學(xué)性能之間的矛盾，保形光學(xué)元件應(yīng)運而生，即：以提高系統(tǒng)空氣動力學(xué)性能為目的平滑地適應(yīng)系統(tǒng)平臺外部形狀的光學(xué)窗口。在保形光學(xué)元件應(yīng)用中的首要關(guān)鍵元件為飛行器的頭罩，相對于傳統(tǒng)半球形頭罩，高陡度保形頭罩可以顯著地降低飛行器的飛行阻力，改善飛行器周圍的空氣流場，減小氣動光學(xué)效應(yīng)對飛行器內(nèi)部成像質(zhì)量的影響。

高陡度保形頭罩的非常規(guī)形狀與傳統(tǒng)半球形頭罩相比具有不可比擬的優(yōu)勢，高陡度保形頭罩即頭罩長徑比大于1的保形頭罩，因其大的長徑比以及區(qū)別于半球形的不規(guī)則非球面形狀給其精密、超精密加工帶來了極大的困難和挑戰(zhàn)。在高陡度保形頭罩精密、超精密加工過程中存在著陡度高、加工力大、工件易變形等問題。此外，高陡度保形頭罩通常為薄壁硬脆材料，進(jìn)行外表面加工時，無法進(jìn)行光學(xué)非球面加工中常用的直接真空吸附裝夾或中空粘結(jié)裝夾。常用的非球面光學(xué)工件裝夾裝置及方法為光學(xué)工件內(nèi)表面與裝夾裝置完全貼合的結(jié)構(gòu)形式，并在工件內(nèi)部與裝夾裝置之間用低應(yīng)力膠進(jìn)行粘結(jié)，加工完成后采用加熱的方式使低應(yīng)力膠失效完成工件的拆卸。

這種傳統(tǒng)方法在一定程度上能保證保形頭罩的總變形量，但是由于頭罩內(nèi)表面和裝夾裝置都不可避免地具有一定的面型誤差，因此二者的接合面為局部接觸甚至點接觸，形成局部的應(yīng)力集中很可能會導(dǎo)致頭罩表面的崩碎，更重要的是，由于保形頭罩特有的高陡度內(nèi)腔，用低應(yīng)力膠進(jìn)行粘結(jié)很難去除，由于頭罩材料與裝夾裝置材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，常規(guī)的加熱除膠方法極易引起頭罩與夾具的膨脹變形不統(tǒng)一，從而造成頭罩的脹裂。因此，需要在加工過程中使用新型的裝夾裝置及裝夾方法來保證其精密安全裝夾以及加工后的安全拆卸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有高陡度保形頭罩外表面加工時的精密安全裝夾及常規(guī)加工后難拆卸的問題，進(jìn)而提出一種用于高陡度保形頭罩表面加工的裝夾裝置及裝夾方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：

一種用于高陡度保形頭罩表面加工的裝夾裝置包括夾具底座、定位組件和固定機(jī)構(gòu)，定位組件固接在夾具底座的上端面，定位組件的外側(cè)壁上沿軸向方向均布設(shè)有多個曲面凸臺，每個曲面凸臺均沿外圓周方向設(shè)置，曲面凸臺的外表面所構(gòu)成的曲線方程與頭罩內(nèi)表面的曲線方程相同，定位組件包括多個夾具基體，多個夾具基體沿圓周方向均布組成一個圓錐形的定位組件，相鄰兩個夾具基體之間設(shè)有間隙，多個夾具基體通過固定機(jī)構(gòu)固接。

一種用于高陡度保形頭罩表面加工的裝夾方法包括如下步驟：

步驟一：涂抹低應(yīng)力膠：首先將裝夾裝置中的夾具底座安裝在機(jī)床工件軸上，然后將低應(yīng)力膠涂抹在曲面凸臺的外表面上，然后將保形頭罩直接罩在定位組件的外表面；

步驟二：粘結(jié)成型：靜置6個小時后，使低應(yīng)力膠達(dá)到結(jié)合強(qiáng)度，完成保形頭罩與定位組件之間的粘結(jié)；

步驟三：拆卸裝夾裝置：將加工后的保形頭罩和裝夾裝置從機(jī)床上拆卸，然后將夾具底座和固定機(jī)構(gòu)分別從定位組件上拆卸下來；

步驟四：頭罩脫離：對定位組件和保形頭罩進(jìn)行加熱，使定位組件與保形頭罩之間的低應(yīng)力膠失效，將保形頭罩從定位組件上安全脫離。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比包含的有益效果是：

