紧固用于机械加工操作的工件的方法和用于这种工件的模具组合件与流程

本公开涉及一种通过将工件包封在冷冻流体中来紧固工件的方法，以及更具体地说但非排他地，涉及一种通过将由陶瓷基质复合材料形成的工件包封在冷冻流体中来紧固工件的方法。

背景技术：

陶瓷基质复合（cmc）材料是一类复合材料，其中陶瓷基质材料由方向性陶瓷纤维加强。cmc材料具有极佳高温性质且在高温应用中通常被认为是例如基于镍的超合金等金属合金的替代。

cmc材料通常要求例如研磨、钻探、碾磨或其它过程等机械加工过程以便达到工件的最终形状。然而，机械夹紧夹具可能会损坏易碎的陶瓷基质材料。可能难以使夹具抵靠cmc表面准确地安置。在呈模具样形式的连续cmc组件之间还可能会存在处于限定公差极限内的维度可变性，这进一步使其在夹具中的位置复杂化。另外，常规机械夹具通常会限制对工件的零件的接近，这继而要求使用多个夹具和机械加工操作且因此进一步增加了成品工件的成本和循环时间。

cmc材料的非均质和各向异性性质连同其高硬度使得其除了别的以外易于发生分层、边缘碎裂、纤维损坏和纤维拔脱。常规机械夹紧夹具难以向cmc组件的所有区域提供完全支撑以对抗机械加工力且防止以上提及的缺陷，所述提供完全支撑在纤维层压板和/或层的定向相对于切削方向（馈送方向）改变方向时是至关重要的。

技术实现要素：

根据本公开的第一方面，提供一种紧固用于机械加工操作的工件的方法，所述方法包括以下步骤：

（i）提供一模具，所述模具包括模具主体和模具腔；

（ii）将工件安放在模具腔内；

（iii）提供多个零件定位器杆，所述零件定位器杆中的每一个安置在模具主体中且突出到模具腔中，每个零件定位器杆的远端抵靠着工件的外表面；

（iv）提供一流体，所述流体填充限定在工件的外表面与模具腔的内表面之间的空隙；

（v）使模具、工件和流体冷却到流体的凝固点以下的温度；

（vi）从腔移除包封在冷冻流体中的工件，同时零件定位器杆从冷冻流体的外表面突出；

（vii）将包封的工件紧固在机床上；和

（viii）使用突出的零件定位器杆来将工件安放在机床上，为机械加工操作做好准备。

将cmc组件包封在冷冻流体中会向cmc组件的整个外表面提供机械支撑。这使得cmc组件能够在不经历邻近于机械加工的特征的分层、开裂、碎裂或纤维损坏的情况下进行机械加工。这继而改进了机械加工的cmc组件的质量。

使用冷冻流体来包封cmc组件实现了cmc材料的有成本效益的机械加工。

由于cmc组件的改进的位置安全性，因此将cmc组件安置在其整个外表面上方使得能够使用更激进的机械加工速率。这允许减少机械加工循环时间且因此减少成本。

冷冻流体包封的低温向机械加工过程提供冷却作用且可延长切削工具的寿命。这继而减少了机械加工成本。

本公开的包封方法的使用允许从一个机械加工配置到另一机械加工配置的快速而简单的转换，从而消除了由固定所致的对工件的损坏风险且实现了无污染危险。通过冷冻包封流体包封cmc组件实现了快速、灵活、稳固且因此有成本效益的固定过程。

cmc组件的包封可容易地适用于所有cmc组件大小和几何形状。此外，包封方法可容易地针对更大和更小组件按比例缩放。

包封cmc组件的冷冻流体的低温可向机械加工过程提供充分冷却以使得能够消除外部机械加工流体的供应和循环。这继而使得本公开的方法比现有技术更简单且更具成本效益。

包封工件的冷冻流体易于由任何常规切削工具进行机械加工，且因此不会不利地影响机床寿命。以此方式，本公开的方法不会导致切削工具成本的任何增加。

包封过程的可适用性使得用户能够容易地适应cmc组件中的多个设计改变，同时仍能够使用本公开的方法紧固cmc组件。因此，本公开的方法允许多个设计改变而不会发生随之而来的固定成本增加且因此可减少新产品引入（npi）成本。

