用于薄壁壳状/圆柱形部件的夹具的自调设计 【技术领域】
本发明涉及用于壳状/圆柱形部件的夹具的自调设计，目的是使其在充足的支承刚性和动态稳定性的情况下对部件进行加工，以便保持加工精度和表面精整度从而达到可接受的工程标准。本发明尤其适用于薄壁部件，因为在薄壁部件中，难以获得加工过程中的可靠固定以及防止振动。
背景技术
根据本领域中的技术人员熟知的结构力学的理论，壳状/圆柱形部件被限定为连续且弯曲成形的具有开口的成组的中空物体。碗状结构的特征在于，其为具有单一的主要开口的壳状部件，而具有贯穿开口的中空管状结构的特征在于其为圆筒形部件。两种结构的壁都具有一定壁厚，并且每个壁具有的轮廓尺寸是其半径(如果其直径大于其高度)，否则，其轮廓尺寸是其高度。根据轮廓尺寸与壁厚的比率，壳状/圆筒形部件被如下分类：
a)超厚壁：如固体结构三向应力；
b)大厚壁：拉伸、弯曲以及高次横向剪切应力(higher ordertransverse shear stressed)；
c)中厚壁：拉伸、弯曲以及一级横向剪切应力；
d)薄壁：拉伸以及弯曲应力，但忽略横向剪切；
e)超薄壁：由拉伸效应支配，也称为薄膜(membrane)。
根据该分类，本发明具体涉及的薄壁壳状/圆筒形部件被定义且限制为具有一个主要开口或贯穿开口的中空结构，具有：
a)2mm或更大的加工的壁厚W；
b)大于或等于20的壳状/圆筒形轮廓尺寸与壁厚的比率R/W(其中，R是部件的半径或高度，直径和高度中的任何一个为轮廓尺寸)；以及
c)大于或等于0.5的主要开口半径与轮廓尺寸的比率R1/R，或大于或等于200mm的主要开口半径R1；
其中，有在0至1000Hz频率范围内的较少阻尼(less-damped)的振动模式的明显拥塞(congestion)；并且
在壁中有微量(de minimis)横向剪切。
在不改变其特性的情况下，所定义的薄壁壳状/圆筒形部件可具有小开口和不平坦的内部/外部表面。在加工这种部件时，难以将其保持住。薄壁缺少充足的静态刚性和动态稳定性以经受住加工过程中产生的切割力。因为缺乏剪滞效应(shear effect)，薄壁变得动态不稳定并易振动，导致主要因支承刚性不足导致的加工精度问题，以及主要因在切割工具和工件之间的不稳定自激振动造成(此后为简明称为“振动(chatter)”)的表面加工问题。
公知设计的静态夹具将不会对该情况有所帮助，主要因为，一方面，精确配合大部分壳状/圆筒形表面的静态夹具会很昂贵且有时不可用，并且，在另一方面，即使静态夹具设计良好并且精确配合薄壁部件的静态位置，但当被切割力刺激时，主要由拉伸和弯曲效应维持的柔性薄壁仍然将在静止位置的周围偏斜，并向静止支承弹回，以至于使部件的动态稳定性恶化。动态夹具适应性地配合、支承以及阻尼薄壁部件的设计显然是理想目标。
在任何工业中，都不希望造成浪费。因此总是希望使部件质量最小，当然假设其它因素不会对此产生影响。例如，如果部件将因此比期望中衰退得快，具体地如果部件的质量(mass)相反不对部件的操作有害，则无减小部件质量的打算。但是，在一些工业中，部件质量本身是实质问题，且再没有比航空和国防工业更多地存在该问题的工业了。
火箭壳状和喷气发动机罩为典型的薄壁壳状/圆筒形部件。其大多数由诸如耐热合金的难以加工的材料制成，并且一直对除去不必要的部件质量达到最小化有非常严格的要求。为了提供所有精确的连接接口，也为了从锻件或铸件上除去所有不必要的质量以获得加工的部件，加工工作是不可避免的。因为薄壁是柔性的且动态不稳定的，所以在相对艰难的加工过程中保持这种部件是成问题的。目前大多数工程师采用地方案是研究这种部件的振动特性以及预期问题区域，之后决定适当的加工步骤以使振动影响最小化，从而单独地处理部件。
