CN110355985A - 一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置 - Google Patents

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Abstract

一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置，包括固定板，固定板通过夹紧块固定有底板，底板上连接有下盖板，下盖板和上盖板通过大螺柱和螺母连接，并且下盖板和上盖板之间由内向外夹持有环形支撑箍和待校形的大尺寸环类件，环形支撑箍、待校形的大尺寸环类件上下垫有聚氨酯垫片，大尺寸环类件内壁与环形支撑箍外壁构成的环缝间均布有橡皮囊胀形部件，橡皮囊胀形部件通过可抽液和充液的液压源控制橡皮囊的膨胀与收缩，与大尺寸环类件内壁接触并施加均布的校形载荷，大尺寸环类件在校形过程中圆度的变化由安装在悬臂结构上的圆度传感器测量；本发明具有成本低、精度高、灵活性高的优点，并且还适合对异形截面的环类件校形。

Description

一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置
技术领域
本发明涉及大尺寸环类零件校形技术领域，具体涉及一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置。
技术背景
大尺寸环类零件具有重量轻、节约能源和材料等优点，被广泛地运用于航空航天领域。大尺寸环类零件的直径通常大于1m，特殊情况可超过到10m，这类型的环类零件通常通过辗环工艺制备而成，本身有较高的精度，但由于后续热处理工艺的影响，大尺寸环类件易发生变形，产生“失圆”现象，影响零件尺寸精度。
现阶段对大尺寸环形大尺寸环类件校形的主要措施是在加工和热处理工艺完成后，由大型机械校形装置校形，通过机械结构撑圆，减小环形大尺寸环类件变形偏差。这种方法常需要配备相应尺寸的校形机械和压力机，成本高、灵活性低，机械校形力是分段给予，校形大尺寸环类件时不易校圆，并且，该校形方案并不能很好地消除大尺寸环类件内部不均匀的残余应力，不利于后续加工。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置，特别适合对大直径(直径10m)的大尺寸环形零件进行校形工艺，并且还适合对异形截面，即环的截面形状不规则的环类件校形，结构简单，校形效率高，并能多次测量卸掉校形力后的环件的圆度，判断是否达到合格范围，避免了残余应力的干扰，提高产品校形的精度和成品率。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置，包括带多道滑动槽的固定板10，固定板10通过沿圆周均布在滑动槽中的夹紧块14固定有底板15，底板15上连接有下盖板13，下盖板13和上盖板4通过大螺柱2和螺母3连接，并且下盖板13和上盖板4之间由内向外夹持有环形支撑箍9和待校形的大尺寸环类件7，环形支撑箍9、待校形的大尺寸环类件7上下垫有聚氨酯垫片5，形成紧密的夹持结构，大尺寸环类件7内壁与环形支撑箍9外壁构成的环缝间均布有橡皮囊胀形部件8，橡皮囊胀形部件8通过可抽液和充液的液压源19控制橡皮囊的膨胀与收缩，与大尺寸环类件7内壁接触并可施加均布的校形载荷，大尺寸环类件7在校形过程中圆度的变化由安装在悬臂结构1上的圆度传感器6测量。
所述的螺柱2头部安装在底板15上表面均布的安装孔中被焊接紧，使整个夹持结构固定。
所述的环形支撑箍9侧面为曲面，使得橡皮囊收缩时尽可能地贴近环形支撑箍9，易于大尺寸环类件7的安装。
所述的橡皮囊胀形部件8包括橡皮囊胀形表面8-1和通过粘结剂连接橡皮囊的通液管道8-2，橡皮囊胀形表面8-1布置在大尺寸环类件7的内壁与环形支撑箍9的外壁之间，通液管道8-2固定在环形支撑箍9上的圆孔中，通液管道8-2与可抽液和充液的液压源19相连。
所述的橡皮囊胀形表面8-1制成壁厚不均匀的弹性面，增加在橡皮囊圆角附近和变形较大位置的壁厚，在变形较小的位置连接橡皮囊表面构成密封腔。