本公开的方法使得能够通过仅仅允许冷冻包封流体熔融而从包封夹具简单地和直截了当地移除cmc组件。这消除了在从包封移除机械加工的cmc组件时对所述机械加工的cmc组件的任何损坏风险。

通过在组件紧固期间将cmc组件安置在其整个表面上方，本公开的方法对表面不规则性不敏感。此外，所述cmc组件向所有‘敏感’区域以及‘切削入口’和‘切削出口’区提供重要支撑，所述‘敏感’区域例如基本层压板、层或纤维束方向相对于切削力在垂直方向上定向的地方。

本公开的方法的另一个优点在于，与当使用常规机械夹具进行机械加工时经历的间歇性切削相比，包封工件的冷冻流体提供更稳定的切削力且通过冷冻流体和工件提供连续切削。在本公开的方法中，稳定的切削力应该会产生改进的工件质量和更长的工具寿命。

任选地，模具腔的大小被设定成容纳工件，其中在工件的外表面与模具腔的内表面之间具有预定间隙。

模具腔的大小和形状根据在工件的外表面与模具腔的内表面之间提供最小预定间隙的需要指定。此最小预定间隙可除了别的以外随工件的绝对大小、在机械加工过程期间被移除的材料的量和工件的形状而变化。

更小工件可要求工件的外表面与模具腔的内表面之间的更小预定间隙。预定间隙的大小对应于包封工件的冷冻流体的厚度。

如果将在单次操作中从工件移除更大数量的材料，即，更大切削深度，那么这可要求工件的外表面与模具腔的内表面之间的更大预定间隙。形状不规则的组件或具有特别细长几何形状的组件可要求工件的外表面与模具腔的内表面之间的更大预定间隙。

工件的外表面与模具腔的内表面之间的预定间隙（即，冷冻流体的厚度）可针对工件的特定特征进行调整以匹配选定切削策略和所得切削力。举例来说，如果将通过工件钻探孔，那么间隙（冷冻流体厚度）在孔出口侧将会更大。

任选地，步骤（vi）包括以下额外后续步骤：

（vi）'将包封的工件安放在冷却夹具上。

冷却夹具的使用使得包封的cmc组件能够安置在机械加工设备上持续更长时间段而不会发生冰包封的衰减。在一个布置中，冷却夹具的大小被设定成无限期地维持冰包封。在此布置中，包封的cmc组件可保持在机械加工设备上持续无限时间段，同时维持冰包封的完整性。

在另一布置中，冷却夹具的大小可被设定成减缓冷冻流体包封的衰减。这将要求更小、更轻和成本更低的冷却夹具，但可能会限制冰包封可依赖以紧固地安放cmc组件的时间长度。

任选地，步骤（iii）包括以下额外后续步骤：

（iii）'将零件定位器杆安放在正交x和y方向中的每一个上，每个零件定位器杆被安放成抵靠工件以便将工件安置在x-y平面中。

在x和y方向中的每一个上使用零件定位器杆使得能够将工件安置在x-y平面中。为了实现例如孔钻探等简单的机械加工操作，此x-y位置可能是足够的，且因此提供在位置上安置工件的简单和有成本效益的手段。

任选地，步骤（iii）包括以下额外后续步骤：

（iii）'将零件定位器杆对安放在三个正交x、y和z方向中的每一个上，每个零件定位器杆对安放成相对布置以抵靠工件以便将工件安置在三个x、y和z平面中的每一个中。

在三个x、y和z方向中的每一个上使用零件定位器杆对，其中每个相应零件定位器杆对成相对布置且抵靠工件，使得能够在工件已经被包封在冷冻流体中之后在x、y和z平面中将工件精确地安放在机床上。这允许准确地和精确地对工件进行任何机械加工操作而不需要接近工件的表面。

