专利名称：加工由多个薄壁管构成并具有旋转表面的部件的方法
技术领域：
本发明涉及制造三维部件或体的方法，其中部件或体具有旋转表 面形式的面并具有由被小厚度的壁分开的多个腔体构成的结构。本发 明更具体地涉及加工由薄壁空心体构成的结构从而制造上述部件的方 法。
背景技术：
此类部件(例如流体交换柱的包装结构)的加工，包括制造由薄 壁空心体(例如，管子、蜂窝单元等等)构成的结构或模块，然后将 所述模块加工成最终的部件所需要的形状和尺寸。
然而，加工这种类型的结构存在问题。由于壁的厚度小，传统的 例如打磨轮之类的加工工具不适用。这类工具产生的切割力过大，导 致壁变形和/或毁坏，因此使得最终的部件不能成型。
加压水柱喷射能够解决这个问题，因为这样能够避免与免于冲击 的材料直接接触，并且因此不在材料上产生切割力。但是，水柱喷射 主要被用作切割实心材料而不是空心体的工具。己知采用水柱喷射切 割空心体十分不精确，且导致出现大量的锥形和闪烁。图1是用水柱
喷射方法切割的由两个并列的管子11和12构成的结构10。通过从喷 嘴1射出高速水柱喷射2来切割该结构，喷射最初冲击管子12的壁的 顶部12a。可以看出，该喷射在通过管子12的壁的顶部12a之后偏移 并分叉。这样接下来的壁，也就是管子12的底部12b，将要被冲击的 部位的切割位置和尺寸都会变得不精确。当水柱喷射遭遇接连的壁(这 里为管子11壁的顶部lla和底部lib)时，冲击的不精确性变得更严 重。
如图1所示，在加工由薄壁腔体构成的结构时，对于所施加的水 柱喷射来说，每个被通过的壁都作为隔板，使得不可能在所有待切割 的连续的壁上获得精确的切割线。采用水柱喷射的切割方向和切割线只有在切割实心材料的时候才能被控制。此外，当使用水柱喷射切割 空心体时，喷射的分叉使喷射损失能量。这样喷射的切割力就不足以 冲击后面的壁，因此导致被冲击的结构被切割得不完整。
另一种用于加工由空心体构成的结构的解决方案是采用速度很高 的切割工具。不过这种工具本来是用于小尺寸的精确加工。因此这种 工具不适用于对尺寸相对较大的旋转体的加工，特别是因为这类工具 的成本问题(需要对这种切割工具频繁更换)。
发明内容
本发明的目的是提出一种方法，该方法能够加工由多个薄壁空心 体构成的结构或模块，形成包含至少一个旋转表面形式的面的部件， 并且不破坏壁和/或不在空心体的壁之间形成连接，同时确保切割该结 构过程中的可靠精确度，从而获得最终的形状。
根据本发明，该目的实现是基于这样的事实，即利用水柱喷射直 接在由多个薄壁空心体构成的结构中加工部件的旋转表面，该结构被 相对于所要制造的旋转表面的外包络相切定向的加压水柱喷射冲击。
因此，本发明的加工方法提供了一种采用水柱喷射来加工由薄壁 空心休构成的结构的解决方案，同时避免以前采用水柱喷射切割空心 体时遇到的切割精度问题。利用与所要制造的部件的旋转表面的外包 络相切定向的水柱喷射冲击该结构，水柱喷射一直被引导朝向被制造 的部件的形状的外面。因此，即使水柱喷射偏移或者分叉超出了它所 冲击的点，该水柱喷射也不能冲击将被保留在所加工的结构，即构成 所制造的部件的旋转表面的体中的材料。
此外，通过利用与被制造的旋转表面的外包络相切定向的水柱喷 射冲击该结构，本发明的方法能够使用水柱喷射作为真正的加工工具， 尽管喷射通常只被用作切割工具。通过这种对水柱喷射的定位，水柱 喷射能够在切割点，而不是沿着在第一个壁被冲击之后即不能被控制 (由于分叉)的切割线来冲击结构中的每一个壁，因此使得能够在结 构中生成所要制造的精确形状。换言之，本发明的方法能够实现"包 络加工"，即在执行操作并构成用于生成所期望的形状的点的水柱喷射的切割点的加工。包络加工通常采用不生成切割线的机械切割工具(例 如铣刀)实现，而不采用喷射流工具，例如水柱喷射切割器实现。
在本发明的一方面中，空心体的壁的厚度小于1毫米(mm)。
在本发明的另一方面中，所述结构由朝向多个方向的多个管子构 成，这些管子通过它们的接触部分彼此结合。所述管子可由合成材料， 或者金属，或者热塑性塑料材料，或者热固性材料构成。当管子由合 成材料构成时，可以具体是由碳-碳、碳-陶、或陶材料构成。
本发明的方法可用于加工具有例如形成旋转圆筒的外包络的部 件，以及加工具有一个或多个旋转表面形式的面的部件。
