CN105904271B - 薄壁结构件数控铣削加工智能夹具的设计方法 - Google Patents

薄壁结构件数控铣削加工智能夹具的设计方法 Download PDF

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Abstract

一种薄壁结构件数控铣削加工智能夹具的设计方法，其特征是：（一）、XY向平动结构包括X向进给结构与Y向进给结构，（二）、支承单元结构包括Z向支持结构和其接触单元结构，（三）、夹具总体结构包括夹具基座，（四）、智能夹具系统包括计算机获取走刀路径并存储分析和工件下方的位移传感器获取工件加工前的初始位置并记录。本发明的优点是采用固定支承为辅，可移动的浮动支承为主的支承方式，固定支承位于工件四周，待加工完成后因固定装夹而变形的部分可以去除，不影响零件的精度。初始装夹时，由固定和浮动的两种支承共同作用，使工件受力均匀，防止产生不必要的初始残余应力，从而减少夹紧误差，提高加工精度。

Description

薄壁结构件数控铣削加工智能夹具的设计方法
技术领域
本发明涉及加工技术领域，特别是一种涉及航空航天的薄壁结构件数控铣削加工智能夹具的设计方法。
背景技术
薄壁结构件数控铣削加工一种新型智能夹具系统的创新开发设计。该发明实现了本发明可以实现用以移动的支承所提供的支持力来抵消刀具带来的厚度方向上的切削力，从而大大减小工件因切削力产生的变形，提高加工精度，此外，支承单元内的隔振设计也能减少切削颤振，减少工件表面误差。移动的支承设计以及各模块的可拆装设计最大程度上兼容了各类薄壁结构件的加工，同时便于组装和拆解。传统装夹方式下加工的薄壁结构件存在着产品质量低，废品率高的缺点，据统计，20%~60%的加工误差来源于装夹的变形和加工过程中装夹的稳定性。传统的装夹方案获取方法，往往是根据工程师的直观判断或者是长期加工经验积累，或者是对工件刚度较低部位进行针对性加固。这样的方式并不能适应各种加工要求。
目前、国外大量采用了自动化程度较高的专用夹具，如采用液压可调整工装，在加工零件外轮廓中当切削刀具接近压紧点时压板自动让开，刀具切削后压板立即返回原位压紧零件。还有一些公司采用与被加工零件相同的材料制造夹具、压板，装夹时与零件形成一体，切削过程中不必考虑避让夹具压板，加工效率明显提高。国内对合金航空结构件数控加工中的工装夹具缺少较为深入的研究和开发，更多的是采用简单机械装夹方式。简单机械装夹方式受人为因素影响，夹紧力不容易控制。还有一些平面型单面结构、厚度较小结构件的夹紧采用真空吸附方式，而真空吸附方式对于厚度较大、双面结构的结构件吸附效果较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现减小工件加工时的变形以及由于系统颤振所带来的表面误差，解决了传统装夹下加工薄壁件所带来的生产周期长，降低废品率的薄壁结构件数控铣削加工智能夹具的设计方法。
本发明是这样实现的，其特征是：
（一）、XY向平动结构包括X向进给结构与Y向进给结构，X向进给结构和Y向进给结构分别由底座结构，导轨，丝杠，电动机组成，将Y向进给结构设置于X向结构的导轨上利用丝杠传动，支承单元置于Y向结构的导轨上利用丝杠传动即完成二轴联动，支承单元结构在XY方向上完成运动；
（二）、支承单元结构包括Z向支持结构和其接触单元结构，
Z向支持结构采用电动机驱动丝杠，在导轨上带动接触单元传动，由底座结构，导轨，丝杠，电动机，接触结构组成，将接触结构设置于导轨上利用丝杠传动完成Z向支持，使接触结构能够在Z方向上运动；接触单元结构：接触单元的隔振设计隔振器由无质量的线性弹簧和无质量的粘性阻尼器组成；
（三）、夹具总体结构包括夹具基座，平动结构，支承单元三部分，其中将将支承单元固定在平动结构上构成一个支承模块，每一个支承模块以自由拆卸的方式安装在夹具基座的中心部位，夹具基座的四周提供固定工件的固定支承，固定支承方式可任意拆装；
（四）、智能夹具系统包括计算机获取走刀路径并存储分析和工件下方的位移传感器获取工件加工前的初始位置并记录，计算机根据刀具路径驱动两轴传动装置，使支承单元一直处于刀具正下方并与刀具一同运动，传感器监测工件位置，计算机控制z向支持结构进行补偿。
本发明的优点是采用固定支承为辅，可移动的浮动支承为主的支承方式，固定支承位于工件四周，待加工完成后因固定装夹而变形的部分可以去除，不影响零件的精度。初始装夹时，由固定和浮动的两种支承共同作用，使工件受力均匀，防止产生不必要的初始残余应力，从而减少夹紧误差，提高加工精度。于此同时，在浮动支承内部设计隔振用以减少切削颤振。夹具装置机构模块化，装置由若干模块构成，各个模块可以组装和拆解。可拆装的模块化设计使得装置便于运输和维护保养。
附图说明
以下结合附图对本发明做进一步的说明：
图1是薄壁结构件数控铣削加工时“欠切“现象的示意图；
图2是是薄壁结构件数控铣削加工时有移动支承的示意图；
图3是二轴联动装置的结构示意图；
图4是支承单元结构的结构示意图；
图5是接触单元内部隔振的结构示意图；
图6是接触部分模式的结构示意图；
图7是夹具总体结构的示意图；
图8是智能夹具系统流程图的示意图；
图9是薄壁结构件数控铣削加工智能夹具所示的正视图；
图10是薄壁结构件数控铣削加工智能夹具所示的俯视图；
图11是薄壁结构件数控铣削加工智能夹具所示的左视图。