任选地，流体是水。

由于水容易获得且容易处理，因此使用水用于包封流体使得本公开的方法简单且有成本效益。

任选地，冷却夹具选自由以下各项组成的群组：热电冷却装置和感应冷却板。

热电冷却装置可以是例如peltier板，或者液体或气体冷却装置（例如，低温冷却、co2冷却）。这些热电冷却装置可经由外部冷却喷嘴供应有冷却介质。可替代地，定位器杆可以是中空的且冷却介质可通过中空定位器杆供应。在另一个替代方案中，冷却介质可通过特殊通道供应。

由冷却夹具实现的冷却机构可连续地应用以冷却包封的工件。可替代地，由冷却夹具实现的冷却机构可间歇地应用以冷却包封的工件。

冷却夹具可采取平面冷却板的形式。可替代地，冷却夹具可采取外部冷却设备的形式，例如，使用喷嘴来将冷却流引导到包封的工件上、通过定位器杆或通过布置在包封中的通道或管。

可替代地，冷却夹具可采取冷却垫的形式。冷却垫可与包封的cmc工件的一个或多个部分共形。共形冷却垫的使用会在冷却垫与包封的工件之间提供增加的表面积接触且因此增加了冷却夹具的冷却效率。

任选地，步骤（vii）包括以下额外后续步骤：

（vii）'冷却机床。

向机床提供冷却将防止机床的热质量将热能传输到冷冻包封的工件且因此将进一步辅助维持工件包封的完整性。

任选地，流体进一步包括矿物油以及乳化剂。

向冷冻流体增加矿物油以包封工件将减小切削工具在工件的机械加工期间经历的切削力。在冷冻流体中并入矿物油消除了提供分开的切削液供应和循环系统的需要，从而使得本公开的方法更加简单且更加便宜。

任选地，乳化剂是清洁剂。

清洁剂的使用将改进矿物油在用于包封工件的流体中的掺混性且因此实现矿物油遍及包封体积的更均匀的分布。

任选地，模具主体以两个或多于两个模具主体部分形成。

以两个或多于两个部分提供模具主体使得当在冷冻包封流体之后移除工件时能够容易地拆卸模具主体。这使得能够重新使用模具主体。

在另一布置中，模具主体形成为单个部分，所述单个部分在冷冻包封流体之后发生断裂。只要将机械加工有限数量的工件，此替代布置就可更加简单且更加便宜。

在另一个替代布置中，模具主体可由例如聚合物等柔性材料形成，所述柔性材料可在流体已经被冷冻之后从包封的工件剥离。

根据本公开的第二方面，提供一种用于工件的模具组合件，所述模具组合件包括：

模具主体；和

模具腔，所述模具主体包封模具腔，

其中所述模具主体包括多个零件定位器杆，零件定位器杆中的每一个安置在模具主体中且突出到模具腔中。

模具主体可由金属、塑料、橡胶或这些材料的组合形成。

零件定位器杆可由金属材料形成，所述金属材料例如钢、铝合金或钛合金。可替代地，所述零件定位器杆可由聚合物或纤维加强复合材料形成。用于零件定位器杆的此材料可被选择来在机械加工操作期间向包封的工件提供振动阻尼，以及提供工件的安放位置。

