CN103600284B - 一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法，包括数控加工、初步检测、一次打磨、一次检测、二次打磨、二次检测等步骤。本发明进行超精加工的过程中不必对零件进行装夹，避免了由装夹导致的变形；同时由于不经过刀具切削，不会在加工过程中产生应力而引起曲面变形。通过采取打磨、检测等加工步骤，对带薄壁大曲面金属零件进行超精加工，达到了0.015以内的面轮廓度要求和Ra0.2以下的表面粗糙度要求。

Description

一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法
技术领域
本发明涉及在机械超精加工领域的一种薄壁大曲面超精加工方法，具体的说是一种有色金属薄壁大曲面超精加工方法。
背景技术
在机电产品生产中，有时需要对一些薄壁大曲面类金属零件进行精细加工，这类零件一般都带有非回转曲面，回转曲面是指以一条平面曲线绕其平面上的一条直线旋转一周所成的曲面，非回转曲面即为除回转曲面以外的各类不规则曲面。由于这些非回转曲面零件无法采用常规的车削方式进行加工，同时零件本身厚度薄、刚性差，加工时难于装夹，加工过程中因为装夹不合适容易发生抖动和变形，导致零件的加工质量差，精度要求难以保证。
随着机械加工设备的改进，数控机床的推广使用，很大程度上提高了加工精度，改善了加工表面的光洁度。对于非回转薄壁曲面的精细加工可以使用数控加工中心进行精细加工。数控加工中心可以在一次装夹中通过自动换刀改变加工工具，实现多种加工功能，但是由于使用数控加工中心需要熟练掌握编程技术，对操作人员的要求较高，而且整套数控加工中心设备价格昂贵，因此数控加工中心的应用推广较为困难。目前对于钢、铁等普通黑色金属的非回转薄壁曲面的精细加工一般采用先在数控机床上进行加工，之后再进行磨削的加工方式。而当非回转薄壁曲面的材料为铝及铝合金时，例如对于通信领域使用的超短波天线的反射面，面轮廓度要求在0.015以内、表面粗糙度需要控制在Ra0.2以下，由于原材料硬度低，磨削过程中容易粘连，故不能通过进行磨削来达到设计要求，但是若仅使用数控机床加工出来的产品很难达到要求，废品率高，需要不断重复进行投入生产，增加了生产成本。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种步骤简单、操作方便的带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法，包括以下工艺步骤：
A、数控加工：对金属零件的薄壁大曲面进行数控加工，得到曲面的基础外形，加工后曲面的面轮廓度为0.2~0.3，表面粗糙度为Ra1.6~6.4；
B、初步检测：在经步骤A加工后的曲面上选取足够多的被测点，测量各被测点的三维坐标值，根据测量的三维坐标值绘制等高线；
C、一次打磨：根据步骤B绘制出的等高线，确定需要打磨的位置及其加工余量，利用气动抛光机对经步骤A加工后的曲面需要打磨的位置进行粗磨；
D、一次检测：在经步骤C一次打磨后的曲面上选取足够多的被测点，检测各被测点的三维坐标值，根据测量的三维坐标值绘制步长小于步骤B中步长的等高线；
E、二次打磨：根据步骤D得到的等高线，确定需要再次打磨的位置及其加工余量，使用气动抛光机对经步骤C加工得到的曲面需要再次打磨的位置进一步进行打磨；
F、二次检测：在经过步骤E二次打磨后的曲面上选取足够多的被测点，检测各被测点的三维坐标值，根据测量的三维坐标值绘制步长小于步骤D中步长的等高线，根据所得到的等高线进行统计，经步骤E二次打磨后的曲面满足面轮廓度在0.015以内、表面粗糙度在Ra0.2以下的直接包装入库，对于不满足的，根据本步骤绘制的等高线，使用气动抛光机进行再次打磨，直至满足面轮廓度在0.015以内、表面粗糙度在Ra0.2以下，包装入库。
本发明的进一步改进在于：所述步骤B中，各被测点的三维坐标值采用激光跟踪仪进行测量，绘制得到的等高线步长为0.05mm。
本发明的进一步改进在于：所述步骤D中，各被测点使用三坐标测量仪进行检测，绘制得到的等高线步长为0.01mm。
本发明的进一步改进在于：所述步骤F中，采用三坐标测量仪进行检测，绘制得到的等高线步长为0.003mm。
本发明的进一步改进在于：每次进行打磨时都先从曲面中加工余量最大的位置开始，打磨位置顺序以加工余量递减的方式确定下一处需要打磨的位置。
本发明的进一步改进在于：每次打磨过程中，根据打磨掉的金属粉末的重量计算磨削掉的尺寸数值，判断停止打磨的时机。
本发明的进一步改进在于：步骤C中气动抛光机打磨时使用φ63或φ80的柔性圆抛光头；步骤E中气动抛光机打磨时使用φ80或φ120的柔性圆抛光头。
本发明的进一步改进在于：步骤D和步骤F在19℃~21℃的恒温环境中进行操作。