为了将由多个壁厚度小于lmm的空心体构成的结构，加工成具有 至少一个旋转表面的部件，具体可以采用以下参数
-喷嘴的出口处的水柱喷射压强的范围是1500巴(bars)到5000 巴(bars);
-根据被冲击的壁的材料的性质采用纯水，或者添加研磨剂的水； -切割速度的范围是0.8米每分钟(m/min)至(jl.5m/min;以及 -喷嘴直径的范围是0.1mm到2mm。
参照附图，根据对本发明作为非限制性实例给出的具体实施例的
说明，本发明的其他特征和优点将显而易见，其中
图1，如上所述，是描述加压水柱喷射在同时切割穿过多个壁时如 何被探测和分散的图2是由排列好的一组管子构成的用于加工的毛坯的立体图3和图4是在对图2所示的毛坯进行的粗加工步骤中制成的两 个连续的半成品部件的立体简图5是用于在由薄壁空心体构成的部件上执行本发明所述的切线 加工的加工工具的立体简图6和图7是由图5所示的加工工具执行的切线加工的截面图8是根据本发明所述加工方法获得的圆柱形部件的立体图；以
及图9是同样根据本发明所述加工方法获得的具有旋转表面形式的 面的另一部件的立体图。
具体实施例方式
本发明用于加工在结构中或模块中形成旋转表面的形状，其中所 述结构或模块由薄壁空心体，例如管子或蜂窝构成。这里采用的术语
"薄壁"的意思是厚度小于lmm的壁。所要获得的旋转表面可单独涉 及部件的一部分，例如，部件的单个表面，或者涉及部件的整个外围。
以下参考图2到图6，描述根据本发明实施的加工部件的方法。更 准确地，在该实施中，本发明的方法用于将由一组管子构成的模块制 造成圆柱形的部件。举例来说，所要制造的部件可以是用于形成流体 交换柱中的封装元件。
如图2所示，想要将朝向四个不同方向排列的一组管子101构成 的基本为矩形的模块100制造成最终的部件120。在文件US 4 168 337 和US2007/0096347中详细描述了构造这样一个模块的技术。
管子101可能由合成材料，例如碳或陶(SiC)制成，或者可由金 属、热塑性塑料或热固性材料制成。所述管子的壁的厚度优选为尽可 能地薄，且必须小于lmm。
采用合成材料制成的管子(例如碳或SiC管子)，该管子可由例如 编织物、细丝缠绕物、缠绕带构成，或者可由在载体棒上保持形状并 通过液体技术加固(即通过用适于渗透和焦化的树脂，例如酚醛树脂 浸泡编织物，并利用热处理加工该树脂)的挤拉成型的管子构成。管 子的壁也可包括多个开口或通孔。
在本实例中，管子由碳/碳合成材料制成，管子的壁的厚度约为 0.2mm。通过管子的接触部分在管子之间进行单独连接，因此模块100 的结构相对易碎，既由于管子的壁厚度很小，也由于相邻管子之间的 连接。
图2是将要由模块100制成的部件120的形状。在所述实例中， 模块100的初始形状和尺寸与将要被制成的部件120的形状和尺寸相 当不同。本发明的方法包括在开始本发明所述的切线加工之前，粗加 工模块100使其接近所要制造的部件的最终形状的先前歩骤。图3显示了第一粗加工步骤，其中模块100中形成了多边形部分 所示的第一半成品部件102。图4显示了第二粗加工步骤，其中由之前 加工的第一半成品部件102加工出多边形部分的第二半成品部件103。 半成品部件103被认为具有与所要制造的部件充分接近的形状和尺寸， 可以用于继续进行该部件的最终加工。半成品部分102和103可在粗 加工过程中利用水柱喷射或可能利用高速切割工具，例如打磨轮进行 切割而形成。在粗加工步骤中，在距离所要制造的部件的最终形状的 安全距离处去除材料。
通常，粗加工步骤数取决于初始结构的形状和尺寸，并且也取决 于用于最终加工的水柱喷射加工工具的性能。
一旦粗加工步骤完成后，也就是当粗加工后的部件的形状和尺寸 与最终所要制造的部件充分接近时，由于会有损毁对最终部件有用的 材料的风险，因此不可能再继续切割材料，该方法接下来采用切线加 工所要制造的部件。为达此目的，如图5所示，将粗加工部件或半成 品部件103放置在具有加压水柱喷射切割头210的加工工具200中， 其中加压水柱喷射切割头210包括安装在机架215上的喷嘴211 ，其中 机架215在轨道213上沿X方向移动，轨道213本身可沿Y方向移动。
粗加工部件103在一端由旋转驱动夹子201固定，在另一端由可 自由转动的固定支撑器202固定。
