CN105522328B - 一种薄形曲面零件的定位加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄形曲面零件的定位加工方法，具体加工过程包括：(1)加工切削部位的外轮廓；(2)采用在坯料厚度方向上一次性进刀，在坯料宽度方向上逐次进刀的方式加工切削部位的正面；(3)削薄过渡部位的正面；(4)绕定位夹具的旋转轴线翻转U型夹头180度，采用步骤(2)的进刀方式加工切削部位的反面；(5)削薄过渡部位的反面，直至过渡部位仅残留连接耳片；(6)切断连接耳片，获得加工成型的薄形曲面零件。本发明保证在零件的加工过程中，始终保持自身刚性处于最强状态，避免在加工过程中出现震动问题。

Description

一种薄形曲面零件的定位加工方法

技术领域

本发明涉及零件加工技术领域，具体涉及一种薄形曲面零件的定位加工方法。

背景技术

在航空制造领域，大量接头、支座等铝合金零件采用曲面设计，零件整体外形曲面较多，甚至没有任何平面，这类定位基准模糊或无定位基准的零件加工通常采用较为繁琐的加工工艺及加工策略。

加工工艺过程一般采用分别对零件进行正反面加工的方式，正面加工时，除完整加工出零件单面形状外，也会采用基准传递的方法，在毛坯上选择位置加工出供另一面定位使用的基准。

加工策略通常采用先粗后精、细分层、往复精加工、慢走刀的加工策略。在机床和装夹方法的选择上依据数控机床的不同而不同，当使用三轴数控机床加工时，一般采用专用工装或使用压板、螺栓紧固的装夹方法进行多面单独装夹加工，即先完整的加工零件一面后，再将零件翻面装夹，通过上一工序在毛坯上预留的工艺平面与机床工作台接触定位，再通过上一工序在毛坯上加工的基准孔或基准边找正零件、建立坐标后，进行加工；使用四轴、五轴数控机床加工时，多采用虎钳一次性装夹加工，通过机床主轴或工作台的角度摆动来实现零件的多面加工。

此类零件自身定位基准模糊或完全无定位基准、零件厚度薄、刚性弱、金属去除量大，采用以上传统的数控加工工艺以及加工策略存在以下问题：

(1)零件加工时间长、精度差，对于航空定位基准模糊类零件采用先粗后精、细分加工层、中速慢走刀的加工策略，无法避免多面加工时，因零件厚度减薄、刚性不断减弱而产生的震刀现象，并且加工效率较低， 零件表面质量差；使用专用工装时，零件的位置精度受工装自身精度及操作人员装夹正确性的影响，质量难以稳定。

(2)工艺过程繁琐，因零件自身无可使用的定位基准，所以采用三轴数控机床加工时，对于多面加工无法实现快速装夹定位，需反复调整位置进行拆装，装夹时间较长，工作量大，且装夹速度和正确性都受操作人员自身技能水平及经验的影响而变化，无法准确地对零件加工工时进行测量。

(3)工艺设计及程序编制过程复杂，因零件自身无可使用的定位基准，所以采用三轴数控机床加工时，工艺编程人员需根据零件实际情况设计零件翻面所使用的工艺凸台及装夹区域，还需要根据零件实际情况及操作人员的实际操作能力设计基准传递形式，当零件设计出现改动，或出现类似件的时候，以上工作也需要重新进行，这些都加大了此类的零件的工艺、程序编制难度，耗时费力。

(4)加工此类零件通常需制作专用的工装夹具或是使用四轴、五轴数控机床加工，加工成本较高，不适合批量加工。

(5)航空材料昂贵，装夹部分材料浪费严重。

(6)夹具通用性不强，零件规格和尺寸变化后需要重新制造工装，工装费用高、准备周期长。

发明内容

本发明提供了一种薄形曲面零件的定位加工方法，能够保证在零件的加工过程中，始终保持自身刚性处于最强状态，避免在加工过程中出现震动问题。

一种薄形曲面零件的定位加工方法，使用的坯料包括夹持部位、过渡部位和切削部位，加工前将夹持部位通过U型夹头固定在三轴数控机床的定位夹具上，所述三轴数控机床的加工坐标系原点处在定位夹具的旋转轴线上，具体加工过程包括：

(1)加工切削部位的外轮廓；

(2)采用在坯料厚度方向上一次性进刀，在坯料宽度方向上逐次进 刀的方式加工切削部位的正面；

(3)削薄过渡部位的正面；

(4)绕定位夹具的旋转轴线翻转U型夹头180度，采用步骤(2)的进刀方式加工切削部位的反面；

(5)削薄过渡部位的反面，直至过渡部位仅残留连接耳片；

(6)切断连接耳片，获得加工成型的薄形曲面零件。

本发明提供的定位加工方法适用于小尺寸的薄形曲面零件，所述薄形曲面零件的尺寸范围在200mm×120mm×50mm以内。本发明中的加工坯料，尺寸最大为长度，尺寸最小为厚度，中间者为宽度。

