CN107962490B - 复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层的抛光装置与方法 - Google Patents

复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层的抛光装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层的抛光装置与方法，所述的装置包括回转夹具、大长径比刀杆回转机构、X轴运动系统、Y轴运动系统和床身；大长径比刀杆回转机构与X轴运动系统连接；X轴运动系统与Y轴运动系统连接；Y轴运动系统和回转夹具均与床身连接；回转夹具定位夹紧构件实现构件的旋转。本发明采用高刚度的刀杆机构以及低刚度的柔性百叶砂布轮，实现百叶砂布轮由非连续区域向连续区域的柔性过渡，确保加工过程的连续平缓，得到高质量的加工效果。本发明可实现受限空间大长径比筒状构件的内壁涂层自动化加工，提高了构件内壁尺寸精度、位置精度，减少装夹次数，在保证涂层表面质量的同时，极大地缩短了加工周期。

Description

复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层的抛光装置与方法
技术领域
本发明涉及一种加工方法及装置，属于复合材料机械加工领域，尤其是涉及一种复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层的抛光装置与方法。
背景技术
构件因具有轻质高强等性能优势，在航空航天等领域得到广泛应用。构件应用中常在表层涂覆树脂胶层以实现表面防护、隔热或安装配合面等作用，树脂胶层涂覆固化后不可避免的需要机械加工以达到构件的精度要求和使用要求。当构件结构复杂，尤其是大长径比圆筒形构件内壁非连续涂层加工时，由于受限空间和大长径比(长度250mm/直径Φ40mm)，常规工艺可达性差，为其自动化高效加工带来极大的困难。
目前，复合材料大长径比圆筒类构件内壁涂层加工存在加工效率低，尺寸精度、位置精度和表面质量差，自动化程度低等问题，尤其是在受限空间内，大长径比和非连续涂层的特征构件对壁厚、同轴度以及表面粗糙度有较高的要求，常规工艺方法因尺寸受限、大长径比工具刚度不足和非连续面刀具适应性差而难以实现自动化加工，实际生产不得已采用手工打磨方式，加工质量难以保证。
在文献资料和专利检索中，尚未发现针对受限空间内大长径比筒状非连续涂层工件内表面高效加工装置与方法。上海大学设计了一种电主轴前置的深孔磨削加工装置(申请号CN201510285906.7)，该装置使电主轴前置，增加系统刚度，避免因传动主轴过长所引起的系统刚度差、砂轮振动及系统共振等问题。但是，由于主轴前置导致主轴外径过大，对所加工的孔径有一定要求，通用程度低，同时也并不是针对树脂胶涂层孔的加工。中国专利CN201610272849.3公开了一种滑台式深孔加工专用钻床，用以解决传统钻床不能满足的深孔钻削问题，但是该钻床不能实现对涂层的表面抛光加工。中国专利CN201610662103.3公开了一种工件内孔自动加工装置，该装置提高了制孔加工效率与生产自动化程度，但是该装置并不适用于深孔工件的加工。湖北工业大学设计了一种内燃机气缸内表面耐磨涂层的塑变压力加工方法(申请号CN201310584101.3)，该方法通过塑压变力来对气缸内壁涂层进行加工硬化，但是该方法并不适用于以复合材料为基体的树脂涂层的加工。
上述专利都不能满足大长径比树脂胶涂层构件内孔磨削加工的要求，如何实现复合材料受限空间内大长径比筒状内壁涂层磨削及自动化加工，保证其加工质量是企业亟待解决的难题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能克服现有复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层加工技术困难，特别是克服受限空间内壁涂层表面打磨抛光难题的复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层的抛光装置与方法。
本发明的思路是：采用低刚度柔性加工工具、大长径比高刚度动力传递机构和工件回转机构实现受限空间大长径比(直径Φ40mm×长250mm)筒状非连续内壁表面涂层抛光；通过小尺寸百叶砂布轮(Φ30mm)、伺服电机直驱大长径比刀杆和专业回转夹具机构实现复合材料筒状构件非连续内壁的抛光加工。实现本发明的加工装置机械结构主要包括：X、Y两个直线进给机构、大长径比回转刀杆机构、回转夹具、床身部件和数控系统。
