CN104889763B - 一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法 - Google Patents

一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法 Download PDF

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Abstract

一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法，它涉及一种薄壁坯料的精密加工方法。以解决现有的切削加工方法和装置无法避免大尺寸薄壁坯料切削加工时的复杂变形或移动、导致无法保证最终零件形状和尺寸精度的问题。该方法的主要步骤为：步骤一、将待切削加工的坯料放置到支撑胎模上并定位；步骤二、将压力介质腔放置在待加工坯料上；步骤三、向压力介质腔中充入介质；步骤四、利用置于压力介质腔内部的切削刀具对待切削加工的坯料进行切削加工，得到最终需要的零件；步骤五、卸除压力介质腔中的压力，移走切削刀具及压力介质腔，取出零件。本发明用于薄壁坯料的精密加工。

Description

一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法
技术领域
本发明涉及一种薄壁坯料的精密加工方法，具体涉及一种采用压力辅助的薄壁坯料精密加工方法。
背景技术
在航空航天领域，存在很多大尺寸的钣金零件，其平面内单方向尺寸可达2m甚至更大，厚度一般在5-30mm范围内，属于典型的薄壁钣金零件。此类零件通常采用具有相等壁厚的原始板坯，通过拉形、拉深或辊弯等塑性成形工序制成需要的单曲率零件或具有复杂曲面形状的零件。为了进一步减轻零件的重量，需要对塑性成形后的零件进行切削加工或者化铣处理等，以去除局部位置多余的材料，在保证零件整体力学性能及刚度要求的前提下，最大限度地实现最终零件的轻量化。由于化铣时无法实现对不同部位化铣过程的有效和精确控制，所以很难实现复杂结构零件的精确化铣处理。另外，化铣存在严重的环境污染问题，这也导致其使用受到很大限制。
对于精度要求高的薄壁钣金零件，目前主要采用切削加工特别是数控铣的方法进行加工。在切削加工时，需要将通过拉形、拉深等方法制成的平面或曲面坯料放置在支撑胎模上，然后利用压板等将其压靠在胎模上。由于切削加工都是在坯料的局部位置逐渐进行，切削工具对切削位置施加的切削力将使相邻部位的材料发生不同程度的变形或移动。即使对于平面形状的大型板坯，在进行局部切削加工时也存在类似的问题。切削过程中产生的材料变形或移动，必将导致加工精度的降低，同时也将在零件上产生复杂分布的残余应力。当加工完毕、去除压板等约束装置后，最终的零件上将产生复杂的形状、尺寸变化。为了解决上述问题，目前主要通过设计制作复杂的定位、约束卡具，将待加工的坯料压靠在支撑胎模上，以减小或避免切削加工过程中坯料发生的变形或移动。但是，为了避免所使用的定位、约束卡具与切削加工刀具和机构产生干涉，所采用的刚性卡具必须避开切削刀具及机构的路径，因此刚性卡具只能对待加工的坯料实现局部约束。同时，刚性卡具对坯料的局部约束作用也将受到坯料形状、胎模与坯料之间间隙等因素的影响。虽然也可以采用真空吸盘等方式来使待加工的坯料贴靠在支撑胎模上，但是由于真空吸盘只能产生0.1MPa(1个大气压)的压力，这种压力往往不足以使待加工的坯料紧密贴靠支撑胎模，因此在切削加工过程中仍会出现材料的变形或移动。
为了解决大尺寸薄壁坯料局部切削加工过程中可能出现的材料变形或移动，提高最终零件的形状尺寸精度，需要建立一种能够对待加工薄壁坯料进行可靠约束和支撑的方法。
发明内容
本发明是为解决现有的切削加工方法和装置无法避免大尺寸薄壁坯料切削加工时的复杂变形或移动、导致无法保证最终零件形状和尺寸精度的问题，进而提出一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
本发明的一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、将待切削加工的坯料放置到支撑胎模上并定位；
步骤二、将压力介质腔放置在待切削加工的坯料上，使压力介质腔的下端与待切削加工的坯料的外围区域紧密接触实现密封；并将切削刀具和执行机构连接，将切削刀具置于压力介质腔内，并将压力介质腔与执行机构进行密封连接；
步骤三、向压力介质腔中充入介质，介质的压力为0.2-10MPa，利用介质的压力将待切削加工的坯料紧密压靠在支撑胎模上；
步骤四、利用置于压力介质腔内部的切削刀具对待切削加工的坯料进行切削加工，得到最终需要的零件；
步骤五、卸除压力介质腔中的压力，移走切削刀具及压力介质腔，取出零件。
本发明的有益效果是：
