CN113389900B - 用于蒙皮类零件真空铣切夹具的异形密封圈及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于蒙皮类零件真空铣切夹具的异形密封圈，涉及飞机制造中的真空铣切夹具技术领域，包括底面结构、凸台结构和侧面结构，所述凸台结构为底面结构与侧面结构之间的过渡结构，所述侧面结构一端与凸台结构相连接；侧面结构另一端悬空且有倒角，所述底面结构、凸台结构与侧面结构的内表面形成中间镂空结构，所述侧面结构内侧与底面结构内侧呈48°±2°，以及该异形密封圈的使用方法，可有效保证密封结构在真空吸附后的夹紧及加工零件过程中，零件与夹具型面贴合紧密时，未出现漏气现象，制孔精度可以达到使用要求。

Description

用于蒙皮类零件真空铣切夹具的异形密封圈及其使用方法
技术领域
本发明涉及飞机制造中的真空铣切夹具技术领域，具体涉及用于蒙皮类零件真空铣切夹具的异形密封圈及其使用方法。
背景技术
随着航空工业的迅猛发展，新一代飞机的设计也向着“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、低成本”的目标发展，飞机上的异形、薄壁结构零件数量大幅提升，而这些零件的加工质量和精度对飞机的装配有着十分重要的影响。目前，飞机蒙皮类零件的数控加工多采用真空吸附方式进行夹紧，以实现零件的外形铣切和制孔。
真空铣切夹具中的橡胶密封绳，现有技术中多采用“O”型截面的实心海绵橡胶轴对整个真空腔进行密封。但“O”型截面的实心海绵橡胶轴在使用时安装操作不便，特别是钻孔区域附近的密封大都是采用截取密封槽圆周长度的海绵橡胶轴，再将海绵橡胶轴缠绕安装到密封槽中的方式进行密封的。这样的密封结构在真空吸附后的夹紧及加工零件过程中，橡胶轴接口处容易出现漏气现象，导致真空吸附失效，从而导致零件与夹具型面贴合不紧密的情况。而零件与夹具型面贴合不紧密时，容易导致制孔精度达不到使用要求，零件型面也容易因局部超过公差最终导致零件被报废。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异形密封圈，采用截面为“∠” 型结构的橡胶密封圈，配合以硅橡胶为主体的混炼胶材料制得的橡胶密封圈，特别适用于蒙皮类零件真空铣切夹具的密封。
本发明通过下述技术方案实现：
用于蒙皮类零件真空铣切夹具的异形密封圈，包括底面结构、凸台结构和侧面结构，所述凸台结构为底面结构与侧面结构之间的过渡结构，所述侧面结构一端与凸台结构相连接；侧面结构另一端悬空且有倒角，所述底面结构、凸台结构与侧面结构的内表面形成中间镂空结构，所述侧面结构内侧与底面结构内侧呈48°± 2°。
进一步地，所述底面结构为平面结构，所述底面结构与凸台结构通过圆弧过渡连接。
进一步地，所述凸台结构与侧面结构之间采用圆弧过渡连接。
进一步地，所述底面结构厚度、凸台结构高度以及侧面结构厚度均相同，为异形密封圈总高度的五分之一。
进一步地，侧面结构内侧与底面结构内侧呈48°。
进一步地，所述异形密封圈的单位长度上的反弹力小于0.038N/mm。
进一步地，所述异形密封圈是采用橡胶通过模具成型，再硫化后得到的密封圈结构。
一种异形密封圈的使用方法，使用前述的用于蒙皮类零件真空铣切夹具的异形密封圈，包括以下步骤：
a. 根据真空铣切夹具的密封槽宽度，选用与密封槽槽底匹配的异形密封圈，所述异形密封圈的侧面结构与底面结构呈角度α，异形密封圈满足46°≤α≤50°；