具体实施方式
步骤１：
如图１—８所示，该薄壁结构件数控铣削加工智能夹具包括基座1、固定支承2、X向传动装置3、Y向传动装置4和支承单元结构5，其设计步骤１：（一）、XY向平动结构包括X向进给结构与Y向进给结构，X向进给结构和Y向进给结构分别由底座结构，导轨，丝杠，电动机组成，将Y向进给结构设置于X向结构的导轨上利用丝杠传动，支承单元置于Y向结构的导轨上利用丝杠传动即完成二轴联动，支承单元结构在XY方向上完成运动；XY向平动结构可实现支承单元“跟随”刀具一同进给的部分。对于此部分而言，只需要跟上刀具并克服一定的摩擦阻力即可，并非需要达到机床一样的大力矩或高精度。因此，此部分选用双电动机驱动丝杠在导轨上传动所组成的两轴联动装置。
（二）、支承单元结构包括Z向支持结构和其接触单元结构，Z向支持结构采用电动机驱动丝杠，在导轨上带动接触单元传动，由底座结构，导轨，丝杠，电动机，接触结构组成，将接触结构设置于导轨上利用丝杠传动完成Z向支持，使接触结构能够在Z方向上运动；接触单元结构：接触单元的隔振设计隔振器由无质量的线性弹簧和无质量的粘性阻尼器组成；：Z向支持结构即是提供Z向向上支持力以抵消刀具在Z方向上压力的装置。与上文两轴联动装置类似，为保留结构简单且易于操作的优点，同样采用电动机驱动丝杠，在导轨上带动接触单元传动以达到调整高度，支持工件的目的。
（三）、夹具总体结构包括夹具基座，平动结构，支承单元三部分，其中将将支承单元固定在平动结构上构成一个支承模块，每一个支承模块以自由拆卸的方式安装在夹具基座的中心部位，夹具基座的四周提供固定工件的固定支承，固定支承方式可任意拆装；
（四）、智能夹具系统包括计算机获取走刀路径并存储分析和工件下方的位移传感器获取工件加工前的初始位置并记录，计算机根据刀具路径驱动两轴传动装置，使支承单元一直处于刀具正下方并与刀具一同运动，传感器监测工件位置，计算机控制z向支持结构进行补偿。（建议结合图8智能夹具系统流程图做进一步祥细的描述）
步骤2：对各部件进行详细分析和结构设计，完成了电动机、导轨、丝杠、底座与基座和隔振器的型号选择和参数计算。
电动机的选型依据：为满足以上设计性能要求，传动量要求精确且易于控制，故电动机选用57系列两相步进电: 绝缘电阻100M Ω Min 500VDC，耐 压 500V AC 1minute，径向跳动 最大0.02mm(450g负载)，轴向跳动 最大0.08mm(450g负载)。XY向平动结构所用电机需要转矩稍大，故选用BS57HB76-03：步矩角1.8°，电机长度76 mm，保持转矩1.35 N.m，额定电流3.0 A/Phase，相电阻1.0Ω，相电感1.6 mH转子惯量480，电机重量1.0kg。
Z向支持结构所用电机所需转矩稍小，故选用BS57HB51-03：步矩角1.8°，电机长度51mm，保持转矩0.72 N.m，额定电流3.0 A/Phase，相电阻1.65Ω，相电感0.9mH转子惯量275，电机重量0.65kg。
导轨的选型依据：要求导轨承载能力强且要降低其重量，故选择强度较高且密度又低的铝合金5000系列作为导轨的基本材料。导轨类型选用三角形导轨 导轨磨合后能自动补偿，故导向精度高，导向性能与顶角有关，顶角越小导向性越好，顶角越大导轨面当量摩擦系数加大；承载能力增加，故取顶角为60°。
丝杠的选型依据：依据装置所要求的电动机的转矩，装置负载，摩擦系数，机械效率综合计算考虑。丝杠统一选用SFU1605-3:公称直径16mm，导程5mm，珠径3.175mm，动载780kg，静载1750kgf。
底座与基座的选型依据：所选取的XY向平动结构以及支承单元结构的底座材料为5052铝合金材料，是应用最广的一种防锈铝，这种合金的强度高，特别是具有抗疲劳强度：塑性与耐腐蚀性高；夹具整体的基座的材料选用c45e钢材，是一种广泛用于机械制造的钢材，这种钢的机械性能很好。
减速阻尼器的选型依据：对于隔振，我们可将问题简化为单自由度隔振系统。则隔振系数η可写为:η，
式中η为隔振系数；λ= ，ωj为激励频率，ωn为隔振系统固有频率；c为粘性阻尼系数，cc为临界阻尼系数。只有当频率比λ> 时，才有隔振效果，且随着λ增加，隔振效果也逐渐增大，实用中取λ=2.55。隔振器由无质量的线性弹簧和无质量的粘性阻尼器组成，如图。此后，根据不同机床系统可调整参数。
步骤3：运用CATIA软件对弹射装置进行了三维实体建模，展示了装置各部件的连接与装配关系，直观而形象地说明了装置的结构特征。
如图9—11所示，该薄壁结构件数控铣削加工智能夹具包括基座1、固定支承2、X向传动装置3、Y向传动装置4和支承单元结构5，图9示出了夹具基座1位于最下方，其上方为固定支承2，X向传动装置3，Y向传动装置4，支承单元结构5。其中固定支承2位于夹具结构的最两侧；夹具基座1上方平均放置三个X向传动结构3；每个X向传动结构3上有一个Y向传动结构4；每个Y向传动结构4上放置一个支承单元结构5。
图9，10示出了每个支承单元结构以通过每个Y向传动结构的丝杠的方式置于其导轨上，使结构5可以Y方向运动；每个Y向传动结构4同样以通过X向传动结构3的丝杠的方式置于其导轨上，使结构5（通过结构4并与结构4）可以进行X方向的运动；
图9，11示出固定支承结构2，X向传动结构3与其上结构（Y向传动结构4，支承单元结构5）以嵌入方式置于夹具基座1中。