但是，本发明特别地涉及(并不一定是特别地涉及，但无论如何是专有地)提供用于在需要的加工操作过程中保持这种部件的自调夹具，并且提供了如下的夹具，该夹具适应地配合大部分部件表面并且较高刚性地适应性支承部件且较高稳定性地适应地阻尼薄壁。此处，“自调的”意思是在几何和动态感觉中的自调能力。
US-A-6015154公开了金属套筒形式的夹具，该金属套筒具有槽并且包围聚合物套筒，该套筒在其端部密封至心轴(arbour)，以便在聚合物套筒和心轴之间限定流体动力学腔，由此使腔增压扩张套筒，金属套筒内部阻尼并保持铸造发动机气缸内衬套筒以允许其加工。该金属套筒的直径可扩张约8mm。尽管将阻尼振动作为目标陈述，但是没有解释它是如何设置在夹具本身之外的。
US-A-4811962公开了类似的布置，但是没有金属套筒。在这种情况下的聚合物套筒包括特氟纶壳状，该壳状在具有一些柔性以允许扩张以内部地夹紧圆柱形筒头的同时，只具有扩张直径几毫米的能力。
US-A-4253694公开了用于圆形产品的内部拾取(pickup)装置，该圆形产品包括圆筒形零件，以及在该零件槽中的弹性环，该槽的基部可用流体加压以扩张弹性环从而内部地夹紧物体。
GB-A-1445216公开了用于要精修的薄壁圆筒形物体的夹持装置，其包括如US-A-4253694所述的类似装置。
但是，即使对于厚壁部件，用于提供适当阻尼的夹具将有利于实现改进的加工性能。再次，在本文中，“自调的”意思是能够配合不同尺寸的部件，以及适于适应与具体加工操作相关的动态振动特性。
【发明内容】
根据本发明，提供了用于壳状/圆筒形部件的夹具，包括：壁厚或超壁厚的基座，具有第一定位装置以定位和夹持所述部件的一个端部；壁厚或超壁厚的立柱，其固定在所述基座中；环形管状可充气的弹性压力件，其在使用时置于所述立柱和所述部件之间的基座上，以及牺牲衬垫，其适于装在所述压力件和部件之间。
优选地，夹具进一步包括壁厚或超壁厚的盖，该盖将被固定到立柱，并具有第二定位装置以定位部件的另一端。
由于是厚壁的，所以立柱、基座和盖使得结构至少具有拉伸、弯曲以及高次横向剪切效应，一般认为拉伸、弯曲以及高次横向剪切效应与1000Hz频率的振动模式的明显稀少有关联。
优选地，所述衬垫有一个10mm至20mm之间的总厚度，因此在加工操作时，穿透工具移动通过壳状/圆筒形部件的这种移动不穿透压力件。优选地，该衬垫为多层聚合/弹性材料，所述层被粘合或胶合在一起。因此，该衬垫也适于主要通过层之间的剪切效应来分布均匀的支承压力，并且主要通过聚合物或弹性材料而沿要加工的部件表面的法线方向分布动态阻尼。通过在衬垫的外层内侧插入弯曲的尼龙板使其靠着所要加工的薄壁，从而能够利用到部件小开口周围的局部增强作用。
优选地，所述压力件在稳定和安全的工作范围内气动地充气并达到其扁平直径的5倍，并且膨胀压力达到4.0Bar。方便地，其可包括变形的机动车辆车轮内胎，该内胎能够扩张至需要的尺寸并且很好地安装该壳状/圆筒形部件、支承心轴或立柱、安装基座和盖内所限制的内容物。内胎的充气阀可通过孔眼伸出，该孔眼是为此目的而设置在内部心轴或外部支承立柱上的。两个或更多个内胎可用在其它部件的顶部，用于长壳状/圆筒形部件。
在一种布置中，立柱位于部件的内部，压力件围绕在立柱周围，衬垫包围压力件，并且当使用夹具时，该部件包围衬垫、压力件和立柱。在该布置中，该部件被压力件径向向外推压，并且加工操作可在其外表面上进行。