b.将该异形密封圈放置在真空铣切夹具的密封槽内，使异形密封圈的底面结构与密封槽底面相接触，且底面结构刚好可放置在密封槽底，所述异形密封圈的凸台结构与密封槽外侧相接触，再将待加工零件安装在真空铣切夹具与异形密封圈上方；
c. 真空吸附时，零件的内表面与真空铣切夹具的型面贴合，所述密封槽外侧与异形密封圈侧面结构形成近似真空腔A；异形密封圈被压缩，同时异形密封圈的中间镂空结构压缩并与密封槽内侧形成空气腔B；在真空吸附力作用的同时，由于上述真空腔A与空气腔B压差的存在，使空气腔中空气对密封圈侧壁产生一定压力，能更好的促进密封圈贴合零件表面，提高了真空吸附效果。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
一、本发明中，采用的截面呈“∠”型的异形密封圈，该异形密封圈中间开口的结构可以通过降低密封圈与零件的初始接触面积和密封圈结构硬度，来减小真空吸附过程中该异形密封圈的反向作用力；真空泵将工件与夹具接触面间的空气抽出并形成真空后，在大气压的作用下，异形密封圈形状改变，与密封槽形成真空腔和空气腔，由于压差的存在空气腔中空气对密封圈侧壁产生一定压力，能更好的促进密封圈贴合零件表面即提高了真空吸附效果，在零件制孔过程中不容易产生漏气现象，且密封圈安装操作方便。
二、本发明中，所述底面结构为平面结构，所述底面结构与凸台结构通过圆弧过渡连接。所述异形密封圈使用时需安装在密封槽内，其底面结构与密封槽底面相接触，密封槽在加工时，由于刀具圆角的结构，一般情况下密封槽截面不是呈规则的矩形开口，而是近似“U”形，即存在圆角；为了保证密封圈能匹配密封槽进行安装，需在底面结构与凸台结构通过圆弧过渡连接来避让密封槽底面与密封槽侧面的倒角。
三、本发明中，所述凸台结构与侧面结构之间采用圆弧过渡连接，能满足异形密封圈的结构要求。
四、本发明中，所述异形密封圈的底面结构厚度、凸台结构高度以及侧面结构的厚度相同，均为密封圈总高度的五分之一，可以满足预期要求。异形密封圈的厚度越厚，反弹力越大，反弹力太大会影响真空吸附；异形密封圈弹力相当小甚至可以忽略，工作时无法实现密封，同时，厚度太薄的密封圈在制造方面也无法实现。
五、本发明中，侧面结构内侧与底面结构内侧呈48°，这个角度是较为理想的设计角度，该角度下的异形密封圈，在从上端向下压至异形密封圈变形时，能够保证异形密封圈在安装槽内，同时还具有要求的弹力。
六、本发明中，所述异形密封圈的单位长度上的反弹力小于0.038N/mm，可以保证得到的异形密封圈适用于蒙皮类零件真空铣切夹具中。
七、本发明中，所述异形密封圈是采用橡胶通过模具成型，再硫化后得到的密封圈结构，这样的密封圈较于挤压成型的密封胶条，可更好的控制密封圈的结构和尺寸，精度较高。
八、本发明中，提供了一种将该异形密封圈用于蒙皮类零件真空铣切夹具的使用方法，根据具体应用环境下的密封槽结构，可确定异形密封圈的底面结构、凸台结构以及侧面结构的尺寸，使异形密封圈可以较好的用于蒙皮类零件真空铣切夹具中，达到预期效果。
附图说明
图1为异形密封圈的结构示意图。
图2是异形密封圈放置在真空铣切夹具密封槽中的剖面示意图。
图3是异形密封圈的剖面结构示意图。