所述的悬臂结构1包括横杆1-1，横杆1-1的两侧通过连接件1-2和竖杆1-3的顶端连接，竖杆1-3底部安装圆度传感器6，横杆1-1中部通过连接件1-2和可调长度的支撑杆1-4顶部连接，支撑杆1-4通过滚动轴承11安装在套筒12内，套筒12与固定板10焊接，支撑杆1-4底端与安装在固定板10中心的电机16输出轴连接。
所述的大尺寸环类件7为异形环，即其截面形状不规则，通过对大尺寸环类件7的侧壁上内凹部分或者外凸部分的两侧填充足够的聚氨酯填充物18，使大尺寸环类件7在校形过程中的侧壁的受力尽可能地均匀。
本发明的有益效果为：
相较于传统的机械校形，本发明使用橡皮囊胀形部件8给予校形力，可大大降低校形成本，提高大尺寸环类件7各个位置受力的均匀性；由于使用的橡皮囊为柔性表面，环形支撑箍9制作时对圆度和表面粗糙度要求并不高，并且只需使用不同尺寸的环形支撑箍9和底板15，就可以对不同型号的大尺寸环类件7进行校形工艺，提高了校形装置灵活性。本发明还适合对异形截面的大尺寸环类件7校形，即截面为形状不规则的环类件校形。
由于本发明设有检测大尺寸环类件7表面圆度的圆度传感器6，故可以测量大尺寸环类件7在加校形力和卸去校形力时的圆度变化，提高校形精度；并且由于橡皮囊对大尺寸环类件7施加的是均匀的压力，可以将大尺寸环类件7中因前面加工和热处理产生的不均匀的残余应力转变为均匀的环绕圆周的拉应力，有利于保证后续加工精度。
附图说明
图1为本发明装置的轴测图。
图2为本发明装置的剖视图。
图3为本发明橡皮囊充液状态的剖视图。
图4为本发明橡皮囊胀形部件轴测图。
图5为本发明悬臂系统的示意图。
图6为本发明针对异形截面的环类件校形的示意图。
图7为本发明橡皮囊校形工作流程图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参照图1、图2、图3、图4和图5，一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置，包括带多道滑动槽的固定板10，固定板10通过沿圆周均布在滑动槽中的夹紧块14固定有底板15，底板15上连接有下盖板13，下盖板13和上盖板4通过大螺柱2和螺母3连接，并且下盖板13和上盖板4之间由内向外夹持有环形支撑箍9和待校形的大尺寸环类件7，环形支撑箍9、待校形的大尺寸环类件7上下垫有聚氨酯垫片5，形成紧密的夹持结构，大尺寸环类件7内壁与环形支撑箍9外壁构成的环缝间均布有橡皮囊胀形部件8，橡皮囊胀形部件8通过可抽液和充液的液压源19控制橡皮囊的膨胀与收缩，与大尺寸环类件7内壁接触并可施加均布的校形载荷，大尺寸环类件7在校形过程中圆度的变化由安装在悬臂结构1上的圆度传感器6测量。
在实际运用中，使用螺栓固定夹紧结构，可以应对大尺寸环类件7产量小，压力机成本高的现状；通过夹紧块14在固定板10表面的滑槽中的运动，可以固定不同尺寸的底板15，进而实现对不同尺寸的大尺寸环类件7的校形，灵活性高；采用聚氨酯垫片5能够填补大尺寸环类件7与上盖板4、下盖板13、环形支撑箍9之间的缝隙，防止橡皮囊在充液胀形时漏出，也能避免橡皮囊表面被刮破；上盖板4限制了橡皮囊胀形部件8工作时竖直方向的变形程度。
所述的螺柱2头部安装在底板15上表面均布的安装孔中被焊接紧，使整个夹持结构固定。
所述的环形支撑箍9侧面为曲面，使得橡皮囊收缩时尽可能地贴近环形支撑箍9，易于大尺寸环类件7的安装。
参照图4，所述的橡皮囊胀形部件8包括橡皮囊胀形表面8-1和通过粘结剂连接橡皮囊的通液管道8-2，橡皮囊胀形表面8-1布置在大尺寸环类件7的内壁与环形支撑箍9的外壁之间，通液管道8-2固定在环形支撑箍9上的圆孔中，通液管道8-2与可抽液和充液的液压源19相连；工作时，油液17经由通液管道8-2流入连接橡皮囊的内腔，使橡皮囊膨胀；由于橡皮囊在实际胀形过程中，各个位置的变形程度不同，对各个方向变形程度的需求也不同，为了减小橡皮囊表面的拉伸现象，提高橡皮囊寿命，将橡皮囊胀形表面8-1制成壁厚不均匀的弹性面，增加在橡皮囊圆角附近和变形较大位置的壁厚，在变形较小的位置连接橡皮囊表面构成密封腔，并连接上通液管道8-2，减少橡皮囊工作过程中的破裂状况。
