CN106808246B - 薄壁环形件加工方法及其自动辅助支撑装置 - Google Patents
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Abstract
一种薄壁环形件加工方法及其自动辅助支撑装置，该方法根据工件支撑面余量，采取相应的加工方法。在工件支撑面有余量的加工工序中，根据工件去除一定材料后引起工件支撑面与自动辅助支撑装置间接触力的变化，自动辅助支撑装置自动调节径向辅助支撑空间位置，实现加工过程中工件变形的释放；在工件支撑面无余量的加工工序中，控制自动辅助支撑装置将工件支撑面支撑为理想形状，然后进行加工。为实现此加工方法，发明了自动辅助支撑装置，该装置可自动调节径向辅助支撑空间位置。本发明保证了卸载后零件变形小，壁厚精度符合要求，同时实现了辅助支撑装置的自动化。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械加工技术，尤其是一种根据工件支撑面余量，采取相应加工策略的薄壁环形件加工方法及其自动辅助支撑装置，具体地说是一种薄壁环形件加工方法及其自动辅助支撑装置。
背景技术
薄壁环形件因其重量轻、结构效率高等优点，被广泛应用在在航空航天领域。但大部分薄壁环形件结构复杂、壁薄且刚性较差，加工过程中极易发生失稳和振动等问题，因此需要对弱刚性部位施加辅助支撑，提高工件的刚度。但是在加工过程中，辅助支撑虽然提高了工件的刚度，却限制了工件变形的释放，导致卸载后零件出现变形超差等问题。另外，在加工过程中一味的释放工件变形，工件的壁厚精度难以保证，甚至出现加工余量不足工件报废的情况。现有的薄壁环形件辅助支撑装置，虽然普遍解决了薄壁环形件的弱刚性问题，却没有综合考虑工件变形释放与壁厚要求等问题。同时，现有的辅助支撑装置普遍自动化程度不高，装夹效率低。
经过对现有的技术文献检索发现，中国专利文献号CN203726149U公开(公告)日2014.07.23，公开了一种用于大型薄壁环形件的柔性辅助支撑夹紧装置。该技术通过可移动辅助支撑组件沿零件轴向和径向进行移动调节，可以适应不同尺寸结构的零件，适用于大型薄壁环形件新机研制中单件小批量生产使用，有利于缩短夹具制造周期，节约夹具制造成本。该技术采用的辅助支撑装置虽然提高了工件的刚度，却限制了工件在加工过程中变形的释放；该装置需要手动调节，自动化程度不高，装夹效率低。
发明内容
本发明的目的是针对现有的薄壁环形件辅助支撑装置，虽然普遍解决了薄壁环形件的弱刚性问题，却没有综合考虑工件变形释放与壁厚要求等问题，且现有的辅助支撑装置普遍自动化程度低的问题，发明一种薄壁环形件加工方法，同时设计一种对应的薄壁环形件加工用自动辅助支撑装置。
本发明的技术方案之一是：
一种薄壁环形件加工方法，其特征是，在工件支撑面有余量的加工工序中，自动辅助支撑装置支撑在工件支撑面上，使工件支撑面保持初始形状，随着待加工表面材料的去除，工件支撑面与自动辅助支撑装置上的径向辅助支撑间的接触力会发生变化，自动辅助支撑装置根据接触力的变化，采取径向辅助支撑空间位置自动调整方法，释放工件变形；在工件支撑面无余量的加工工序中，根据加工精度需求，控制自动辅助支撑装置将工件支撑面支撑为理论形状，加工待加工表面。
所述的径向辅助支撑空间位置自动调整方法为通过自动辅助支撑装置上的力传感器监测非切削状态时工件支撑面与径向辅助支撑间的接触力Ft，利用自动辅助支撑装置上的距离传感器实时监测工件支撑面与径向辅助支撑固定支架间的距离L，记录最大值Lmax与最小值Lmin，记二者差值为ΔL；设定接触力阈值Fm，当接触力Ft超过阈值Fm时暂停切削，控制各径向辅助支撑远离支撑面，释放工件变形；若ΔL小于支撑面加工余量a，则控制各径向辅助支撑接近工件支撑面，当接触力达到初始值F0时停止运动；若ΔL大于a，则同时控制所有径向辅助支撑接近工件支撑面，当任一径向辅助支撑接触到工件支撑面时，此时控制所有径向辅助支撑以缓慢速度继续运行，工件支撑面受自动辅助支撑装置支撑力的影响ΔL的值不断变化，当ΔL等于a时，读取各力传感器数值Ft，控制接触力Ft大于初始值F0的径向辅助支撑停止运动，控制接触力Ft小于初始值F0的径向辅助支撑继续运动，当接触力达到初始值F0时停止运动。
