CN104889706A - 一种弱刚性工件反向分段加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种弱刚性工件反向分段加工方法，有五大步骤：一、确定分段方法和起始区域；二、确定增强工艺系统刚性的方法；三、确定临界分段尺寸；四、加工好起始位置的基准面，用于将工件安装在夹具上，对于工件的其余部分按常规工艺去除余量，仅保留在后续加工中大于最大变形量的余量即可；五、从定位段开始向两端或从定位段向另一端逐段加工各段至设计尺寸。一种弱刚性工件反向分段加工装置，由基座部分和与比工件分段数少的辅助支撑夹具模块组成；基座与工件在加工前就通过工件的安装基准连接在一起；工件每加工完一段，辅助支撑夹具模块就安装一段，各夹具模块之间与基座之间采用螺纹连接；夹具模块和工件之间通过浇注低熔点合金刚性连接。

Description

一种弱刚性工件反向分段加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种弱刚性工件反向分段加工方法及装置，它是一种用于控制薄壁弱刚性零件加工过程残余应力变形的方法及装置，属于机械加工技术领域。

背景技术

轻量化是现代航空航天机械制造领域的重要发展方向，飞机壳体中日益广泛使用整体薄壁结构零件，如整体壁板、框架壳体、大梁、长桁。而航空发动机叶片和机匣则具有更小的刚性，加工过程容易发生材料内部残余应力释放引起的变形和加工表面新产生的加工残余应力产生的加工变形，这些变形导致加工精度难以得到有效的保障。火箭、导弹和卫星中也需要采用大量弱刚性筒体零件，其尺寸巨大、变形控制更加困难。

零件的加工变形机理非常复杂，到目前为止还没有形成系统的理论。通常的加工变形可分为弹性变形、残余应力释放变形、加工残余应力变形、热变形、安装变形等。对于弱刚性零件，前三种变形都比较大，而残余应力变形的控制和补偿尤其困难，因为应力的大小和分布难以检测和控制。在弹性变形控制方面，有人提出了多种增强工艺系统刚性的方法、减小切削力的方法和误差补偿的方法。对于残余应力变形，目前提出的有消除应力的方法、控制加工顺序的方法(如对称加工)、误差补偿的方法、控制刀具磨损的方法等,这些方法具有一定的效果，但是对于极其复杂的加工过程，很难大幅度减少变形的数量，迫切需要一种能彻底或基本消除残余应力对加工变形影响的方法。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种弱刚性工件反向分段加工方法及装置，它是一种非封闭工件(如叶片、螺旋桨、壁板等)的反向分段加工方法和与之相应的加工装置(封闭工件是指筒形、球形等)，用于基本消除弱刚性零件的残余应力变形。

2、技术方案：传统的加工弱刚性零件的方法有两大类：一类是采用双端固定或多点压紧确保其具有足够的刚性，这种方法加工完成后由于材料的不均匀切除和表面积的差异导致夹具释放后产生巨大的残余应力变形。另一种方法是形如整体叶盘上的叶片的悬臂加工方式，这种叶片在加工时一般难以增加辅助支撑，因此通常只能在悬臂状态进行加工，有时在其中填充树脂以提高刚性，加工时的顺序是从叶尖向叶根部位加工。但这种方案在加工到靠近叶根部位时下部的加工变形会导致已经加工好的叶尖部位发生移动，因为残余应力的释放和新的加工应力的产生都会导致加工区域的变形。这样好像是先将一栋楼房的楼顶先加工好然后再加工依次加工其以下的楼层，如果在加工下层的过程中发生变形，上面的楼层也发生变位，这相当于在上层楼层加工完成后又将其移动到新的位置，这从本质上违背机械加工的基准重合原则。基准重合原则是指，零件加工时的定位基准和设计基准重合，这样可以减小定位基准和设计基准不重合引起的加工精度的下降。弱刚性零件加工时其各部位的形状和位置是随着加工过程的进行而变化的，是时间的函数，因此不能够把一个弱刚性零件看成一个零件，应该将其看成多个零件的组合，例如可以把弱刚性工件分解成很多段，每段具有相对好的刚性，相当于多层楼层。每层的设计基准都是地面层。如果中间某层发生变形，那么上面的楼层就发生移位，如果上面的楼层先加工好了，下面楼层的移动就使其实际基准发生了变化，这样就无法保证基准与设计基准重合了。为了解决上述技术问题，本发明采用逆向思维方法，改变其自顶向下的加工方式，采用自底向上的加工方式，前者可称为正向分段加工方法，后者可称为反向分段加工方法。具体做法是：将工件分成若干段，每段具有相对良好的刚性，工件可以采用一端固定的悬臂安装方式，加工顺序是从固定端向自由端逐段加工。加工过程可以对已经加工好的段逐段通过夹具支撑提高刚度，也可以逐步将夹具移动到上一个已加工的段以提高刚度，加工过程中始终保持被加工部分处于悬臂状态。对于比较大的工件，可以从中间向两端逐段加工，这样可以减小端部的加工余量要求，否则从一端加工到另一端需要很大的余量储备。