本发明提供的定位加工方法，采用先轴向后径向，轴向大切深、径向小切宽的往复加工策略，一次走刀即可直接加工出零件的最终表面，通过往复向内侧(靠近夹具的一侧为内侧，远离夹具的一侧为外侧)推进的进刀方法逐步加工成形。

本发明从零件刚性最弱的外侧逐步向靠近夹具的内侧加工，该策略省去了传统的粗加工、半精加工阶段，极大的提高了加工效率，而且可以保证多面加工时，零件始终保持自身刚性处于最强状态，避免了零件因自身刚性逐步减弱，而产生的震动问题，进而保证零件拥有较高质量的表面。

本发明使用三轴数控机床即可实现四轴、五轴数控机床的定轴加工功能，降低了加工成本，极大的简化了操作，规避了人为因素导致的风险。

本发明采用一次夹装，即可完成多工序的加工，保证加工基准的统一，避免多工序多次夹装对零件精度造成的影响。

作为优选，坯料宽度方向上每次进刀1～2mm。采用径向小切宽的方式进行加工，保证在加工过程中，零件自身刚性始终处于最强状态。

作为优选，固定坯料时，待加工的薄形区域所在的平面与定位夹具的旋转轴线平行。以保证加工完正面后，翻转定位夹具即可实现反面的加工。

作为优选，所述U型夹头的一侧带有工件夹持槽，槽壁上安装有工件锁紧螺钉，U型夹头的另一侧设有与定位夹具相配合的受夹定位件。

为了保证定位夹具绕其轴线翻转180度后，具有较高的精度，优选地，所述受夹定位件的布置方式为绕定位夹具旋转轴线180度旋转对称。

作为优选，步骤(2)中，过渡部位残留部分的厚度不小于已切削部位的最薄处。以保证在零件的加工过程中，过渡部位不会成为强度最薄弱的地方，影响零件的顺利加工。

本发明适用于薄形曲面零件的加工，优选地，薄形曲面零件中，薄形区域的厚度小于等于50mm。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明保证薄形曲面零件在加工过程中，始终保持自身刚性处于最强状态，避免弱刚性零件在加工过程中的震动问题，有效提高了薄壁类零件的表面质量。

(2)本发明避免了因零件定位基准模糊而导致的反复装夹，不使用零件自身定位基准，一次装夹能够完成定位基准模糊类零件的全部加工内容，且重复装夹定位精确度高，大幅降低了装夹难度，缩短了装夹时间。

(3)本发明工艺过程清晰、明确，加工策略清晰易于掌握，极大的简化了工艺人员的工艺、程序编制过程；

(4)本发明采用非常规的高效加工策略，打破常规依次进行粗加工、半精加工、精加工的加工策略，采用大切深、往复走刀、零件最终表面一次加工成形的加工方法，提高了薄形零件的加工效率，极大的降低了加工时间。

(5)本发明操作简单方便，不受操作人员自身技能水平影响，降低了装夹过程中，由于人为因素导致的风险。

(6)本发明特别适合于多曲面、精度要求高、定位基准模糊、生产批量大的航空小尺寸零件的加工，且使用三轴数控机床即可实现传统四轴、五轴数控机床的定轴加工功能，降低了加工成本。

附图说明

图1a为本发明实施例加工的薄形曲面零件的结构示意图；

图1b为图1a中的A-A向剖面图；

图2为本发明中采用的坯料的示意图；

图3为本发明中定位夹具以及加工坐标系的位置示意图；

图4为本发明中薄形曲面零件与定位夹具、U型夹头的连接示意图；

图5为本发明中薄形曲面零件正面加工策略示意图；

图6为本发明中薄形曲面零件反面加工策略示意图。

图中：1、坯料；2、定位夹具；3、U型夹头；4、外轮廓；5、外轮廓；6、过渡部位；7、切削部位；8、连接耳片；9、外轮廓；10、夹持部位。

具体实施方式

以如图1a、图1b所示的薄形曲面零件为例，对本发明薄形曲面零件的定位加工方法做详细描述。

如图1a所示，薄形曲面零件的长度L为160mm，宽度W为80mm，如图1b所示，薄形曲面零件的厚度D1和D2均为2mm，薄形曲面零件的正反两面(图1b中箭头a和箭头b所指的平面)均为曲面。

本实施例中使用的三轴数控机床的定位夹具如图3所示，采用气动夹紧方式，主体为气动直角定位座，零件的加工坐标系XYZ的原点与定位夹具2的旋转中心相重合(即三轴数控机床的加工坐标系原点处在定位夹具2的旋转轴线上)。加工时，定位夹具2固定在三轴数控机床的工作台上。

本实施例中，U型夹头3材料为45#钢，U型夹头3的一侧带有工件夹持槽，工件夹持槽的槽口宽度为25.4mm，槽口深度E为8mm；槽壁上安装有4个工件锁紧螺钉孔，通过4个机米螺钉(即内六角紧固螺丝)固定零件，机米螺钉为M6粗牙螺栓，高度为15-16mm；U型夹头3的另一侧设有与定位夹具2相配合的加工型标准拉钉，U型夹头3与定位夹具2通过标准拉钉相连接。标准拉钉的布置方式为绕定位夹具2旋转轴线180度旋转对称。U型夹头3通过气动开关实现零件的夹紧。