其中，1、底面结构；2、凸台结构；3、侧面结构；4、中间镂空结构；5、避让孔；6、零件；7、密封槽；8、夹具型面；9、夹具主体；7-1、密封槽内侧；7-2、密封槽外侧；7-3、密封槽底面。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种用于蒙皮类零件真空铣切夹具的异形密封圈，涉及飞机制造中的真空铣切夹具技术领域，包括底面结构1、凸台结构2和侧面结构3，所述凸台结构2为底面结构1与侧面结构3之间的过渡结构，所述侧面结构3一端与凸台结构2相连接；侧面结构3另一端悬空且有倒角，所述底面结构1、凸台结构2与侧面结构3的内表面形成中间镂空结构4，所述侧面结构3内侧与底面结构1内侧呈48°± 2°。
本实施例为最基本的实施方式，得到的圆环状的异形密封圈，截面形状呈“∠”字形，便于安装，用于蒙皮类零件6真空铣切夹具的密封时，不容易出现漏气现象，真空吸附时零件6与夹具型面8紧密贴合，能达到制孔精度要求。
实施例2
本实施例以一种蒙皮零件真空铣切夹具密封槽7中的异形密封圈的安装工况为例，所述异形密封圈的结构参照图1所示：
所述异形密封圈的外形呈圆环状，异形密封圈的截面形状呈“∠”字形。具体包括底面结构1、凸台结构2和侧面结构3，所述凸台结构2为底面结构1与侧面结构3之间的过渡结构，所述侧面结构3一端与凸台结构2相连接；侧面结构3另一端悬空且有一定的倒角，所述底面结构1、凸台结构2与侧面结构3的内表面形成中间镂空结构4，所述侧面结构3内侧与底面结构1内侧呈48°± 2°。
进一步地，所述底面结构1为平面结构，所述底面结构1与凸台结构2通过圆弧过渡连接；所述凸台结构2与侧面结构3之间采用圆弧过渡连接。
进一步地，所述底面结构1厚度、凸台结构2高度以及侧面结构3的厚度相同，均为密封圈总高度的五分之一。
进一步地，所述异形密封圈的单位长度上的反弹力小于0.038N/mm。
进一步地，所述异形密封圈是采用橡胶通过模具成型，再硫化后得到的密封圈结构。
该异形密封圈的使用方法，使用前述的用于蒙皮类零件6真空铣切夹具的异形密封圈，包括以下步骤：
a. 根据真空铣切夹具的密封槽7宽度，选用与密封槽7槽底匹配的异形密封圈，所述异形密封圈的侧面结构3与底面结构1呈角度α，异形密封圈满足46°≤α≤50°；
b.将该异形密封圈放置在真空铣切夹具的密封槽7内，使异形密封圈的底面结构1与密封槽底面7-3相接触，且底面结构1刚好可放置在密封槽7底，所述异形密封圈的凸台结构2与密封槽外侧7-2相接触，再将待加工零件6安装在真空铣切夹具与异形密封圈上方；
c. 真空吸附时，零件6的内表面与真空铣切夹具的型面贴合，所述密封槽外侧7-2与异形密封圈侧面结构3形成近似真空腔A；异形密封圈被压缩，同时异形密封圈的中间镂空结构4压缩并与密封槽内侧7-1形成空气腔B。
该异形密封圈的角度α＞50°时，异形密封圈在受外力被压缩时，上端变形会有褶皱现象，用于零件6与真空铣切夹具真空吸附时，容易出现漏气现象；异形密封圈的角度α＜46°时，异形密封圈侧面结构3上端在受外力被压缩时，侧面结构3上端前缘处会进入零件6与型面之间，即被零件6与工装型面夹住，影响型面定位要求。
本异形密封圈选用以硅橡胶为主体的混炼胶，应用密封圈成型模具进行该异形密封圈的成型，成型后经一次硫化后进行脱模与修边工序，再进行二次硫化。应用此工艺成型的密封圈可更好的控制密封圈的结构尺寸，以及较好地保证密封圈单位长度上的反弹力不至于太大，控制在单位长度上的反弹力小于0.038N/mm。
依据真空吸附夹具原理，真空铣切夹具使用时，在真空吸附力的作用下密封条应充分压缩，使零件6与夹具定位面之间均匀贴合，以保证零件6加工高度尺寸精度。真空吸附力其计算公式为：
F=k（pa- p0）S-q1，
式中：F为夹紧力；k为密封系数，取0.8-0.85；pa为大气压强；p0为真空腔内残余气体压强；S为有效真空面积；q为当密封条从直径d压缩到密封槽7高度H时，单位长度上的反弹力；1为密封条总长度。