但是，在另一种布置中，立柱是中空的，并且在部件的外部，所以当使用夹具时，立柱内的压力件包围衬垫，而该衬垫本身包围该部件。在该布置中，该部件被压力件径向向内推压，并且加工操作可在其内表面上进行。
自调夹具设计满足灵活且柔性组合的先进生产工程的要求，该灵活且柔性组合适用于具有相同结构功能但不同具体形状和尺寸的不同产品。本发明中的重要元件为压力件，具体地，当压力件是能扩张的气动导管形式时，压力件能够在稳定且安全的工作范围内扩张至其扁平直径的5倍并且扩张压力达到4Bar。在其帮助下，夹具不仅自调以配合部件的具体形状，也自调以适合相当大范围的部件尺寸，从而达到标称部件直径的4倍。充气件的另一个具体的优点是，通过设置带夹具的气动阻尼腔，加工振动能量被吸收以防止一旦加工开始时通常出现的振动的指数生长。
所述内部或外部的支承心轴在维持对薄壁部件的充足支承刚性和动态稳定性方面起关键作用。所述薄壁壳状/圆筒形部件主要通过拉抻和弯曲应力以及不存在剪切作用而得到平衡，以保持整体刚性。因此，利用该刚性支承，充气件通过多层衬垫将均匀法向压力施加在薄壁上，并且用显著的动态阻尼效应自调地配合薄壁表面。
所述的自调阻尼包括由薄壁上所述衬垫的聚合或弹性材料施加的动态阻尼和由自调地与弹性衬垫和柔性薄壁部件接触的充气件的阻尼腔吸收的能量(总损失系数：Cd≥0.1，见下文以及图7和8)。
除了单独的夹具之外，本发明提供了用于薄壁壳状/圆筒形部件的自调夹具设计方法，用于使部件可以在具有充分支承刚性和动态稳定性的情况下被加工，以保持加工精度和表面光洁度保持满足可接受的工程标准。
夹具具体适用于薄壁结构，其为喷气式飞机发动机罩和火箭弹头的薄壁结构是典型的实例。事实上，本发明进一步提供如上定义的夹具组合以及固定在夹具中的薄壁壳状/圆筒形部件。优选地，所述部件是喷气式发动机壳体或火箭弹头。
【附图说明】
在下文中参照附图以实例方式进一步描述本发明的实施例，图中：
图1是根据本发明的内部夹具的透视图；
图2是保持在根据本发明的内部夹具中的薄壁圆筒形部件的截面图；
图3是具有根据本发明的内部夹具的薄壁壳状部件的截面图；以及
图4是图2的内部夹具中另一个薄壁壳状部件的截面图；
图5是用振动器激发且没有使用夹具的薄壁圆筒形部件的频率响应函数(FRF)总效果的曲线图；
图6是根据本发明的用振动器激发测量的夹具心轴的厚壁内部立柱的频率响应函数(FRF)总效果的曲线图；
图7是用振动器激发测量的薄壁圆筒形部件的频率响应函数(FRF)总效果的曲线图，其中该薄壁圆筒形部件支承在根据本发明的自调夹具上；
图8是支承在根据本发明的自调夹具中的薄壁圆筒形部件的静载荷测试结果的曲线图，其中压力件具有在0.0、1.0和2.0Bar处的不同充气压力。
【具体实施方式】
图1中，一种用于薄壁圆筒形部件10的内部加工的内部自调夹具100包括厚壁板形式的安装基座1，该安装基座具有用于与加工中心(未示出)的工作台(未示出)连接的安装孔2。定位销3和夹子4把部件10定位并固定在基座1上。
厚壁刚性心轴与立柱5通过螺栓(未示出)固定在基座1的中心。心轴5末端为与厚壁盖12连接的法兰。两个改进的车轮内胎8安装在心轴上，该车轮内胎8具有与心轴5的半径相对应的内部半径R。内胎8用合成橡胶(弹性材料)制造，其可被充气，从而安装被限制在圆筒形部件10、支承心轴5、安装基座1和盖12中的内容物。每个内胎8在其内表面上有其自已的进气阀9，并通过相应的孔眼被安装，该孔眼为此目的设置在心轴5上。每个进气阀9通过中空的心轴可向上延伸。