参照图5和图2，所述的悬臂结构1包括横杆1-1，横杆1-1的两侧通过连接件1-2和竖杆1-3的顶端连接，竖杆1-3底部安装圆度传感器6，保持横杆1-1两侧对称；横杆1-1中部通过连接件1-2和可调长度的支撑杆1-4顶部连接，支撑杆1-4通过滚动轴承11安装在套筒12内，套筒12与固定板10焊接，由滚动轴承11与套筒12限制其径向的自由度，支撑杆1-4底端与安装在固定板10中心的电机16输出轴连接；工作时，电机16带动整个悬臂结构1转动，使圆度传感器6绕整个大尺寸环类件7进行检测，并可以通过调整支撑杆1-4的长度，测量大尺寸环类件7不同高度的圆度；使用两个圆度传感器6进行检测，能够通过数据比对减小悬臂结构1刚度、安装时与大尺寸环类件7的同轴度等因素对检测的影响。
参照图6，所述的大尺寸环类件7可以为异形环，即其截面形状不规则，通过对大尺寸环类件7的侧壁上内凹部分或者外凸部分的两侧填充足够的聚氨酯填充物18，使大尺寸环类件7在校形过程中的侧壁的受力尽可能地均匀。
为了对实际校形过程中橡皮囊胀形部件8的胀形压力大小给出指导意见，需要通过理论分析，已知计算校形载荷的公式如下：
由于大尺寸环类件表面所受压力远小于面内应力，按平面应力来考虑，由Mises屈服准则：
σθ＝Pσs＝β(σmax-σmin)
其中：Rθ为环类件半径，σθ为被校形大尺寸环类件的材料的流动应力，t为被校形大尺寸环类件壁厚，σs为被校形大尺寸环类件的材料的屈服应力，β为中间主应力影响系数。
根据研究表明，为了尽可能地消减被校形零件的残余应力，橡皮囊胀形部件8对大尺寸环类件7内壁作用的校形载荷需要产生1.5％～3％的塑性变形；故根据的不同的大尺寸环类件7对应的不同的材料和尺寸，得出与材料塑性变形相关的屈服应力σs、壁厚t和环类件半径Rθ的大小，进而根据主应力系数β和消减残余应力的需求推导出橡皮囊胀形部件8合理的载荷范围。
对于异形环类零件，不同壁厚t处的校形载荷范围的推算方法类似，由于橡皮囊胀形部件8对异形环类零件内壁各个位置施加的压力大小近似，需对各个位置的合理区间取交集，最后得到合适的校形载荷范围。
本发明的工作原理为：
组装过程：首先在固定板10上用沿圆周均布在滑动槽中的夹紧块14将底板15固定，将螺柱2头部安装在底板15上表面的各个安装孔中并焊接紧，然后将下盖板13、一层聚氨酯垫片5和环形支撑箍9依次沿内圈的螺柱2套入，布置在底板15上，随后沿环形支撑箍9侧壁均匀布置橡皮囊胀形部件8，连接橡皮囊的通液管道8-2穿过环形支撑箍9侧壁上的孔洞，与可实现抽液和充液功能的液压源19相连，构成液压回路；在安放大尺寸环类件7时先将橡皮囊胀形部件8内腔的液体和空气抽走，使橡皮囊尽可能地收缩，贴近环形支撑箍9，方便大尺寸环类件7的安放，接着在环形支撑箍9上方沿螺柱2依次套入另一层聚氨酯垫片5和上盖板4，拧紧螺母3将大尺寸环类件7夹紧，并将聚氨酯垫片5挤压以填满缝隙；最后将电机16安装在固定板10中心，使用滚动轴承11和套筒12，将悬臂结构1固定在固定板10中部，支撑臂1-4与电机16的输出轴相连，在悬臂结构1的两侧竖杆1-3上安装圆度传感器6，搭建测量系统，完成整个大尺寸环类件精密校形装置的安装。
校形过程：如图7所示，待校形大尺寸环类件7的上下端面由聚氨酯垫片5、上盖板4与下盖板13在螺柱2、螺母3和环形支撑箍9的连接下夹紧，起到固定大尺寸环类件7和防止橡皮囊竖直方向胀形过度的作用；考虑到校形时大尺寸环类件7存在的弹性变形对于校形精度的干扰，在控制中心的控制下，液压源19先通入一定压强的油液17，经由通液管道8-2，使橡皮囊内腔充满油液，橡皮囊胀形表面8-1发生膨胀，从图2的状态变为图3的状态，与大尺寸环类件7侧面接触并施加均匀的校形力，电机16带动悬臂结构1上的圆度传感器6绕整个大尺寸环类件7不同高度的圆周旋转，采集通过橡皮囊胀形部件8加载校形力时大尺寸环类件7稳定状态不同高度的圆度，对比两个圆度传感器6在同一高度采集的数据，减小安装同轴度、结构刚度等因素对测量精度的影响；维持载荷一段时间后，液压源19切换到抽液状态，抽取橡皮囊内腔中的油液17，使橡皮囊收缩，变回图2的状态，此时测量卸去校形力时大尺寸环类件7不同高度的圆度，并与前一组加校形力时测得的圆度数据进行比较，若卸力后大尺寸环类件7的圆度相比加校形力时变化不大，且圆度满足了加工要求，则可拆卸校形装置，取出大尺寸环类件7，完成校形工艺，若圆度还未满足加工要求，则重复上述过程，给橡皮囊充液胀形，直到圆度达到要求为止。