本發(fā)明提供了一種高陡度保形頭罩加工過程中的裝夾裝置及裝夾方法，能有效滿足頭罩裝夾時的高精度低應(yīng)力的要求，使高陡度保形頭罩在進(jìn)行外表面精密加工過程中避免局部應(yīng)力集中而變形，從而提高頭罩外表面的加工精度，并在加工完成后可以實現(xiàn)頭罩與夾具間的安全拆卸，避免頭罩在拆卸過程中造成破壞，提高拆卸過程中的安全性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述一種用于高陡度保形頭罩表面加工的裝夾裝置包括夾具底座1、定位組件2和固定機(jī)構(gòu)3，定位組件2固接在夾具底座1的上端面，定位組件2的外側(cè)壁上沿軸向方向均布設(shè)有多個曲面凸臺5，每個曲面凸臺5均沿外圓周方向設(shè)置，曲面凸臺5的外表面所構(gòu)成的曲線方程與頭罩內(nèi)表面的曲線方程相同，定位組件2包括多個夾具基體2-1，多個夾具基體2-1沿圓周方向均布組成一個圓錐形的定位組件2，相鄰兩個夾具基體2-1之間設(shè)有間隙，多個夾具基體2-1通過固定機(jī)構(gòu)3固接。

本實施方式中的裝夾裝置選用輕質(zhì)鋁合金材料，夾具底座1可以連接在機(jī)床工件軸上，從而實現(xiàn)裝夾裝置的安裝。為了保證頭罩的加工精度，夾具底座1的上端面即裝配面具有較高的平面度。固定機(jī)構(gòu)3用以支撐整個定位組件2，多個夾具基體2-1之間通過固定機(jī)構(gòu)3和夾具底座1實現(xiàn)連接與固定，定位組件2的剛度對頭罩的加工精度有重要影響，所以首先保證定位組件2的剛度。裝夾高陡度保形頭罩時，可直接將頭罩在裝夾裝置上進(jìn)行定位，由于定位組件2上的曲面凸臺5的外表面所構(gòu)成的曲線方程與頭罩內(nèi)表面的曲線方程相同，因此可以實現(xiàn)頭罩與曲面凸臺5外表面的緊密貼合，而曲面凸臺5的設(shè)計使整個定位組件2的外表面形成類蜂窩狀定位結(jié)構(gòu)，能夠在保證裝夾裝置對頭罩支撐的前提下，減小裝夾裝置外表面與頭罩內(nèi)表面的接觸面積，從而減小由兩者的面形誤差所引起的局部應(yīng)力集中和加工變形現(xiàn)象，定位方法簡單而且定位精度高。由于頭罩的高陡度特殊形狀以及大尺寸等因素導(dǎo)致其只能用粘結(jié)的方式與裝夾裝置固定，裝夾時在曲面凸臺5的外表面涂抹低應(yīng)力膠，將高陡度保形頭罩內(nèi)側(cè)與裝夾裝置粘結(jié)，從而固定頭罩。加工后的頭罩與裝夾裝置需要進(jìn)行安全拆卸，采用加熱方式使低應(yīng)力膠失效，由于定位組件2為多個夾具基體2-1組合裝夾，拆卸過程可以拆去夾具底座1以及固定機(jī)構(gòu)3，使夾定位組件2內(nèi)部無支撐，并且夾具基體2-1間存在一定的縫隙，避免了拆卸過程中由于加熱升溫導(dǎo)致定位組件2材料膨脹而造成頭罩破碎，保證拆卸過程安全可靠。

具體實施方式二：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述夾具基體2-1包括多個基塊2-1-1，多個基塊2-1-1由下至上依次設(shè)置，相鄰兩個基塊2-1-1之間設(shè)有間隙，曲面凸臺5設(shè)置在基塊2-1-1的外側(cè)面。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與具體實施方式一相同。

如此設(shè)計在保證定位組件2剛度的前提下，以小質(zhì)量為目標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化定位組件2的尺寸和結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步降低拆卸過程中由于加熱升溫對定位組件2的材料膨脹所造成的影響。

具體實施方式三：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述固定機(jī)構(gòu)3包括多個固定圓盤3-1，多個固定圓盤3-1由上至下依次水平設(shè)置，固定圓盤3-1的外徑由上至下依次遞增，多個基塊2-1-1的內(nèi)側(cè)分別與固定圓盤3-1固接。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與具體實施方式二相同。