所述的将工件支撑面支撑为理想形状的方法为首先将自动辅助支撑装置支撑在工件支撑面上，利用自动辅助支撑装置上的距离传感器测量工件支撑面与各径向辅助支撑固定支架间的距离L，求出其均值并与L求差，记二者差值为X，当X大于0时，控制此处径向辅助支撑接近工件支撑面，位移量为X，当X小于0时，控制此处径向辅助支撑远离工件支撑面，位移量为|X|；根据求得位移量控制各径向辅助支撑到达指定位置后，读取各力传感器数值Ft，控制接触力Ft小于初始值F0的径向辅助支撑继续运动，当接触力达到初始值F0时停止运动。
本发明的技术方案之二是：
一种薄壁环形件加工用自动辅助支撑装置，其特征是它包括：底座1、传动机构2、Z向升降平台3、径向辅助支撑4、力传感器5和距离传感器6；底座1为环形的夹具主体安装平台，通过螺钉和压板与机床工作台连接，底座1上设有定位止口1.5和多个均布的用于安装传动机构2的安装槽；传动机构2径向安装在底座1的安装槽中并能在安装槽中作径向移动，实现辅助支撑单元径向位置调整；Z向升降平台3通过螺钉固定在传动机构2上的移动平台2.6上，用于调节径向辅助支撑4Z向空间位置；径向辅助支撑4安装在Z向升降平台3上，螺钉连接，用于支撑工件支撑面，提高工件加工刚度；力传感器5用于监测径向辅助支撑4支撑点处接触力的值；距离传感器6用于测量工件支撑面与径向辅助支撑固定支架间距离，为薄壁环形件加工方法提供数据反馈。
所述的径向辅助支撑4包括：液压缸4.1、径向辅助支撑固定支架4.2、转接头4.3、连接头4.4、连接块4.5、锁紧螺钉4.6和压紧头4.7；液压缸4.1固定在径向辅助支撑固定支架4.2上，螺钉连接；径向辅助支撑固定支架4.2与Z向升降平台3的支撑板3.6通过螺钉与定位销连接，支撑板3.6上设置有定位销孔；液压缸4.1通过转接头4.3与连接头4.4连接；连接头4.4一端接转接头4.3，另一端与连接块4.5螺纹连接，可设置不同角度，以适应不同角度的斜面或曲面；压紧头4.7与连接块4.5通过锁紧螺钉4.6连接，所述的锁紧螺钉4.6锁紧力可调；所述的连接块4.5与压紧头4.7之间设置有力传感器5；所述的径向辅助支撑固定支架4.2前端设置有距离传感器6。
所述的径向辅助支撑4既能从薄壁环形件的外侧又能从薄壁环形件的内侧对薄壁环形件施加支撑力。
所述的径向辅助支撑4能分别同时从薄壁环形件的外侧和内侧对薄壁环形件施加支撑力。
所述的径向辅助支撑固定支架4.2呈L型结构，L型结构图底部与支撑板3.6相连。
所述的压紧头4.7的角度可调。
本发明的有益效果是：
1、该加工方法在提高工件刚性的同时，加工过中及时释放工件变形，加工变形小、精度高。
2、本发明的自动辅助支撑装置既可以用于薄壁环形件内型面加工，又可以用于薄壁环形件外型面加工。
3、本发明的自动辅助支撑装置其径向位置与轴向位置均可调，压紧头可更换，转接头角度可调，提高了装置的柔性，能够适应不同尺寸，不同形状的零件。
附图说明
图1为本发明的自动辅助支撑装置的结构示意图。
图2为本发明的自动辅助支撑装置的底座的结构示意图。
图3为本发明的自动辅助支撑装置的传动机构的结构示意图。
图4为本发明的自动辅助支撑装置的Z向升降平台的结构示意图。
图5为本发明的自动辅助支撑装置的径向辅助支撑的结构示意图。
图6为本发明的航空发动机燃烧室机匣的结构示意图。
图7为本发明的自动辅助支撑装置的两种不同角度辅助支撑压紧头的结构示意图。图7a为180°辅助支撑压紧头；图7b为45°辅助支撑压紧头。
图8为本发明的自动辅助支撑装置加工薄壁环形件内型面时的装夹示意图。
图9为本发明的自动辅助支撑装置加工薄壁环形件外型面时的装夹示意图。