一、本发明采用气体或液体作为约束介质，可以在待加工坯料一侧的全部区域内施加均匀分布的压力，从而可以使整个坯料被可靠压紧在胎模上。对于不同形状的坯料，都可以保证坯料上各处同时受到均匀分布压力的作用，避免了采用刚性压板或卡具时只能对坯料上局部施加压力且压力容易受坯料和胎模之间接触状态等因素影响的问题。使用介质将整个坯料可靠地压紧在胎模上，使得大尺寸薄壁坯料局部切削加工过程中坯料不会出现变形或移动。
二、本发明采用气体或液体作为约束介质，气体或液体的压力可达到10MPa甚至更高，因此可以在待加工坯料上施加足够大的压力，避免了采用传统方法(如采用真空吸盘)时存在压紧力不足的问题。同时，介质腔内的介质压力还可以方便地进行调整，以满足不同加工阶段或不同加工方式下的需要。
三、本发明采用均匀分布的气体或液体压力，可以避免传统的刚性卡具等约束结构与切削刀具及机械机构发生干涉，切削刀具及机械结构可以获得更大的运动空间，便于实现全方位的切削加工。
四、本发明采用的压力介质腔，只需在下端边缘实现与待加工坯料的接触与密封，可以适用于不同形状和尺寸的坯料，设计合理、通用性好、成本低、简单易行。
附图说明
图1为本发明采用刚性压力介质筒和柔性囊复合的压力介质腔对待加工坯料施加压力进行切削加工的示意图，图2为刚性压力介质筒和柔性囊的相互结构示意图，图3为本发明采用刚性约束框和柔性囊复合的压力介质腔对待加工坯料施加压力进行切削加工的示意图，图4为刚性约束框与柔性囊的相互结构示意图，图5为本发明刚性压力介质筒与坯料的密封示意图，图6为本发明柔性囊与坯料的密封示意图，图7为柔性囊与执行机构的密封示意图，图8为本发明柔性囊和可更换的刚性压力介质筒复合的压力介质腔示意图，图9为本发明柔性囊与可更换的刚性约束框复合的压力介质腔示意图，图10为平面状的坯料示意图，图11为内凹状的坯料示意图，图12为外凸状的坯料示意图。
其中1为待切削加工的坯料，2为支撑胎模，3为压力介质腔，4为刚性压力介质筒，5为介质，6为切削刀具，7为执行机构，8为刚性约束框，9为柔性囊，10为设备本体，11为密封条，12为密封环，13为压块，14为螺母，15为螺栓，16为密封圈。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-6说明，本实施方式的一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、将待切削加工的坯料1放置到支撑胎模2上；
步骤二、将压力介质腔3放置在待加工坯料1上，使压力介质腔3的下端与待切削加工的坯料1的外围区域紧密接触实现密封；
步骤三、向压力介质腔3中充入介质5，介质的压力为0.2-10MPa，利用介质5将待切削加工的坯料1紧密压靠在支撑胎模2上；
步骤四、利用置于压力介质腔3内部的切削刀具6对待切削加工的坯料1进行切削加工，得到最终需要的零件；
步骤五、卸除压力介质腔3中的压力，移走切削刀具6及压力介质腔3，取出零件。
本实施方式的步骤一和步骤二中，所述的压力介质腔3与待加工坯料1的密封，其结构包括支撑胎模2、密封条11、压块13，压力介质腔3与坯料1之间放置了密封条11，外力作用在压块13上，使得压力介质腔3与待加工坯料1之间相互挤压密封条11，从而达到密封的目的。步骤三中介质5通过压力源提供，可以通过对压力源的控制来达到加工时压力介质腔3中所需要的压力。
本实施方式的执行机构7和切削刀具6从属于数控机床的一部分，执行机构7和切削刀具6的动作采用数控编程实现。执行机构7与数控机床的设备本体10连接。比如数控机床(上海西马特机械制造有限公司，SX-3立式钻铣床)、执行机构或切削刀具(执行机构为无极调速主轴，切削刀具为益诠(E-CHAIN)平面铣刀，型号：EX90AP16-D100A。
具体实施方式二：结合图1、图2、图5和图7说明，本实施方式的步骤二中采用的压力介质腔3为刚性压力介质筒4与柔性囊9复合的结构，在刚性压力介质筒4的下端与待切削加工的坯料1之间设置密封条11，通过压块13将刚性压力介质筒4压紧在待切削加工的坯料1上实现刚性压力介质筒4与待切削加工的坯料1的密封；刚性压力介质筒4的上端面与柔性囊9复合，复合的具体方式是用螺栓15和螺母14使压块13与刚性压力介质筒4之间相互挤压，实现被挤压的柔性囊9与刚性压力介质筒4的密封；刚性压力介质筒4上端设置密封环12，柔性囊9与密封环12密封连接，密封环12与执行机构7通过密封圈16进行密封。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。
本实施方式的柔性囊9采用具有超弹性的高强度聚氨酯，其抗拉强度为150MPa。柔性囊9与刚性压力介质筒4连接，共同构成压力介质腔3。由于柔性囊9的形状可以发生不同程度的变化，因此当执行机构7与柔性囊9的中间部位密封连接后，执行机构7带动切削刀具6可以在水平方向和竖直方向发生50-100mm的移动，从而完成待切削加工的坯料1的切削加工。密封圈16为O型密封圈。