多层牺牲衬垫6包括3至5片聚合或高弹性材料，它们相互粘合并环绕在内胎8周围，总厚度大于或等于10mm，因此，在加工操作时，穿透工具的通过圆筒形部件10的移动不穿透压力件8。同时，衬垫主要通过层之间的剪切力的作用而分布均匀的支承压力，并主要通过聚合物或弹性材料来提供动态阻尼，其垂直于所要加工的部件表面。通过将弯曲的尼龙板7插入衬垫外层的内侧，靠着所要加工的薄壁，利用了小开口(未示出)周围的局部增强。
盖12为厚壁圆形板，其带有环绕其圆周的楔形阶(未示出)，以固定圆筒形部件的顶端。盖12还带有孔11，利用螺栓(未示出)可将盖通过其孔固定到内部心轴5的顶端。
在图2中，示出了用于同样的薄壁圆筒形部件10的内部加工的外部自调夹具100’，包括一个类似于图1中安装基座的安装基座1’。厚壁刚性圆筒5’通过螺栓(未示出)固定在基座1’的中心并且末端也是一个与盖12’连接的法兰。两个改进的车轮内胎8’具有一个外部半径R’(对应于圆筒5’的内部半径)并被充气以固定限制在筒形部件10’、支承圆筒5’、安装基座1’和盖12’内的内容物。每个内胎8’在其外表面上有其自己的进气阀9’并通过在圆筒5’上为此用途提供的相应孔眼而被固定。
一个多层牺牲衬垫6’还环绕在内胎8’的内侧，靠着部件10’的外表面。通过将弯曲的尼龙板7’插入衬垫6’内层的内侧，靠着所要加工的薄壁，利用了小开口周围的局部增强。
圆形盖12’被固定在外部圆筒5’的顶端，环绕其圆周具有楔形阶，以固定部件10’的顶端并形成限制在筒形部件10’、支承圆筒5’、安装基座1’和盖12’内的内容物，用于可充气内胎8’。
图3所示的为用于薄壁壳状部件10”的外部加工的内部自调夹具100”，其具有一个主开口10a进入内容物15。此夹具100”包括厚壁板形式的安装基座1”，该安装基座具有用于工作台的安装孔2，定位销3和螺纹孔4用于定位和限制壳状部件10”。在此特定的情况下，由于对部件10的额外支承，不需要盖。厚壁刚性心轴5”由螺栓(未示出)固定在基座1”的中心，充气内胎8”的内表面上的两个进气阀9”通过心轴5”上为此用途提供的两个相应的孔眼26”被固定。各进气阀9”通过中空壁心轴5”可向下伸出，以通过盘1”上的孔眼42伸出。
一个多层牺牲衬垫6”还环绕在内胎8”的外侧，靠着用于外部加工的壳状部件10的内表面。通过将弯曲的尼龙板7插入衬垫6”的外层的内侧，靠着所要加工的薄壁，利用了小开口周围的局部增加。
图4示出了用于相同薄壁壳状部件10的内部加工的外部自调夹具100’”。该夹具包括厚壁板形式的安装基座1’”，该安装基座具有用于工作台(未示出)的安装孔2。厚壁刚性圆筒5’”由螺栓(未示出)固定在基座1’”的中心。圆筒5’”末端是通过螺栓11与盖12’”连接的法兰。两个改进的车轮内胎8’”具有对应于圆筒5”的内部半径的外部半径，并被充气以固定限制在壳状部件10’”、支承圆筒5’”、安装基座1’”和盖12’”内的内容物。每个内胎8’”在其外表面上有其自己的进气阀9’”并通过在圆筒5’”上为此用途提供的相应孔眼被固定。
一个多层牺牲衬垫6’”还环绕内胎8’”的内侧，靠着用于内部加工的壳状部件10’”的外表面。通过将弯曲的尼龙板7插入衬垫6’”的内层的内侧，靠着所要加工的薄壁，利用了小开口周围的局部增强。
图中部件10(在下文中使用的附图标记包括等同结构10’、10”、10’”)可包括火箭弹壳体或喷气发动机罩。薄壁火箭弹壳体或喷气发动机罩的大多数半成品是由难加工的材料(如耐热合金)制造的整块的铸件或锻件。在将不必要的部件质量减到最小方面，总是具有非常严格的要求。为给连接提供所有精确的接口，并消除锻件或铸件的所有不必要的质量以得到一个成品件，加工工作是不可避免的。通过采用图1至图4中所示类型的自调夹具，可以加工半成品10。