本实施例所用的坯料1如图2所示，坯料1尺寸为长度B为170mm，宽度A为95mm，厚度C为25mm。定位夹具2、U型夹头3以及坯料1的安装示意图如图4所示，坯料1被U型夹头3夹持的部位为夹持部位10，远离U型夹头3的部位为切削部位7，夹持部位10和切削部位7之间为过渡部位6。固定坯料1时，待加工的薄形区域所在的平面与定位夹具2的旋转轴线平行。

本实施例使用的三轴数控机床，最高转速12000rpm，主轴马力≥ 7.5KW，主轴最大扭矩≥70NM，工作台最大载重≥1000KG，快速移动速度44000mm/min。

本实施例采用两种刀具，刀具整体都采用硬质合金，其中第一种刀具为Φ12R3刀具，具体规格为：总长为80mm，直径为Φ12mm，底角半径3mm，有效切削刃的刃长度20mm，有效悬长50mm，齿数为3齿，刀具螺旋角35°；第二种刀具为Φ10R0.2刀具，具体规格为：总长为80mm，直径为Φ10mm，底角半径0.2mm，有效切削刃的刃长度15mm，有效悬长40mm。

具体加工过程包括：

(1)如图5所示，加工切削部位7的正面时，采用Φ12R3刀具加工零件的外轮廓4，然后刀具由坯料1的外侧(坯料1远离U型夹头3的一侧为外侧，靠近U型夹头3的一侧为内侧)开始加工，切深(即轴向，箭头A1所示方向，也即与Z轴相平行的方向)为坯料1表面到零件表面的高度H(约15mm)，切宽(即径向，箭头A2所示方向，也即与X轴相平行的方向)为1mm，沿与Y轴相平行的路径往复逐步向U型夹头3一侧走刀加工，加工出零件的表面。

加工时，主轴转速S＝8000r/min，每齿进给量Fz＝0.1875，切削深度ap≤20mm。

(2)使用Φ10R0.2刀具采用往复加工的方法加工出零件的外轮廓5，即削薄过渡部位6的正面，过渡部位6与切削部位7的衔接处即为零件的外轮廓5。

此时，薄形曲面零件的正面加工完毕，零件仍处于刚性状态，且夹持稳定。

(3)如图6所示，加工零件反面时，U型夹头3与零件的夹持状态保持不变，180度翻转U型夹头3，使用标准拉钉固定U型夹头3与定位夹具2的位置，完成零件的反面夹装，重复夹装精度＜0.01mm。

(4)使用Φ12R3刀具，从坯料1外侧开始加工，切深为坯料1表面到零件表面11的高度(约7mm)，切宽1mm，往复逐步向夹具一侧走刀加工，直接加工出零件表面11，采用相同的加工方法加工出零件表面12，切深约15mm。

使用Φ10R0.2刀具，使用螺旋向下的切削方法加工出零件外轮廓，先加工左右两侧外轮廓9，然后加工中间部分的轮廓。

预留两处连接耳片8，连接耳片8的宽度2mm，厚度0.5mm，此时切削部位7与夹持部位10通过两处连接耳片连接，零件所有特征全部加工完毕，使用Φ10R0.2刀具将连接耳片切断，Φ10R0.2刀具切削参数为S＝8000，每齿进给量Fz＝0.15，切削深度ap≤1，通过钳工将零件两处连接耳片8的残留材料去除，获得加工成型的薄形曲面零件。

Claims (4)

1.一种薄形曲面零件的定位加工方法，其特征在于，使用的坯料包括夹持部位、过渡部位和切削部位，加工前将夹持部位通过U型夹头固定在三轴数控机床的定位夹具上，所述U型夹头的一侧带有工件夹持槽，槽壁上安装有工件锁紧螺钉，U型夹头的另一侧设有与定位夹具相配合的受夹定位件，所述三轴数控机床的加工坐标系原点处在定位夹具的旋转轴线上，具体加工过程包括：

(1)加工切削部位的外轮廓；

(2)采用在坯料厚度方向上一次性进刀，在坯料宽度方向上逐次进刀的方式加工切削部位的正面，坯料宽度方向上每次进刀1～2mm；

(3)削薄过渡部位的正面；

(4)绕定位夹具的旋转轴线翻转U型夹头180度，采用步骤(2)的进刀方式加工切削部位的反面；

(5)削薄过渡部位的反面，直至过渡部位仅残留连接耳片；

(6)切断连接耳片，获得加工成型的薄形曲面零件，薄形曲面零件中，薄形区域的厚度小于等于50mm。

2.如权利要求1所述的薄形曲面零件的定位加工方法，其特征在于，固定坯料时，待加工的薄形区域所在的平面与定位夹具的旋转轴线平行。

3.如权利要求1所述的薄形曲面零件的定位加工方法，其特征在于，所述受夹定位件的布置方式为绕定位夹具旋转轴线180度旋转对称。

4.如权利要求1所述的薄形曲面零件的定位加工方法，其特征在于，步骤(5)中，过渡部位残留部分的厚度不小于已切削部位的最薄处，所述过渡部位残留部分为连接耳片。