保证零件6在真空吸附夹具上夹紧可靠需保证足够的真空吸附力F，由上述公式可知，实际应用中公式中k、（pa- p0）的值是确定的，当设计的真空吸附夹具确定，则有效真空面积S与密封条总长度1也是确定的，所以真空吸附力F的值只与系数q（即密封条单位长度上的反弹力）有关，且应在满足密封圈使用时耐磨性、弹性的条件下，应使系数q的值尽可能小。
密封条单位长度上的反弹力q可通过试验测出。
下面以具体的一种蒙皮复合材料零件6局部需制直径为7mm的孔为例，对本技术方案进行更详细的说明，有助于理解本发明。
参考图2，在这样的零件6上对应真空铣切夹具上设置有直径为7.5mm的避让孔5，密封槽7宽度（即密封槽内侧7-1与密封槽外侧7-2之间的距离）为3mm，密封槽7深度（即密封槽底面7-3与真空铣切夹具型面8之间的距离）为2.7mm。
本发明中异形密封圈的截面尺寸图如图3所示。根据上述密封槽7尺寸，选定该异形密封圈截面尺寸如下：异形密封圈总体高度H3取3mm；异形密封圈的底面结构1的宽度H取3mm，厚度H1取0.6mm；凸台部分的高度H2取0.6mm；侧面结构3的厚度H3取0.6mm，其过渡倒角R1取0.3mm，R2取0.5mm；密封圈中间镂空结构4中倒角R取0.3mm，侧面结构3与底面结构1所成的夹角为48°，其余过渡圆弧半径设定为0.1mm。
将该异形密封圈与现有技术和使用中采用的“O”型截面的实心海绵橡胶轴分别安装在试验样件上，通过压力机加压并记录零件6与试验性型面贴合时的力值，经过多组试验计算出单位长度上密封固反弹力q的值，得出本技术方案中密封圈的q为0.038N/mm。而之前采用的“O”型截面的实心海绵橡胶轴的q值为0.134N/mm。
将本发明的异形密封圈安装在真空铣切夹具的密封槽7内，异形密封圈在高度方向凸出真空铣切夹具型面8尺寸为0.3mm。异形密封圈与密封槽底面7-3相接触，异形密封圈的凸台结构2与密封槽外侧7-2相接触，待加工零件6放置在真空铣切夹具与异形密封圈上方。在接通真空泵后，零件6的内表面与真空铣切夹具的型面贴合，密封槽外侧7-2与密封槽7侧面结构3形成近似真空腔A；密封圈被压缩，同时异形密封圈的中间镂空结构4压缩并与密封槽内侧7-1形成空气腔B；显然，空气腔B与真空腔A之间存在压力差，即异形密封圈的侧面结构3在压力作用下与零件6内表面的接触面积增大，且吸附零件6内表面与真空铣切夹具的型面贴合能力增强，真空吸附效果好，在零件6制孔过程中不容易产生漏气现象，使零件6制孔部位零件6定位可靠，保证制孔精度。
上述异形密封圈在实际使用中可见，在安装操作方面较“O”型截面的实心海绵橡胶轴更方便快捷，真空吸附效果更好，使用过程中未出现夹紧不牢、夹紧失效等现象，且使用寿命也可达到预期要求。
本实施例中使用橡胶材料的邵氏硬度A为20HS，为当前材料配比所能达到的最低硬度值。在上述条件下，需要再降低密封圈的反弹力，采取了本发明中异形密封圈的结构设计。其中，在确定密封圈厚度值时，设计了多组单因素变量对比试验。
采用上述材料及结构异形密封圈，设计厚度值从高到低，将密封圈分别安装在试验样件上，通过压力机加压并记录零件与试验件型面贴合时的力值，计算出单位长度上密封圈反弹力q。分析试验结果可知，以厚度值0.6mm为分界线，厚度大于0.6mm时，单位长度上密封圈反弹力q值逐渐增大，最大值可达到0.134N/mm；厚度小于0.6mm时，单位长度上密封圈反弹力q值减小，但厚度接近0.6mm的试验中发现，当零件放置在夹具上表面时，异形密封圈就已经完全压缩，说明密封圈弹力很小，工作时无法实现密封；同时密封圈的厚度也做不到更小，这在制造方面无法实现。