内部支承心轴或外部支承圆筒5在为薄壁保持充足的支承刚性和动态稳定性方面起关键作用。薄壁壳状/圆筒形部件10主要通过拉伸和弯曲应力以及没有剪切作用而得到平衡，以保持整体刚性。因此，心轴或圆筒5被制成如以上定义的厚壁。利用此刚性支承，充气件8通过多层衬垫6将均匀且法向的压力施加到薄壁上并用动态阻尼效应自调地固定薄壁表面。
所述的自调阻尼包括由薄壁上所述衬垫6的聚合物或弹性材料施加的动态阻尼以及由充气件8的阻尼腔吸收的能量。通过以下参照图5至图8可以证实这种自调阻尼效应。
图5表示在振动器激发和未使用夹具时测量的图1中所示薄壁圆筒形部件10的频率响应函数(FRF)总效果。根据上面曲线的对数表示，在频率范围约1000Hz的范围内观察到了振动模式13的明显收敛，其是按曲线上一组峰值确定的。根据以下曲线的线性表示，在相同频率范围内观察到不规则且弹回的阻尼较小的振幅14(此时，Hmax＝2.43g/N)。如所定义的，这些是薄壁壳状/圆筒形部件的典型的动态特性。
图6表示在振动器激发时测量的图1中所示薄壁心轴5的频率响应函数(FRF)总效果。根据上面曲线的对数表示，在频率范围约1000Hz的范围内存在振动模式15的明显稀少，其是按曲线上的可计数的稀少分布的峰值确定的。根据下面曲线的线性表示，在相同频率范围观察到规则的、小的振幅16(Hmax2＝0.12g/N，此时表示高刚性)。如所定义的，这些是厚壁部件的典型动态特性。
图7表示在振动器激发时测量的图1所示的同样薄壁筒形部件10的频率响应函数(FRF)总效果，但其中使用了本发明的可调夹具100，并且充气压力设定为2.0Bar。根据上面曲线的对数表示，在频率范围约1000Hz的范围内观察到不规则的但明显稀少的振动模式17，其是按曲线上可计数的稀少分布的峰值确定的。根据下面曲线的线性表示，在相同频率范围观察到不规则但强烈地被阻尼的振幅18(此时，Hmax3＝0.91g/N)。
具有图7中所示薄壁部件10和不具有图5中所示夹具之间的振幅比被定义为：RH＝Hmax3/Hmax1＝2.67。按定义，在使用了夹具时，对于所有薄壁壳状/圆筒形部件10，振幅比应在RH≥2.5的范围内，这是有效性判断的标准。
图8表示一组分别出自同样薄壁筒形部件10的静载荷测试结果，其中使用了图1所示自调夹具。这些结果是从充气内胎8的压力设为0.0、1.0和2.0Bar时为依据。在筒形部件10的中间部分的外表面上施加一个沿上下方向的圆点载荷F(在其扭曲极限内)并在相同点测量静态偏转X，对薄壁的一组平均支承刚性被定义为：
19:K1=ΣFX=155.36kN/mm,]]>
20:20:K2=ΣFX=360.38kN/mm]]>以及
21:21:K3=ΣFX=523.20kN/mm]]>
以上相应于各充气压力0.0、1.0和2.0Bar。从渐变阶段到Kd=K2K1=2.32]]>稳定阶段(与如下所述的椭圆形滞后圈22相同)的支承刚性比的增加表示自调夹具在对薄壁部件10的支承方面的效能。按定义，在使用夹具时，对所有薄壁壳状/圆筒形部件10，支承刚性比应在Kd≥3.0的范围，其为有效性判断标准。
还是根据图8，在充气压力从0.0、1.0到2.0Bar增加时，椭圆形滞后圈22被逐渐识别。按21：K3计算的且根据最大势能Ud识别的区域A被划分，夹具的自调阻尼效应被视为损失系数：22：Cd=Ad2πUd=0.18.]]>统计上地，损失系数Cd为用于根据工程结构或材料的复杂阻尼效应的通用测量，对一般的薄壁金属结构，Cd≤0.001，对粘有聚合物或弹性阻尼层的薄壁金属结构，001≤Cd≤0.1。按定义，对所有使用夹具时的薄壁壳状/圆筒形部件，损失系数应在Cd≥0.1范围内，这是涉及本发明的使用自调夹具的效果的有效性判断标准。