如图8所示，本实施方式的刚性压力介质筒4也为二段式结构，刚性压力介质筒4分为与待加工坯料1接触密封的下段结构和与执行机构7接触密封的上段结构，两段式结构的刚性压力介质筒4通过位于二者之间的密封条11并利用螺栓15和螺母14连接，上段的刚性压力介质筒4与柔性囊9通过压块13、螺栓15和螺母14密封连接。其它与上述布置方式相同。如此设置，可大大增加压力介质腔3的通用性，为提高效率、降低成本提供可能。
本实施方式的有益效果是：在刚性压力介质筒4的下端与待切削加工的坯料1之间放置的密封条11，可以采用具有不同截面形状(如Y形)的标准形式，从而可保证两者之间的密封效果。刚性压力介质筒4的上端面口径可以缩小，使得柔性囊9和密封环12的总面积较小，所以可承受较大的压力，适用于需要较大约束压力的情况。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3、图4、图6和图7说明，本实施方式的步骤二中采用的压力介质腔3为刚性约束框8与柔性囊9复合的结构，刚性约束框8的下端利用压块13将柔性囊9的下边缘压靠在待切削加工的坯料1上，柔性囊9的上部通过密封环12与执行机构7之间进行密封，使柔性囊9与待切削加工的坯料1之间形成压力介质腔。
步骤二中采用的压力介质腔3为刚性约束框8与柔性囊9复合的结构，刚性约束框8的下端将柔性囊9的下边缘压靠在待切削加工的坯料1上，使柔性囊9与待切削加工的坯料1之间形成压力介质腔，而柔性囊9与刚性约束框8之间无压力介质；柔性囊9的上部通过密封环12与执行机构7之间直接进行密封。
如图9所示，本实施方式的刚性约束框8也可采用二段式结构，刚性约束框8分为与待切削加工的坯料1接触密封的下段结构和与执行机构7接触密封的上段结构。两段式结构的刚性约束框8通过位于二者之间的密封条11利用螺栓15和螺母14连接。其它与上述布置方式相同。如此设置，可大大增加压力介质腔3的通用性，为提高效率、降低成本提供可能。
本实施方式的柔性囊9采用具有超弹性的高强度聚氨酯，其抗拉强度为150MPa。柔性囊9压紧待加工的坯料1直接构成压力介质腔3。由于柔性囊9的形状可以发生不同程度的变化，因此当执行机构7与柔性囊9的中间部位密封连接后，执行机构7带动切削刀具6可以在水平方向和竖直方向发生50-100mm的移动，从而完成待切削加工的坯料1的切削加工。
本实施方式的有益效果是：压力介质只存在于柔性囊9与待切削加工的坯料1之间构成的封闭空间，柔性囊9作为压力容腔，因此刚性约束框8无需实现介质的密封，其只是对柔性囊9进行约束以防止其在较大的内部压力下发生变形。由于柔性囊9通过密封环12与执行机构7直接相连并密封，柔性囊9可以发生更大程度的形状变化或平面内位移，所以与之相连的执行机构7将获得更大的运动空间，从而可以实现更大的加工范围和更多自由度的动作。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图2和图4说明，本实施方式的步骤三中的介质5为空气，介质5的压力为0.2-1.0MPa。如此设置，当压力介质腔3中的压力建立到需要的数值后，即使在压力介质腔3与待切削加工的坯料1、压力介质腔3与执行机构7之间存在一定程度的泄露，也不会使介质的压力发生大的变化，从而可保证整个切削加工过程继续进行。其它步骤和参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图2和图4说明，本实施方式的步骤三中的介质5为水，介质5的压力为1.0-10.0MPa。如此设置，当初始压力较高的液体发生泄露时，介质的压力将快速下降，不会持续从泄露处向外排放而造成危险，因此比较适合于需要采用较高压力的介质对坯料进行约束的场合。其它步骤和参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式六：结合图10说明，本实施方式的步骤一中待切削加工的坯料1为平板状坯料。本实施方式需要加工的为坯料上不与支撑胎模2接触的面。其它步骤和参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式七：结合图11说明，本实施方式的步骤一中待切削加工的坯料1为内凹状坯料。本实施方式需要加工的为坯料的内凹面，内凹面具有筋肋。其它步骤和参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式八：结合图12说明，本实施方式的步骤一中待切削加工的坯料1为外凸状坯料。本实施方式需要加工的为坯料的外凸面，外凸面具有筋肋。其它步骤和参数与具体实施方式一、二或三相同。