图中：1为底座、2为传动机构、3为Z向升降平台、4为径向辅助支撑、5为力传感器、6为距离传感器，7为薄壁环形件，1.1为螺纹孔、1.2为螺纹孔、1.3为螺纹孔、1.4为安装槽、1.5定位止口，2.1为步进电机、2.2为步进电机固定支架、2.3为联轴器、12.4为安装板、2.5为丝杠、2.6为移动平台、2.7为导柱、2.8安装板，3.1为升降台底座、3.2为气/液孔、3.3为缸体、3.4为气/液孔、3.5为活塞杆、3.6为支撑板，4.1为液压缸、4.2为径向辅助支撑固定支架、4.3为转接头、4.4为连接头、4.5为连接块、4.6为锁紧螺钉、4.7为压紧头。
具体实施方式
以下结合附图和实例来说明本发明的具体实施方法，本发明不限于该实施例。
实施例一。
如图1。
一种薄壁环形件加工用自动辅助支撑装置，它包括：底座1(图2)、传动机构2(图3)、Z向升降平台3(如图4)、径向辅助支撑4(图5)、力传感器5和距离传感器6，其装配图如图1所示；底座1为环形的夹具主体安装平台，通过螺钉和压板与机床工作台连接，底座1上设有定位止口1.5用于薄壁环形件安装时定位和多个均布的用于安装传动机构2的安装槽1.4；传动机构2径向安装在底座1的安装槽1.4中并能在安装槽1.4中作径向移动，实现径向辅助支撑4的径向位置调整；Z向升降平台3通过螺钉固定在传动机构2上的移动平台2.6上，用于调节径向辅助支撑4Z向空间位置；径向辅助支撑4安装在Z向升降平台3上，螺钉连接，用于支撑工件支撑面，提高工件加工刚度；力传感器5用于监测径向辅助支撑4支撑点处接触力的值；距离传感器6用于测量工件支撑面与径向辅助支撑固定支架间距离，为薄壁环形件加工方法提供数据反馈。其中：径向辅助支撑4如图5所示，它包括：液压缸4.1、径向辅助支撑固定支架4.2、转接头4.3、连接头4.4、连接块4.5、锁紧螺钉4.6和压紧头4.7；液压缸4.1固定在径向辅助支撑固定支架4.2上，螺钉连接，所述的径向辅助支撑固定支架4.2呈L型结构(图5)，L型结构图底部与支撑板3.6相连。径向辅助支撑固定支架4.2与Z向升降平台3的支撑板3.6通过螺钉与定位销连接，支撑板3.6上设置有定位销孔；液压缸4.1通过转接头4.3与连接头4.4连接；连接头4.4一端接转接头4.3，另一端与连接块4.5螺纹连接，可设置不同角度，以适应不同角度的斜面或曲面；压紧头4.7与连接块4.5通过锁紧螺钉4.6连接，所述的锁紧螺钉4.6锁紧力可调；所述的连接块4.5与压紧头4.7之间设置有力传感器5；所述的径向辅助支撑固定支架4.2前端设置有距离传感器6。所述的径向辅助支撑4既能从薄壁环形件的外侧又能从薄壁环形件的内侧对薄壁环形件施加支撑力。所述的径向辅助支撑4能分别同时从薄壁环形件的外侧和内侧对薄壁环形件施加支撑力。
图1是本发明的一个具体实施例，图1中，选取12个辅助支撑单元，其中6个带有180°辅助支撑压紧头用于圆柱面支撑并固定在同一高度，6个带有45°辅助支撑压紧头4.7，用于圆锥面支撑并固定在同一高度上，通过螺钉连接二者间隔安装在底座1上，底座1通过螺钉和压板与机床工作台连接。具体实施时，压紧头4.7的角度可调，它能根据支撑面的形状进行调整到最适合的角度。安装完成后，控制步进电机通过丝杠2.5将传动机构2运动到指定位置，实现径向位置调整，两根导柱2.7起导向及平衡作用。当气/液孔3.2作为进气/液孔，气/液孔3.4作为出气/液孔时，Z向升降平台上升；当气/液孔3.4作为进气/液孔，气/液孔3.2作为出气/液孔时，Z向升降平台下降；从而实现径向辅助支撑Z向位置调整。Z向位置固定后，液压缸4.1作为驱动元件控制径向辅助支撑压紧头4.7支撑工件；力传感器5用于监测辅助支撑点处接触力的值并反馈给控制系统用于控制液压缸4.1的运动；距离传感器6用于测量工件支撑面与径向辅助支撑固定支架间距离，为薄壁环形件加工方法提供数据反馈。
实施例二。