对于多于一个的单独夹具的情况，本发明示出一种用于薄壁壳状/圆筒形部件的自调夹具的设计方法，其用于使部件可以在充分支承刚性和动态稳定性的情况下被加工，以使加工精度和表面光洁度保持成满足可接受的工程标准。
按本发明定义，用于不同尺寸的薄壁壳状/圆筒形部件10的自调夹具的设计和有效性判断过程总结如下：
(1)薄壁部件10和厚壁部件5的确认。
a)通过几何尺寸：按定义。
b)通过动态特性：按定义，见图5和图6。
(2)使用自调夹具时，薄壁部件10的动态稳定性和自调阻尼的有效性判断。
a)通过动态特性：见图5和图7。
在4.0Bar的安全工作范围内，调节充气件8的充气压力，然后按图5和图7中所示在振动器激发时进行FRF总效果测试。按定义，对所用使用夹具时的薄壁壳状/圆筒形部件，振幅比应在RH≥2.5的范围内并且应在1000Hz的频率范围观察到振动模式17的明显稀疏，这是动态稳定性和自调阻尼效应的有效性判断标准。
b)通过静载荷测试：见图8。
按定义，对所有使用夹具时的薄壁壳状/圆筒形部件，应从图8所示的静载荷测试中观察到椭圆形滞后图圈22并且所确定的损失系数应在Cd≥0.1的范围内，这也是自调阻尼效应的有效性判断标准。
(3)自调支承刚性的有效性判断：见图8。
在4.0Bar的安全工作范围内，调节充气件8的充气压力，然后按8所示进行静载荷测试。按定义，对于所有使用夹具时的薄壁壳状/圆筒形部件，支承刚性比应在Kd≥3.0的范围内，这是自调支承刚性的有效性判断标准。
尽管上述涉及薄壁部件，本发明的夹具不局限于此，还可有利地用于厚壁部件。此夹具不仅按其能够容纳的部件的尺寸进行自调，而且借助于充气压力能够在其振动阻尼特性方面进行自调。
贯穿本说明书的描述和权利要求，术语“包括”和“包含”以及它们的变型，表示“包括但不局限于”，不是用来排除其它的组成部分、附加、部件、整体或阶段。
贯穿本说明书的说明和权利要求，单数形式也包括复数的含义，除非上下文另有要求。特别是，使用不定冠词的地方，要把说明书理解为预期复数以及单数，除非上下文另有要求。
所述的特点、整体、特性、成分、化学部分或群组连同本发明的特殊方面、实施例或实例一起应理解成适用于这里所述的任何其它方面、实施例或实例，除非不一致时。
读者的注意力被引向与本申请有关的说明书同时提交的或优先于本申请说明书提交的所有论文和文件以及通过本说明书而被公众所知的内容，所有这些论文和文件的内容通过引用方式合并在此。
此说明书(包括附带的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或所公开的任何方法或工艺的所有步骤可以任何组合方式组合，除这些特征和/或步骤中的至少一部分相互排斥的组合以外。
本说明书(包括附带的权利要求、摘要和附图)公开的每个特征可被用于相同、等同、或相似目的的可替代特征所替代，除非明确表示不是这样。因此，所guo公开的每个特征只是一通用系列的等同或类似特征中的一个实例，除非明确表示不是这样。
本发明不局限于任何前述实施例的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何附带的权利要求、摘要和附图)公开的特征的任何新颖的特征或任何新颖的组合、或所公开的任何方法或工艺的步骤的任何新颖的步骤或新颖的组合。