1)综上所述，本发明是一种弱刚性工件反向分段加工方法，该方法的具体步骤如下：

步骤一：确定分段方法和起始区域。根据开环薄壁件的结构形式、余量大小、工件的变形大小和被加工部位的平整性确定其在夹具上的安装方式和加工方式。具体方法为以下两种：1)中间起步法：对于余量较小、比较平整的和尺寸较大的工件，可以以中部为最先加工段，加工完成后作为定位安装面，两端的部分可以分解成若干段进行顺序加工，加工的顺序是从邻近中间的段开始逐步向端部的段延伸。加工时可以采用逐步移动固定面到上一个加工段的方法，也可以采用逐段固定和增加辅助支撑的方法，这样可以保证下一段加工时具有良好的刚性。2)一端起步法：对于形状复杂和余量足够的工件，可以以一端定位并从定位部分开始逐步加工后续的各段，直到将所有段加工完成。

步骤二：确定增强工艺系统刚性的方法，可根据具体情况选择下面三种方法之一：1)对于刚性足够的工件，可以采用一端固定悬臂加工的方式，且在以后各段加工时不采取增强刚性的措施；2)对于余量较大、表面平整但是刚性较差的工件可以采取移动夹紧方法，当下一段加工好后将定位段移到该段，夹紧该段后继续加工下一段，由于夹紧段离加工段的距离很近，因此刚性很好；3)对于余量较大但是刚性较差和不平整的工件可以采取逐段支撑的方法，当一个新的段加工好后立即采用夹具或浇铸低熔点合金等方法在本段增加辅助支撑，确保下一个被加工段具有足够刚性；

步骤三：确定临界分段尺寸：通过实验确定在最小切削深度情况下不同工件长度的变形量，确定变形量达到最小切削深度的工件长度，该长度可作为工件分段的长度极限，实际分段长度可以小于该长度。

步骤四：加工好起始位置的基准面或第一段，该部分用于将工件安装在夹具上，对于工件的其余部分如果余量过大，也可以按照常规工艺将其大部分余量去除，仅保留在后续加工中大于最大变形量的余量即可；

步骤五：从定位段开始向两端(中间起步法)或从定位段向另一端(一端起步法)逐段加工各段至设计尺寸。

2)一种弱刚性工件反向分段加工装置，其特征在于当工件刚性较差时可采用一种步进式辅助支撑装置，该装置由基座部分和与比工件分段数少的辅助支撑夹具模块组成。其中基座与工件在加工前就通过工件的安装基准联接在一起；工件每加工完一段，辅助支撑夹具模块就安装一段，各夹具模块之间及其与基座之间采用具有足够刚性的螺纹连接或其它连接方式；夹具模块和工件之间可通过浇注低熔点合金刚性连接，也可以采用辅助支撑点实现辅助支撑。所述的夹具基座部分可以通过螺钉或压板连接在机床上或夹具底座上，每一个夹具模块可由左支撑座和右支撑座组成，也可以采用一体化结构，左、右支撑座的底部与基座部分或者与上一个夹具模块连接在一起；每个新加工的段与新增加的夹具模块通过浇铸低熔点合金刚性连接在一起，亦步亦趋地支撑起每个新加工的段。

其中，当工件刚性较差亦可采用一种移动夹紧装置，该装置包括在机床的水平回转转台和尾座之间安装一个摇篮式夹具，夹具上有对每段都可定位的定位元件，工件通过压板等装置固定在摇篮上。工件在加工时被分成若干段，当下一段被加工好后立即将其移动到摇篮上进行定位夹紧。这样逐步移动定位面到新加工好的段和逐步加工下一段可以保证加工过程具有良好的刚性。此时工件的各段应具有平整的表面和易于被快速准确定位和压紧。