本发明的进一步改进在于：所述金属零件为铝或铝合金材质的带薄壁大曲面零件。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明先通过数控加工加工基础外形，提高了生产效率。在进行超精加工过程中不必对曲面进行装夹，防止了由装夹导致产生变形；同时不经过刀具切削，不会在加工过程中产生应力而引起曲面变形。通过初步检测、一次打磨、一次检测、二次打磨、二次检测等加工步骤，突破了铝及铝合金不能进行磨削的传统，对薄壁大曲面进行超精加工，针对每次检测得到的数据对曲面进一步加工，提高了曲面的精度，使用低生产成本达到了0.015以内的面轮廓度要求和Ra0.2以下的表面粗糙度要求。
采用激光跟踪仪对曲面进行测量，操作方便，提高了工作效率，保证测量精度。气动打磨机体积小，使用方便灵活，适用性强，并能长时间使用。
打磨时首先从曲面中加工余量最大的位置开始，打磨位置顺序以加工余量递减的方式确定下一处需要打磨的位置，逐步减小实际曲面与理论曲面的偏差。根据打磨掉的金属粉末量计算磨削掉的尺寸数值，判断停止打磨的时机，严格控制打磨时间，防止加工过量，降低废品率。
在20℃~25℃的恒温环境中进行一次检测和二次检测，保证三坐标测量仪的测量精度，确保精确测量曲面的误差值。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
一种带薄壁大曲面金属零件，本实施例中的加工零件为太赫兹天线面。太赫兹天线面的材质为铝合金，天线面的半径为2.5m，零件整体由41块形状相近的薄壁曲面组合而成，整个薄壁曲面为非回转曲面。零件的背面为非工作面，背面带有若干加强筋；零件的正面为光滑曲面，所述光滑曲面即为本实施例需要加工的薄壁大曲面。
一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法，包括以下加工步骤：
A、数控加工：加工零件坯料，使用数控机床首先粗加工零件的正面、精加工零件的背面，之后精加工出零件的定位基准，利用定位基准将零件固定后，数控精加工零件的正面，得到零件的薄壁大曲面的基础外形。此基础外形曲面的尺寸基本符合设计要求的尺寸，面轮廓度为0.2~0.3，表面粗糙度为Ra1.6~6.4。
B、初步检测：采用激光跟踪仪对经过步骤A加工后得到的基础外形的曲面进行检测，首先在曲面上设置一被测点，在被测点上放置一带有反射镜的反射器，激光跟踪仪的跟踪头发出的激光射到反射器上后通过反射镜返回至跟踪头，根据返回的激光的位置测算被测点的空间坐标，得到被测点的三维坐标值。通过在步骤A加工后得到的基础外形的曲面上测得的足够多的被测点的三维坐标值后，将所有被测点的三维坐标值进行统计总结后输入计算机，最终在计算机中模拟组合、显示出基础外形的曲面，与计算机中按照要求尺寸作出的理论曲面进行比较，计算得出两者之间的误差值。
根据两者之间的误差值，绘制出等高线，等高线的步长设置为0.05mm。
C、一次打磨：根据步骤B绘制出的等高线确定对步骤A加工的曲面需要进行打磨的位置及各个位置的加工余量，利用气动抛光机在需要打磨的位置进行打磨，打磨时气动抛光机选用柔性圆抛光头，抛光头尺寸为φ63或φ80，砂布粒度为No120；打磨过程中气动抛光机的动力气压设置为6Bar。
打磨时首先从曲面中加工余量最大的位置开始，打磨位置顺序以加工余量递减的方式确定下一处需要打磨的位置。根据打磨掉的金属粉末的重量计算磨削掉的尺寸数值，判断停止打磨的时机。严格控制打磨时间，防止加工过量，减小废品率。
D、一次检测：在19℃~21℃的恒温环境中，使用三坐标测量仪对一次打磨过后的曲面进行检测。
三坐标测量仪的测量精度设置为每300mm误差小于0.003mm。在一次打磨过后的曲面的表面选取足够多的被测点，将所述曲面放置在三坐标测量仪的工作台上，手动或机动控制三坐标测量仪的测头移动到被测点上进行测量，得到被测点的三维坐标值，所有被测点均进行测量后，根据所有被测点的三维坐标值进行综合，与理论曲面进行比较，得到经过一次打磨后的曲面的误差值。根据误差值绘制等高线，等高线步长设置为0.01mm。
E、二次打磨：根据一次检测得到的等高线，使用气动抛光机对步骤C加工得到的曲面需要打磨的位置进一步进行打磨。打磨时首先从曲面中加工余量最大的位置开始，打磨位置顺序以加工余量递减的方式确定下一处需要打磨的位置。根据打磨掉的金属粉末的重量计算磨削掉的尺寸数值，判断停止打磨的时机。打磨时使用的气动抛光机选用φ80柔性圆抛光头或φ120柔性圆抛光头，砂布粒度为No240；打磨过程中气动抛光机的动力气压设置为6Bar。
F、二次检测：在19℃~21℃的恒温环境中，对二次打磨后的曲面采用三坐标测量仪进行再次检测，检测时提高三坐标测量仪的测量精度，三坐标测量仪的测量精度调整为每300mm误差小于0.0006mm。检测完成之后绘制等高线，等高线步长为0.003mm。