若待校形的大尺寸环类件7是异形件，即其截面并不规则，则在安装过程中，可以对大尺寸环类件7的侧壁上内凹部分或者外凸部分的两侧填充足够的聚氨酯填充物18，使大尺寸环类件7在校形过程中的侧壁的受力尽可能地均匀，具体的校形过程与普通的大尺寸环类件相同。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置，其特征在于：包括带多道滑动槽的固定板(10)，固定板(10)通过沿圆周均布在滑动槽中的夹紧块(14)固定有底板(15)，底板(15)上连接有下盖板(13)，下盖板(13)和上盖板(4)通过大螺柱(2)和螺母(3)连接，并且下盖板(13)和上盖板(4)之间由内向外夹持有环形支撑箍(9)和待校形的大尺寸环类件(7)，环形支撑箍(9)、待校形的大尺寸环类件(7)上下垫有聚氨酯垫片(5)，大尺寸环类件(7)内壁与环形支撑箍(9)外壁构成的环缝间均布有橡皮囊胀形部件(8)，橡皮囊胀形部件(8)通过可抽液和充液的液压源(19)控制橡皮囊的膨胀与收缩，与大尺寸环类件(7)内壁接触并施加均布的校形载荷，大尺寸环类件(7)在校形过程中圆度的变化由安装在悬臂结构(1)上的圆度传感器(6)测量。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置，其特征在于：所述的螺柱(2)头部安装在底板(15)上表面均布的安装孔中被焊接紧，使整个夹持结构固定。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置，其特征在于：所述的环形支撑箍(9)侧面为曲面，使得橡皮囊收缩时尽可能地贴近环形支撑箍(9)，易于大尺寸环类件(7)的安装。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置，其特征在于：所述的橡皮囊胀形部件(8)包括橡皮囊胀形表面(8-1)和通过粘结剂连接橡皮囊的通液管道(8-2)，橡皮囊胀形表面(8-1)布置在大尺寸环类件(7)的内壁与环形支撑箍(9)的外壁之间，通液管道(8-2)固定在环形支撑箍(9)上的圆孔中，通液管道(8-2)与可抽液和充液的液压源(19)相连。
5.根据权利要求4所述的一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置，其特征在于：所述的橡皮囊胀形表面(8-1)制成壁厚不均匀的弹性面，增加在橡皮囊圆角附近和变形较大位置的壁厚，在变形较小的位置连接橡皮囊表面构成密封腔。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置，其特征在于：所述的悬臂结构(1)包括横杆(1-1)，横杆1-1的两侧通过连接件(1-2)和竖杆(1-3)的顶端连接，竖杆(1-3)底部安装圆度传感器(6)；横杆(1-1)中部通过连接件(1-2)和可调长度的支撑杆(1-4)顶部连接，支撑杆(1-4)通过滚动轴承(11)安装在套筒(12)内，套筒(12)与固定板(10)焊接，支撑杆(1-4)底端与安装在固定板(10)中心的电机(16)输出轴连接。
7.根据权利要求1所述的一种大尺寸环类件的橡皮囊精密校形装置，其特征在于：所述的大尺寸环类件(7)为异形环，即其截面形状不规则，通过对大尺寸环类件(7)的侧壁上内凹部分或者外凸部分的两侧填充足够的聚氨酯填充物(18)，使大尺寸环类件(7)在校形过程中的侧壁的受力尽可能地均匀。
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