Claims (8)

1.一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法，其特征在于：该方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、将待切削加工的坯料(1)放置到支撑胎模(2)上并定位；
步骤二、将压力介质腔(3)放置在待切削加工的坯料(1)上，使压力介质腔(3)的下端与待切削加工的坯料(1)的外围区域紧密接触实现密封；并将切削刀具(6)和执行机构(7)连接，将切削刀具(6)置于压力介质腔(3)内，并将压力介质腔(3)与执行机构(7)进行密封连接；
步骤三、向压力介质腔(3)中充入介质(5)，介质的压力为0.2-10MPa，利用介质(5)的压力将待切削加工的坯料(1)紧密压靠在支撑胎模(2)上；
步骤四、利用置于压力介质腔(3)内部的切削刀具(6)对待切削加工的坯料(1)进行切削加工，得到最终需要的零件；
步骤五、卸除压力介质腔(3)中的压力，移走切削刀具(6)及压力介质腔(3)，取出零件。
2.根据权利要求1所述的一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法，其特征在于：步骤二中采用的压力介质腔(3)为刚性压力介质筒(4)与柔性囊(9)复合的结构，在刚性压力介质筒(4)的下端与待切削加工的坯料(1)之间设置密封条(11)，通过压块(13)将刚性压力介质筒(4)压紧在待切削加工的坯料(1)上实现刚性压力介质筒(4)与待切削加工的坯料(1)的密封；刚性压力介质筒(4)的上端面与柔性囊(9)复合，复合的具体方式是用螺栓(15)和螺母(14)使压块(13)与刚性压力介质筒(4)之间相互挤压，实现被挤压的柔性囊(9)与刚性压力介质筒(4)的密封；刚性压力介质筒(4)上端设置密封环(12)，柔性囊(9)与密封环(12)密封连接，密封环(12)与执行机构(7)通过密封圈(16)进行密封。
3.根据权利要求1所述的一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法，其特征在于：步骤二中采用的压力介质腔(3)为刚性约束框(8)与柔性囊(9)复合的结构，刚性约束框(8)的下端利用压块(13)将柔性囊(9)的下边缘压靠在待加工的坯料(1)上，柔性囊(9)的上部通过密封环(12)与执行机构(7)之间进行密封，使柔性囊(9)与待切削加工的坯料(1)之间形成压力介质腔。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法，其特征在于：步骤三中的介质(5)为空气，介质(5)的压力为0.2-1.0MPa。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法，其特征在于：步骤三中的介质(5)为水，介质(5)的压力为1.0-10.0MPa。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法，其特征在于：步骤一中待切削加工的坯料(1)为平板状坯料。
7.根据权利要求1、2或3所述的一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法，其特征在于：步骤一中待切削加工的坯料(1)为内凹状坯料。
8.根据权利要求1、2或3所述的一种压力辅助薄壁坯料精密加工方法，其特征在于：步骤一中待切削加工的坯料(1)为外凸状坯料。
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