3)优点及功效：(1)利用反向分段加工方法解决原来自顶向下加工方法存在的基准变动加工原理错误，可大幅度提高加工精度，基本消除残余应力变形对加工精度的影响；(2)采用分段加工方法将每段的变形量控制在切削深度范围内，可确保加工过程可持续性，否则过大的变形将使加工过程难以完成；(3)无论残余应力变形如何复杂，只要保留足够的余量和合理分段总能保证加工出高精度零件，突破了目前的残余应力变形控制重大难题。(4)采用逐段固化方法理论上可以实现无限长弱刚性零件的加工，这是一般加工方法无法实现的。

附图说明

图1是本发明开环薄壁件加工工艺方法流程框图。

图2是工件装夹和分段示意图。

图3是基准传递机构分段固定示意图。

图4是中间装夹分两边加工的示意图。

标号说明：

1是基座，2是已加工段固定部分，3是薄壁件，4是压紧螺钉M8，5是薄壁框件，6是带轴夹具体，7是压板，8是压紧螺钉M10；

A1是第一段加工区域，A2是第二段加工区域，A3是第三段加工区域，A4是第四段加工区域；

2-1是A1段加工固定部分、2-2是A2段加工固定部分、2-3是A3段加工拱顶部分。

B1是第一段加工区域，B2是第二段加工区域，B3是第三段加工区域，B4是第四段加工区域，B5是第五段加工区域，B6是第六段加工区域，B7是第七段加工区域，B8是第八段加工区域；

2-3L是A3段加工拱顶部分左侧定位面；2-3R是A3段加工拱顶部分右侧定位面。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的实施例，

实施例1，见图1、图2和图3。

步骤一：确定薄壁件3安装方式为单端悬臂装夹，夹具基座1为工件安装基准，采用磨削加工；

步骤二：通过基座1固定薄壁件3的安装基准，并拧紧压紧螺母4，薄壁件3待加工区域A1、A2、A3、A4保持自由状态；

步骤三：根据薄壁件3的加工刚度并结合磨削加工的特点，将待加工区域分成4段，分别为A1、A2、A3、A4，从紧靠固定端的A1区域开始加工；

步骤四：采用A1段加工固定部分2-1将步骤三中的已加工区域即第一段加工区域A1和步骤二中的基座1高刚性固定在一起，开始加工第二段加工区域A2；

步骤五：采用A2段加工固定部分2-2将步骤四中的已加工区域即第二段加工区域A2和步骤三中的A1段加工固定部分2-1高刚性固定在一起，开始加工第三段加工区域A3；采用A3段加工拱顶部分2-3将步骤五中的已加工区域即第三段加工区域A3和步骤四中的A2段加工固定部分2-2高刚性固定在一起，开始加工第四段加工区域A4，最终完成薄壁件3的整个型面加工。

如图3所示，一种弱刚性工件反向分段加工装置，它包括：基座部分1和若干已加工段固定部分2-1、2-2、2-3。其中基座1与薄壁件3在加工前就通过薄壁件3的安装基准连接在一起；薄壁件3加工完第一段加工区域A1，A1段加工固定部分2-1就安装，A1段固定加工部分2-1与基座1刚性联接；薄壁件3加工完第二段加工区域A2，A2段加工固定部分2-2就安装，A1段加工固定部分2-1与基座1刚性连接已加工段固定部分和薄壁件3通过浇筑低熔点合金刚性连接。

所述的基座部分1底面留有与机床工作台相连接的接口，上面凹槽中留有与薄壁件3相接的接口，并在上边面四周留有与已加工段固定的接口；

所述的已加工段固定部分(2-1、2-2、2-3)数量依据薄壁件3所分段数确定，当薄壁件3分为n段进行加工，已加工段固定部分所需数量为n-1段，每一个已加工段固定部分都由左支撑座和右支撑座组成，左右支撑座的底部与基座1或者与上一个已加工段固定部分连接在一起。

实施例2，见图4；

步骤一：薄壁框件5较长，薄壁框件5尺寸较大且比较平整，选定中间起步法进行分段加工；

步骤二：确定薄壁框件5安装方式为中间固定两端悬臂装夹，带轴夹具体6为薄壁框件5安装基准，采用铣削加工；

步骤三：通过带轴夹具体6和压板7固定薄壁框件5的安装基准，并拧紧压紧螺钉M108，薄壁框件5待加工区域B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8保持自由状态；