如此設(shè)計實現(xiàn)了多個基塊2-1-1之間的有效定位，使其組成一個完整的定位組件2。

具體實施方式四：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述基塊2-1-1與固定圓盤3-1之間通過緊固螺栓4固接，定位組件2與夾具底座1之間通過緊固螺栓4固接。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與具體實施方式二或三相同。

如此設(shè)計便于實現(xiàn)裝夾裝置的安裝和拆卸。

具體實施方式五：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述多個基塊2-1-1的數(shù)量為2個或3個。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與具體實施方式四相同。

具體實施方式六：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式每個基塊2-1-1上曲面凸臺5的數(shù)量為4個～8個。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與具體實施方式二、三或五相同。

具體實施方式七：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式相鄰兩個基塊2-1-1之間間隙的寬度為2mm～5mm，軸向方向上相鄰兩個曲面凸臺5之間的距離為5mm。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與具體實施方式六相同。

曲面凸臺5的外表面所構(gòu)成的曲面方程與頭罩外表面的曲面方程一致，它的數(shù)量和曲面面積是影響頭罩總變形量和局部應(yīng)力集中大小的重要因素，本實施方式中的數(shù)據(jù)是根據(jù)加工頭罩不同材料的性能參數(shù)，通過理論分析和仿真計算進(jìn)行設(shè)計，使夾具與工件裝夾之后由于面型誤差造成的應(yīng)力集中小于20n，從而可以減小頭罩加工過程中由于應(yīng)力集中產(chǎn)生變形對加工后面型精度的影響。

由于夾具基體2-1為鋁合金材質(zhì)，在后期拆卸過程中會對其進(jìn)行加熱，鋁合金受熱膨脹，根據(jù)鋁合金的熱膨脹系數(shù)以及加熱溫度進(jìn)行計算分析得出，基塊2-1-1之間的2mm～5mm的距離可以保證受熱膨脹后相鄰的基塊2-1-1不會相互接觸，從而避免基塊2-1-1接觸后繼續(xù)膨脹致使頭罩脹裂；軸向方向上相鄰兩個曲面凸臺5之間的距離為5mm，根據(jù)材料的力學(xué)性能參數(shù)以及加工參數(shù)，用ansys有限元仿真對材料加工過程的變形量進(jìn)行分析，5mm的距離可以保證頭罩在加工過程中因受到的局部壓力而產(chǎn)生變形總量小于1μm。

具體實施方式八：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述一種用于高陡度保形頭罩表面加工的裝夾方法包括如下步驟：

步驟一：涂抹低應(yīng)力膠：首先將裝夾裝置中的夾具底座1安裝在機(jī)床工件軸上，然后將低應(yīng)力膠涂抹在曲面凸臺5的外表面上，然后將保形頭罩直接罩在定位組件2的外表面；

步驟二：粘結(jié)成型：靜置6個小時后，使低應(yīng)力膠達(dá)到結(jié)合強(qiáng)度，完成保形頭罩與定位組件2之間的粘結(jié)；

步驟三：拆卸裝夾裝置：將加工后的保形頭罩和裝夾裝置從機(jī)床上拆卸，然后將夾具底座1和固定機(jī)構(gòu)3分別從定位組件2上拆卸下來；

步驟四：頭罩脫離：對定位組件2和保形頭罩進(jìn)行加熱，使定位組件2與保形頭罩之間的低應(yīng)力膠失效，將保形頭罩從定位組件2上安全脫離。

本實施方式中在完成保形頭罩與定位組件2之間的粘結(jié)成型后，利用機(jī)床對保形頭罩的外表面進(jìn)行加工，加工完成后再對裝夾裝置進(jìn)行拆卸。

具體實施方式九：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述步驟二中粘結(jié)成形的過程中使保形頭罩與定位組件2之間保持緊密貼合。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與具體實施方式八相同。

具體實施方式十：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述步驟四中定位組件2和保形頭罩進(jìn)行加熱的時間為2個小時，加熱溫度為恒溫60℃。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與具體實施方式八或九相同。

利用本發(fā)明實現(xiàn)頭罩的參數(shù)為底面直徑120mm、高130mm、壁厚3mm、頭罩為保形非球面、頭罩材料為alon、硬度為20gpa、紅外接受波段在1μm到5μm的高陡度保形頭罩外表面的加工，加工后的頭罩可以安全拆卸下來，同時保證頭罩的精度。