一种薄壁环形件加工方法，具体实施方式为：图6所示薄壁环形件7为一种航空发动机燃烧室机匣，加工该零件时，首先通过止口定位与压板压紧的方式将毛坯固定在自动辅助支撑装置底座上,控制各传动机构运动到D＝300mm处，对毛坯内型面进行粗加工，如图8所示，此时工件支撑面加工余量a＝5mm。通过自动辅助支撑装置上的距离传感器测量工件支撑面与各径向辅助支撑固定支架间的距离L，测得最大值与最小值的差值ΔL＝0.5mm小于支撑面加工余量a，控制各径向辅助支撑接近工件支撑面，当力传感器达到初始值10N时停止运动，进行加工；设定接触力阈值Fm＝100N，力传感器监测非切削状态时工件支撑面与径向辅助支撑间的接触力Ft，当接触力Ft超过阈值Fm时暂停机床，同时控制各径向辅助支撑远离支撑面，释放工件变形；测得此时ΔL＝1.5mm小于支撑面加工余量a，控制各径向辅助支撑接近工件支撑面，当力传感器达到初始值10N时停止运动，继续加工。
控制各传动机构运动到D＝90mm处，对工件外型面进行粗加工，如图9所示，此时工件支撑面加工余量a＝2mm。测得工件支撑面与各径向辅助支撑固定支架间的距离最大ΔL＝0.2mm小于支撑面加工余量a，控制各径向辅助支撑接近工件支撑面，当力传感器达到初始值10N时停止运动，进行加工；设定接触力阈值Fm＝100N，当接触力Ft超过阈值Fm时暂停机床，同时控制各径向辅助支撑远离支撑面，释放工件变形；测得此时ΔL＝2.4mm大于支撑面加工余量a，控制所有径向辅助支撑接近工件支撑面，当任一径向辅助支撑上的力传感器数值增大时，此时控制所有径向辅助支撑以缓慢速度继续运行，工件支撑面受自动辅助支撑装置支撑力的影响ΔL的值不断变化，ΔL等于2mm时，控制所有径向辅助支撑停止运动，读取各径向辅助支撑与工件支撑面间的接触力Ft，控制接触力Ft小于初始值10N的径向辅助支撑继续运动，当接触力达到10N时停止运动；继续加工。
粗加工结束后，修工件基准。
当薄壁环形件7的内型面完成精加工后，控制各传动机构运动到D＝90mm处，对工件外型面进行精加工，此时工件支撑面无余量，将工件支撑面支撑为理想形状进行加工，环形件理想形状为圆形；此时将自动辅助支撑装置支撑在工件支撑面上，测得工件支撑面与径向辅助支撑固定支架间距离L的一组值为69.15、69.88、70.02、70.11、70.03、69.33(单位：mm)，则可求出一组X值为：0.60、-0.13、-0.27、-0.36、-0.28、0.42，控制X大于0处的径向辅助支撑接近工件支撑面，位移量分别为0.6和0.42，控制X小于0处的径向辅助支撑远离工件支撑面，位移量分别为0.13、0.27、0.36和0.28。
根据求得位移量控制各径向辅助支撑到达指定位置后，读取各力传感器数值Ft，控制接触力Ft小于初始值10N的径向辅助支撑继续运动，当接触力达到初始值10N时停止运动，加工工件待加工表面。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种薄壁环形件加工方法，其特征是在工件支撑面有余量的加工工序中，利用自动辅助支撑装置支撑在工件支撑面上，使工件支撑面保持初始形状，随着待加工表面材料的去除，工件支撑面与自动辅助支撑装置上的径向辅助支撑间的接触力会发生变化，自动辅助支撑装置根据接触力的变化，采取径向辅助支撑空间位置自动调整方法，释放工件变形；在工件支撑面无余量的加工工序中，根据加工精度需求，控制自动辅助支撑装置将工件支撑面支撑为理想形状，加工待加工表面。