根据本发明，粗加工部件103被加压水柱喷射212冲击，其中加 压水柱喷射212相对于所要制造的部件120的外包络相切地定向。根 据所要加工的材料的性质，也能够通过位于喷嘴出口的上游的输送管 213添加研磨剂214，从而使研磨剂在喷射之前与水混合。在操作中， 喷嘴211在X方向上从部件的位于固定支撑器202旁边的一端移动到 部件的位于夹子201旁边的另一端，同时驱动该部件沿R方向旋转， 如图5所示。在下面的步骤中，喷嘴211沿Y方向朝向部件的内部移 动，从而在待冲击的材料(管子)上重新配置加压水柱喷射212。
根据本发明，如图6和7所述，加压水柱喷射212连续冲击部件 的管子的壁，其中冲击点相对于所制造的部件120的包络相切地定向。 通过这种方法，水柱喷射212通常一次只冲击一个管子101a(如图7)，并且在最初受到冲击的管子的壁之后的管子的壁位于要制造的最终部 件120的包络之外。
步骤的数量主要取决于需去除的材料的厚度，是每个步骤的深度 的函数。
图5到图7是最终步骤的加工操作，即在已经执行了由图6中虚 线表示的n个步骤之后，使得加压水柱喷射212最后一次冲击最接近 所要制造的部件120的外包络的管子的壁。 一旦最终步骤执行完，如 图8所示，就得到了最终的由多个管子101构成的圆柱形的部件120。
如上文所述，本发明的方法可应用于制造旋转体形式的部件(圆 柱形、卵形、弹头型等等)。不过，本发明的方法也可以用于制造具有 一个或多个旋转表面形式的面的部件。图9显示了由多个与上述管子 101相似的管子201构成的部件220，除了形状为旋转表面的面221之 外，具有基本平面的表面。根据本发明，通过与上述用于形成部件120 的圆柱形壁的方式相同的方式加工表面221但是在每一步中限制部件 为了加工而在加工工具上的旋转，从而只冲击与所要制造的面221对 应的模块的部分。
如上文所述，在本发明中，可利用冲击点而非切割线来处理空心 体结构。无须调整例如水柱喷射的压强之类的参数从而使其能够一次 只冲击单个的壁。为了将由多个壁厚小于lmm的空心体构成的结构加 工成具有至少一个旋转表面形式的面的部件，采用以下参数
-喷嘴的出口处的水柱喷射压强的范围是1500巴(bars)到 5000巴(bars);
-根据被冲击的壁的材料的性质采用纯水，或者添加研磨剂的水; -切割速度的范围是0.8m/min到1.5 m/min;以及 -喷嘴直径的范围是0.1mm到2mm。
权利要求
1、一种将由多个薄壁空心体构成的结构加工成具有至少一个旋转表面形式的面的部件的方法，其中通过水柱喷射在所述结构中加工所述部件，以及其中在加工过程中，通过相对于所述至少一个将被制造成旋转表面形式的面相切地定向的加压水柱喷射冲击所述结构。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中空心体的壁的厚度小于lmm。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中加压水柱喷射被添加至少一 种研磨剂材料。
4、 根据权利要求1所述的方法，其中所述结构由在多个方向上定 向的多个管子构成。
5、 根据权利要求4所述的方法，其中管子通过他们的接触部分结 合在一起。
6、 根据权利要求4所述的方法，其中管子由合成材料、或者金属、 或者热塑性塑料材料、或者热固性材料制成。
7、 根据权利要求6所述的方法，其中管子由碳-碳、碳-陶或者陶 合成材料制成。
8、 根据权利要求4所述的方法，其中管子的壁包含多个通孔。
9、 根据权利要求1所述的方法，其中在所述结构中加工的部件具 有构成旋转圆筒的外包络。
全文摘要
本发明提供了加工由多个薄壁管构成并具有旋转表面的部件的方法。本发明涉及一种将由多个薄壁空心体构成的结构制造成包含至少一个旋转表面形式的面的部件的方法。为了保证执行切割时不破坏空心体的壁和/或者壁之间的结合物，利用水柱喷射在所述结构中加工部件。更具体地，在加工过程中，通过相对于所述至少一个将被制造成旋转表面形式的面的外包络相切地定向的加压水柱喷射冲击所述结构。
文档编号B26F3/00GK101456193SQ20081018510
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月9日 优先权日2007年12月10日
发明者J-P·莫姆斯, R·贝塞特 申请人:斯奈克玛动力部件公司