步骤四：根据薄壁框件5的加工刚度并结合铣削加工的特点，将待加工区域分成8段，分别为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，从紧靠固定端的第一段加工区域B1开始加工；

步骤五：开始加工第二段加工区域B2，按照步骤三的装夹方法和步骤四的加工方法，依次将B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8等加工区域加工完毕。

以上描述的实施例是为了说明本发明，而非为了限定本发明。发明的范围由权利要求的范围限定。

Claims (3)

1.一种弱刚性工件反向分段加工方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤一：确定分段方法和起始区域；根据开环薄壁件的结构形式、余量大小、工件的变形大小和被加工部位的平整性确定其在夹具上的安装方式和加工方式；具体方法为以下两种：1)中间起步法：对于余量较小、比较平整的和尺寸较大的工件，以中部为最先加工段，加工完成后作为定位安装面，两端的部分分解成复数段进行顺序加工，加工的顺序是从邻近中间的段开始逐步向端部的段延伸；加工时采用逐步移动固定面到上一个加工段的方法，也能采用逐段固定和增加辅助支撑的方法，这样就保证下一段加工时具有良好的刚性；2)一端起步法：对于形状复杂和余量足够的工件，以一端定位并从定位部分开始逐步加工后续的各段，直到将所有段加工完成；

步骤二：确定增强工艺系统刚性的方法，根据具体情况选择下面三种方法之一：1)对于刚性足够的工件，采用一端固定悬臂加工的方式，且在以后各段加工时不采取增强刚性的措施；2)对于余量较大、表面平整但是刚性较差的工件采取移动夹紧方法，当下一段加工好后将定位段移到该段，夹紧该段后继续加工下一段，由于夹紧段离加工段的距离很近，因此刚性很好；3)对于余量较大但是刚性较差和不平整的工件采取逐段支撑的方法，当一个新的段加工好后立即采用夹具或浇铸低熔点合金方法在本段增加辅助支撑，确保下一个被加工段具有足够刚性；

步骤三：确定临界分段尺寸：通过实验确定在最小切削深度情况下不同工件长度的变形量，确定变形量达到最小切削深度的工件长度，该长度作为工件分段的长度极限，实际分段长度小于该长度；

步骤四：加工好起始位置的基准面或第一段，该部分用于将工件安装在夹具上，对于工件的其余部分如果余量过大，按照常规工艺将其大部分余量去除，仅保留在后续加工中大于最大变形量的余量即可；

步骤五：从定位段开始向两端即中间起步法或从定位段向另一端即一端起步法逐段加工各段至设计尺寸。

2.一种弱刚性工件反向分段加工装置，其特征在于：当工件刚性较差时采用一种步进式辅助支撑装置，该装置由基座部分和与比工件分段数少的辅助支撑夹具模块组成；其中基座与工件在加工前就通过工件的安装基准连接在一起；工件每加工完一段，辅助支撑夹具模块就安装一段，各夹具模块之间及其与基座之间采用具有足够刚性的螺纹连接或其它连接方式；夹具模块和工件之间通过浇注低熔点合金刚性连接，也能采用辅助支撑点实现辅助支撑；所述的夹具基座部分通过螺钉或压板连接在机床上或夹具底座上，每一个夹具模块由左支撑座和右支撑座组成，也能采用一体化结构，左、右支撑座的底部与基座部分或者与上一个夹具模块连接在一起；每个新加工的段与新增加的夹具模块通过浇铸低熔点合金刚性连接在一起，亦步亦趋地支撑起每个新加工的段。

3.根据权利要求2所述的一种弱刚性工件反向分段加工装置，其特征在于：当工件刚性较差亦能采用一种移动夹紧装置，该装置包括在机床的水平回转转台和尾座之间安装一个摇篮式夹具，夹具上有对每段都能定位的定位元件，工件通过压板装置固定在摇篮上；工件在加工时被分成复数段，当下一段被加工好后立即将其移动到摇篮上进行定位夹紧，这样逐步移动定位面到新加工好的段和逐步加工下一段保证加工过程具有良好的刚性，此时工件的各段应具有平整的表面和易于被快速准确定位和压紧。