2.根据权利要求1所述的薄壁环形件加工方法，其特征是，所述的径向辅助支撑空间位置自动调整方法为通过自动辅助支撑装置上的力传感器监测非切削状态时工件支撑面与径向辅助支撑间的接触力Ft，利用自动辅助支撑装置上的距离传感器实时监测工件支撑面与径向辅助支撑固定支架间的距离L，记录最大值Lmax与最小值Lmin，记二者差值为ΔL；设定接触力阈值Fm，当接触力Ft超过阈值Fm时暂停切削，控制各径向辅助支撑远离支撑面，释放工件变形；若ΔL小于支撑面加工余量a，则控制各径向辅助支撑接近工件支撑面，当接触力达到初始值F0时停止运动；若ΔL大于a，则同时控制所有径向辅助支撑接近工件支撑面，当任一径向辅助支撑接触到工件支撑面时，此时控制所有径向辅助支撑以缓慢速度继续运行，工件支撑面受自动辅助支撑装置支撑力的影响ΔL的值不断变化，当ΔL等于a时，读取各力传感器数值Ft，控制接触力Ft大于初始值F0的径向辅助支撑停止运动，控制接触力Ft小于初始值F0的径向辅助支撑继续运动，当接触力达到初始值F0时停止运动。
3.根据权利要求1所述的薄壁环形件加工方法，其特征是，所述的将工件支撑面支撑为理想形状的方法为首先将自动辅助支撑装置支撑在工件支撑面上，利用自动辅助支撑装置上的距离传感器测量工件支撑面与各径向辅助支撑固定支架间的距离L，求出其均值并与L求差，记二者差值为X，当X大于0时，控制此处径向辅助支撑接近工件支撑面，位移量为X，当X小于0时，控制此处径向辅助支撑远离工件支撑面，位移量为|X|，从而将工件支撑面支撑为理想形状；根据求得位移量控制各径向辅助支撑到达指定位置后，读取各力传感器数值Ft，控制接触力Ft小于初始值F0的径向辅助支撑继续运动，当接触力达到初始值F0时停止运动。
4.一种权利要求1所述加工方法使用的薄壁环形件加工用自动辅助支撑装置，其特征是它包括：底座(1)、传动机构(2)、Z向升降平台(3)、径向辅助支撑(4)、力传感器(5)和距离传感器(6)；底座(1)为环形的夹具主体安装平台，通过螺钉和压板与机床工作台连接，底座(1)上设有定位止口(1.5)和多个均布的用于安装传动机构(2)的安装槽；传动机构(2)径向安装在底座(1)的安装槽中并能在安装槽中作径向移动，实现辅助支撑单元径向位置调整；Z向升降平台(3)通过螺钉固定在传动机构(2)上的移动平台(2.6)上，用于调节径向辅助支撑(4)Z向空间位置；径向辅助支撑(4)安装在Z向升降平台(3)上，用于支撑工件支撑面，提高工件加工刚度；力传感器(5)用于监测径向辅助支撑(4)支撑点处接触力的值；距离传感器(6)用于测量工件支撑面与径向辅助支撑固定支架间距离，为薄壁环形件加工方法提供数据反馈。
5.根据权利要求4所述的薄壁环形件加工用自动辅助支撑装置，其特征是所述的径向辅助支撑(4)包括：液压缸(4.1)、径向辅助支撑固定支架(4.2)、转接头(4.3)、连接头(4.4)、连接块(4.5)、锁紧螺钉(4.6)和压紧头(4.7)；液压缸(4.1)固定在径向辅助支撑固定支架(4.2)上；径向辅助支撑固定支架(4.2)与Z向升降平台(3)的支撑板(3.6)通过螺钉与定位销连接，支撑板(3.6)上设置有定位销孔；液压缸(4.1)通过转接头(4.3)与连接头(4.4)连接；连接头(4.4)一端接转接头(4.3)，另一端与连接块(4.5)螺纹连接，可设置不同角度，以适应不同角度的斜面或曲面；压紧头(4.7)与连接块(4.5)通过锁紧螺钉(4.6)连接，所述的锁紧螺钉(4.6)锁紧力可调；所述的连接块(4.5)与压紧头(4.7)之间设置有力传感器(5)；所述的径向辅助支撑固定支架(4.2)前端设置有距离传感器(6)。
6.根据权利要求4所述的薄壁环形件加工用自动辅助支撑装置，其特征是所述的径向辅助支撑(4)既能从薄壁环形件的外侧又能从薄壁环形件的内侧对薄壁环形件施加支撑力。
7.根据权利要求4所述的薄壁环形件加工用自动辅助支撑装置，其特征是所述的径向辅助支撑(4)能分别同时从薄壁环形件的外侧和内侧对薄壁环形件施加支撑力。
8.根据权利要求4所述的薄壁环形件加工用自动辅助支撑装置，其特征是所述的径向辅助支撑固定支架(4.2)呈L型结构，L型结构底部与支撑板(3.6)相连。
9.根据权利要求4所述的薄壁环形件加工用自动辅助支撑装置，其特征是所述的压紧头(4.7)的角度可调。
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