G、包装入库：经过步骤F检测完成后，若经过步骤E加工得到的曲面的面轮廓度偏差处于0.015以内，表面粗糙度Ra0.2以下，例如：曲面的面轮廓度偏差为0.01，表面粗糙度为Ra0.15，即认为铝合金材质的带薄壁大曲面零件的成品外形、尺寸均符合设计要求，此时即可包装入库。
若经步骤F检测后发现未达到设计要求，例如：曲面的面轮廓度偏差为0.02，表面粗糙度为Ra0.3，则需要根据二次检测得到的步长为0.003mm的等高线，使用气动抛光机进行进一步的打磨，打磨时气动抛光机选用φ80柔性圆抛光头或φ120柔性圆抛光头，砂布粒度为No600；打磨过程中气动抛光机的动力气压设置为4Bar。打磨时首先从曲面中加工余量最大的位置开始，打磨位置顺序以加工余量递减的方式确定下一处需要打磨的位置。根据打磨掉的金属粉末的重量计算磨削掉的尺寸数值，判断停止打磨的时机。
打磨完成后重复步骤F进行检测，仍不符合要求时，重复步骤G的打磨步骤后再重复步骤F进行检测，直至符合要求，打磨位置的先后顺序和判断停止打磨的时机与之前的打磨操作要求相同。

Claims (9)

1.一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法，其特征在于包括以下工艺步骤：
A、数控加工：对金属零件的薄壁大曲面进行数控加工，得到曲面的基础外形，数控加工后曲面的面轮廓度为0.2~0.3，表面粗糙度为Ra1.6~6.4；
B、初步检测：在经步骤A加工后的曲面上选取多个被测点，测量各被测点的三维坐标值，根据测量的三维坐标值绘制等高线，绘制得到的等高线步长为0.05mm；
C、一次打磨：根据步骤B绘制出的等高线，确定需要打磨的位置及其加工余量，利用气动抛光机对经步骤A加工后的曲面需要打磨的位置进行粗磨；
D、一次检测：在经步骤C一次打磨后的曲面上选取多个被测点，检测各被测点的三维坐标值，根据测量的三维坐标值绘制步长小于步骤B中步长的等高线；
E、二次打磨：根据步骤D得到的等高线，确定需要再次打磨的位置及其加工余量，使用气动抛光机对经步骤C加工得到的曲面需要再次打磨的位置进一步进行打磨；
F、二次检测：在经过步骤E二次打磨后的曲面上选取多个被测点，检测各被测点的三维坐标值，根据测量的三维坐标值绘制步长小于步骤D中步长的等高线，根据所得到的等高线进行统计，经步骤E二次打磨后的曲面满足面轮廓度在0.015以内、表面粗糙度在Ra0.2以下的直接包装入库，对于不满足的，根据本步骤绘制的等高线，使用气动抛光机进行再次打磨，直至满足面轮廓度在0.015以内、表面粗糙度在Ra0.2以下，包装入库。
2.根据权利要求1所述的一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法，其特征在于：所述步骤B中，各被测点的三维坐标值采用激光跟踪仪进行测量。
3.根据权利要求1所述的一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法，其特征在于：所述步骤D中，各被测点使用三坐标测量仪进行检测，绘制得到的等高线步长为0.01mm。
4.根据权利要求1所述的一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法，其特征在于：所述步骤F中，采用三坐标测量仪进行检测，绘制得到的等高线步长为0.003mm。
5.根据权利要求1所述的一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法，其特征在于：每次进行打磨时都先从曲面中加工余量最大的位置开始，打磨位置顺序以加工余量递减的方式确定下一处需要打磨的位置。
6.根据权利要求1所述的一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法，其特征在于：每次打磨过程中，根据打磨掉的金属粉末的重量计算磨削掉的尺寸数值，判断停止打磨的时机。
7.根据权利要求1所述的一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法，其特征在于：步骤C中气动抛光机打磨时使用φ63或φ80的柔性圆抛光头；步骤E中气动抛光机打磨时使用φ80或φ120的柔性圆抛光头。
8.根据权利要求1所述的一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法，其特征在于：步骤D和步骤F在19℃~21℃的恒温环境中进行操作。
9.根据权利要求1~8任一项所述的一种带薄壁大曲面金属零件的超精加工方法，其特征在于：所述金属零件为铝或铝合金材质的带薄壁大曲面零件。
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