另外，零件定位器杆的横截面几何形状、形式和形状可取决于工件的大小和几何形状进行调整，例如，以提供与工件增加的接触面积或提供抵靠球形工件表面的共形抵靠表面。

任选地，模具主体以两个或多于两个模具主体部分形成。

以两个或多于两个部分提供模具主体使得当在冷冻包封流体之后移除工件时能够容易地拆卸模具主体。这使得能够重新使用模具主体。

在另一布置中，模具主体形成为单个部分，所述单个部分在冷冻包封流体之后发生断裂。只要将机械加工有限数量的工件，此替代布置就可更加简单且更加便宜。

任选地，模具主体包括至少两个零件定位器杆，其中一零件定位器杆在正交x和y方向中的每一个上对准以将安放在模具腔中的工件安置在x-y平面中。

在x和y方向中的每一个上使用零件定位器杆使得能够将工件安置在x-y平面中。为了实现例如孔钻探等简单的机械加工操作，此x-y位置可能是足够的，且因此提供在位置上安置工件的简单和有成本效益的手段。

任选地，模具主体包括至少六个零件定位器杆，其中对应零件定位器杆对成相对布置在三个正交x、y和z方向中的每一个上对准以将安放在模具腔中的工件安置在三个x、y和z平面中的每一个的对应平面中。

在三个x、y和z方向中的每一个上使用零件定位器杆对，其中每个相应零件定位器杆对成相对布置且抵靠工件，使得能够在工件已经被包封在冷冻流体中之后在x、y和z平面中将工件精确地安放在机床上。这允许准确地和精确地对工件进行任何机械加工操作而不需要接近工件的表面。

根据本公开的第三方面，提供一种用于紧固用于机械加工操作的工件的零件套件，所述零件套件包括：

根据第二方面的模具组合件；和

多个零件定位器杆。

本公开的说明性方面被设计成解决本文中所描述的问题中的一个或多个和/或未论述一个或多个其它问题。

附图说明

下文是借助于非限制性实例参考附图对本公开的实施例的描述，在附图中：

图1示出根据本公开的第一实施例的模具组合件的示意性截面图；

图2示出图1的模具组合件的示意性截面图，其中工件和零件定位器杆在适当位置；

图3示出图2的组合件的示意性截面图，其中进一步添加了流体；

图4示出根据本公开的第二实施例的模具组合件的示意性截面图；

图5示出如由图4的模具组合件布置的安放在冷却板上的包封的工件和零件定位器杆的示意性平面图；且

图6示出安装在机床上的图5的组合件的示意性正视图。

应注意，图式可能未按比例绘制。图式旨在仅描绘本公开的典型方面，且因此不应视为是对本公开的范围的限制。在图式中，相同的数字表示图式之间的相同元件。

具体实施方式

参考图1到3，根据本公开的一实施例的模具组合件大体上由附图标记100指定。

模具组合件100包括模具主体120和模具腔130，其中模具主体120包封模具腔130。在此布置中，模具主体120包括第一模具主体部分127和第二模具主体部分128，所述第一模具主体部分127和第二模具主体部分128在装配时一起形成包封的模具腔130。第一模具主体部分127和第二模具主体部分128可由金属、塑料、陶瓷或另一可成形的材料形成。

在另一布置中，模具主体120可形成为单件且包封模具腔130。

模具腔130具有内表面122和填充端口126。填充端口126允许模具主体120的外部与模具腔130之间的流体连通。填充端口126使得流体能够被引入到模具腔130。

工件110安放在模具主体120内侧的模具腔130内，如图2中所说明。模具腔130被成形以容纳工件110。预定间隙132限定在模具腔的内表面122与工件110的外表面112之间。预定间隙132设置在工件110的整个外表面112上方。换句话说，模具腔130具有与工件110的外表面112类似的几何形状，但比工件大至少预定间隙132。预定间隙132在工件110的整个外表面112上方可以是一致的。

在一替代布置中，模具腔130可具有与工件110的外表面112的几何形状不同的几何形状以便在工件110的外表面112上方提供不同预定间隙132。如先前所描述，此不同预定间隙132可被提供来适应不同切削条件-或向细长工件110提供额外支撑。

在本公开的实施例中，工件110是层压的cmc组件110。在其它布置中，工件110可由不同复合材料形成或可由单块材料形成。

模具主体120进一步包括多个零件定位器杆孔124，其中每个零件定位器杆孔124延伸通过模具主体120以提供进入模具腔130的通道。在本布置中，模具主体120包括三个零件杆定位器孔124。