由上述试验可知，本发明中密封圈的厚度基于q值最小且满足使用及制造工艺要求的前提下取为0.6mm，此厚度是密封圈高度的五分之一，使用时效果最理想，在实际应用中可根据实际夹具设计情况进行适当调整。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种异形密封圈的使用方法，其特征在于，使用用于蒙皮类零件真空铣切夹具的异形密封圈，包括以下步骤：
a. 根据真空铣切夹具的密封槽（7）宽度，选用与密封槽（7）槽底匹配的异形密封圈，所述异形密封圈的侧面结构（3）与底面结构（1）呈角度α，异形密封圈满足46°≤α≤50°；
b.将该异形密封圈放置在真空铣切夹具的密封槽（7）内，使异形密封圈的底面结构（1）与密封槽底面（7-3）相接触，且底面结构（1）刚好放置在密封槽（7）底，所述异形密封圈的凸台结构（2）与密封槽外侧（7-2）相接触，再将待加工的零件（6）安装在真空铣切夹具与异形密封圈上方；
c. 真空吸附时，零件（6）的内表面与真空铣切夹具的型面贴合，所述密封槽外侧（7-2）与异形密封圈侧面结构（3）形成近似真空腔A；异形密封圈被压缩，同时异形密封圈的中间镂空结构（4）压缩并与密封槽内侧（7-1）形成空气腔B；
所述异形密封圈包括底面结构（1）、凸台结构（2）和侧面结构（3），所述凸台结构（2）为底面结构（1）与侧面结构（3）之间的过渡结构，所述侧面结构（3）一端与凸台结构（2）相连接；侧面结构（3）另一端悬空且有倒角，所述底面结构（1）、凸台结构（2）与侧面结构（3）的内表面形成中间镂空结构（4），所述侧面结构（3）内侧与底面结构（1）内侧呈48°±2°。
2.根据权利要求1所述的一种异形密封圈的使用方法，其特征在于：所述底面结构（1）为平面结构，所述底面结构（1）与凸台结构（2）通过圆弧过渡连接。
3.根据权利要求2所述的一种异形密封圈的使用方法，其特征在于：所述凸台结构（2）与侧面结构（3）之间采用圆弧过渡连接。
4.根据权利要求3所述的一种异形密封圈的使用方法，其特征在于：所述底面结构（1）厚度、凸台结构（2）高度以及侧面结构（3）厚度均相同，为异形密封圈总高度的五分之一。
5.根据权利要求4所述的一种异形密封圈的使用方法，其特征在于：侧面结构（3）内侧与底面结构（1）内侧呈48°。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种异形密封圈的使用方法，其特征在于：所述异形密封圈的单位长度上的反弹力小于0.038N/mm。
7.根据权利要求6所述的一种异形密封圈的使用方法，其特征在于：所述异形密封圈是采用橡胶通过模具成型，再硫化后得到的密封圈结构。
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大型数控真空铣夹的组合结构设计及模块化技术研究;金晓波;《新技术新工艺》;20091125(第11期);全文 *
机械浮动密封座铣床夹具设计;朱晓慧等;《南方农机》;20200615(第11期);全文 *
薄壁盒形件真空吸附装夹变形的计算方法研究;李勇等;《机械制造与自动化》;20180620(第03期);全文 *

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