Claims (4)

1.一种薄壁结构件数控铣削加工智能夹具的设计方法，其特征是：
（一）、XY向平动结构包括X向进给结构与Y向进给结构，X向进给结构和Y向进给结构分别由底座结构，导轨，丝杠，电动机组成，将Y向进给结构设置于X向结构的导轨上利用丝杠传动，支承单元置于Y向结构的导轨上利用丝杠传动即完成二轴联动，支承单元结构在XY方向上完成运动；
（二）、支承单元结构包括Z向支持结构和其接触单元结构，
Z向支持结构采用电动机驱动丝杠，在导轨上带动接触单元传动，由底座结构，导轨，丝杠，电动机，接触结构组成，将接触结构设置于导轨上利用丝杠传动完成Z向支持，使接触结构能够在Z方向上运动；接触单元结构：接触单元的隔振设计隔振器由无质量的线性弹簧和无质量的粘性阻尼器组成；
（三）、夹具总体结构包括夹具基座，平动结构，支承单元三部分，其中将将支承单元固定在平动结构上构成一个支承模块，每一个支承模块以自由拆卸的方式安装在夹具基座的中心部位，夹具基座的四周提供固定工件的固定支承，固定支承方式可任意拆装；
（四）、智能夹具系统包括计算机获取走刀路径并存储分析和工件下方的位移传感器获取工件加工前的初始位置并记录，计算机根据刀具路径驱动两轴传动装置，使支承单元一直处于刀具正下方并与刀具一同运动，传感器监测工件位置，计算机控制z向支持结构进行补偿。
2.根椐权利要求1所述的薄壁结构件数控铣削加工智能夹具的设计方法，其特征是：薄壁结构件数控铣削加工智能夹具包括夹具基座、固定支承、X向传动装置、Y向传动装置和支承单元结构，夹具基座的上方设置有固定支承，X向传动装置，Y向传动装置，支承单元结构，其中固定支承位于夹具结构的最两侧；夹具基座的上方平均放置三个X向传动结构；每个X向传动结构上有一个Y向传动结构，每个Y向传动结构上放置一个支承单元结构。
3.根椐权利要求1和２所述的薄壁结构件数控铣削加工智能夹具的设计方法，其特征是：每个支承单元结构以通过每个Y向传动结构的丝杠的方式置于其导轨上，使结构可以Y方向运动；每个Y向传动结构同样以通过X向传动结构的丝杠的方式置于导轨上，使支承单元结构可以进行X方向的运动。
4.根椐权利要求1和２所述的薄壁结构件数控铣削加工智能夹具的设计方法，其特征是：固定支承结构，X向传动结构与其上的Y向传动结构，支承单元结构以嵌入方式置于夹具基座中。
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