零件定位器杆140容纳在每个对应零件定位器杆孔124中。每个零件定位器杆140具有远端142和近端144。每个远端142安放在模具腔130内且抵靠工件110的外表面112，而每个对应近端144从模具主体120突出。

零件定位器杆140使得能够准确地确定工件110的外表面112的空间位置而不需要接近外表面112。

参考图4，根据本公开的第二实施例的模具组合件大体上由附图标记200指定。为了易于参考，模具组合件200的对应于模具组合件100的特征的特征已经被赋予对应附图标记。

模具组合件200包括模具主体220和模具腔230，其中模具主体220包封模具腔230。在此布置中，模具主体220形成为单个零件。如上文所概述，模具主体220可由金属、塑料、陶瓷或另一可成形的材料形成。

模具腔230具有内表面222和填充端口226。填充端口226允许模具主体220的外部与模具腔230之间的流体连通。填充端口226使得流体能够被引入到模具腔230。

工件110安放在模具主体220内侧的模具腔230内，其中模具腔230被成形以容纳工件110。

在图中所示出的实施例中，模具主体120包括七个零件定位器杆孔224，其中零件定位器杆孔在三个正交x、y和z平面中的每一个中对准以便将工件110安置在三个x、y和z平面中的每一个中。

返回到如图1到3中所示出的模具组合件的第一实施例，在使用时，工件110被安放在模具腔230内，同时零件定位器杆140被插入到零件定位器杆孔224的对应零件定位器杆孔中且抵靠工件110的外表面112。此时，空隙160限定在工件110的外表面112与模具主体220的内表面222之间。

一定体积的流体150接着被倒入入口端口126中以填充空隙160。在本实施例中，流体150是水以及矿物油和乳化剂添加剂154的混合物。矿物油提供用于后续机械加工操作的冷却和润滑效果，而乳化剂确保矿物油保持悬浮在水中。

在一替代布置中，基于水的添加剂可与水150混合以向切削过程提供冷却和润滑。

模具组合件100与包封的工件110和流体150接着被冷冻。由流体150的冷冻（即，在从液体改变为冷冻固体期间）所致的体积增加会产生作用于工件110的压缩力。

工件110被从模具主体120移除，同时零件定位器杆140保持在冷冻流体150中且仍抵靠工件110的外表面112。包封的工件接着被置于冷却夹具上以减少冷冻流体150的熔融。

图5说明根据第二实施例的已经安放在冷却夹具152上以减少冷冻流体150的熔融的包封的工件280。在本公开的实施例中，冷却夹具152是peltier板152。

图6示出安放在机床190上的包封的工件280和冷却夹具152，其中零件定位器杆140中的每一个抵靠对应机床基准表面192安置。换句话说，每个零件定位器杆140的近端144抵靠对应机床基准表面192安置。这确保了在包封的工件280安放在机床190上的情况下，可根据零件定位器杆140的近端144的空间位置来准确地确定工件110的空间位置。

接着可使用机床190对包封的工件280执行一个或多个机械加工操作。机械加工操作将在冷冻流体150切入工件110之前移除冷冻流体150。

本公开包含可使用对象装置执行的方法。所述方法可包括提供这种合适的装置的行为。此类提供可由终端用户执行。换句话说，“提供”行为仅仅要求终端用户获得、接近、趋近、安放、配置、启动、上电或以其它方式作用以在本发明方法中提供必需的装置。本文中所叙述的方法可按所叙述的事件的逻辑上可能的任何次序以及按所叙述的事件次序执行。

除其中相互排斥外，可分别或与任何其它特征组合采用任何特征，且本公开延伸到且包含本文中所描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

出于说明和描述的目的，已经呈现本公开的各种方面的前述描述。对所属领域的技术人员可清楚的此类修改和变化形式包含在如由所附权利要求书所限定的本公开的范围内。