本发明所采用的技术方案如下：
复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层的抛光装置，包括回转夹具、大长径比刀杆回转机构、X轴运动系统、Y轴运动系统和床身；
所述的大长径比刀杆回转机构与X轴运动系统连接；X轴运动系统与Y轴运动系统连接；Y轴运动系统与床身连接；回转夹具固定在床身上；所述的回转夹具定位夹紧构件实现构件的旋转；所述的回转夹具、大长径比刀杆回转机构、X轴运动系统、Y轴运动系统均通过数控系统进行控制；
所述的床身包括：由方管焊接而成的床身构架，焊接在床身上方的用于支撑回转夹具的支撑板以及用于支撑大长径比刀杆回转机构的支撑板，便于机床移动的安装在床身的下方的四个万向轮；
所述的回转夹具包括工作台、减速机支撑板A、直角减速机、伺服电机A、轴承座A、轴承A、卡盘支撑、三爪卡盘和联轴器A；工作台用螺栓固定在床身的支撑板上，减速机支撑板A通过螺栓固定在工作台上，直角减速机通过螺栓固定在减速机支撑板A上，伺服电机A固定在床身的支撑板上且动力输出端与直角减速机的输入端相连；轴承座A固定在减速机支撑板A上，轴承A与轴承座A配合，卡盘支撑与轴承A配合，三爪卡盘与卡盘支撑用螺栓连接；卡盘支撑的轴端通过联轴器A连接直角减速机的输出端；
所述的Y轴运动系统包括可拆卸电机支撑座、伺服电机B、Y轴丝杠、Y轴丝杠螺母、轴承座B、轴承B、联轴器B、Y轴导轨、Y轴导轨滑块、X轴机构工作台和Y轴丝杠螺母机构座；所述的可拆卸电机支撑座通过螺栓固定在床身上，伺服电机B安装在可拆卸电机支撑座上，轴承座B及轴承B用来支撑Y轴丝杠，联轴器B连接Y轴丝杠以及伺服电机B，Y轴丝杠螺母与Y轴丝杠配合；Y轴导轨安装在床身上，Y轴导轨滑块与Y轴导轨配合，X轴机构工作台安装在Y轴导轨滑块上，Y轴丝杠螺母机构座连接X轴机构工作台和Y轴丝杠螺母机构；
所述的X轴运动系统包括X轴导轨、X轴导轨压块、X轴导轨滑块、变频电机工作台、X轴丝杠螺母机构座、X轴丝杠、X轴丝杠螺母、轴承C、轴承座C、联轴器C、减速机C和伺服电机C；X轴导轨通过螺栓固定在X轴机构工作台上，X轴导轨压块通过螺栓固定在X轴机构工作台上用来固定X轴导轨，X轴导轨滑块与X轴导轨配合，变频电机工作台与X轴导轨滑块固定连接，X轴丝杠螺母机构座与变频电机工作台通过螺栓连接，轴承C与轴承座C用来支撑X轴丝杠，联轴器C连接减速机C输出端和X轴丝杠，伺服电机C固定在X轴机构工作台上，伺服电机C的输出端与减速机C输入端相连，减速机C通过螺栓固定在减速机支撑板C上。
所述的大长径比刀杆回转机构包括变频电机工作台、变频电机、轴承座D、轴承D、刀杆、联轴器D、ER夹头、夹头螺母和百叶砂布轮；变频电机通过螺栓固定在变频电机工作台上，两副轴承座D与轴承D通过螺栓连接在变频电机工作台上，刀杆与轴承D相配合，联轴器D连接刀杆与变频电机输出端，ER夹头与夹头螺母装在刀杆端部，百叶砂布轮通过ER夹头与夹头螺母固定；所述的刀杆为大长径比刀杆。
所述的构件为大长径比复合材料筒状构件，内表面为涂层，并开有窗口。
进一步地，所述的长径比为构件的长度与直径之比，所述的大长径比为6-10。
复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层的抛光方法，包括以下步骤：
A、将构件安装固定在三爪卡盘上，启动伺服电机A，经减速机A和联轴器A将转速和扭矩传递给卡盘支撑和三爪卡盘，通过三爪卡盘带动构件旋转。
B、启动固定在大长径比回转刀杆机构上的变频电机，带动刀杆及百叶砂布轮旋转，控制百叶砂布轮的转速大于构件的转速15倍以上且二者转动方向相反，使百叶砂布轮对构件进行磨削。
C、利用伺服电机B和伺服电机C分别控制X轴运动系统和Y轴运动系统将百叶砂布轮调整到初始目标位置。
D、利用X轴运动系统带动大长径比回转刀杆机构做X向运动确定磨削深度，Y轴运动系统带动大长径比回转刀杆机构做Y向进给运动，使百叶砂布轮沿着构件轴向进给，开始磨削抛光。完成一层磨削抛光后，百叶砂布轮退出构件的腔体。
E、利用X轴运动系统调整磨削深度，重复步骤D布直至整个内壁表面涂层抛光任务完成。
F、松开三爪卡盘，取下构件。
本发明的有益效果是：
1、本发明可用于抛光大长径比且被加工表面为非连续的筒状构件(直径Φ40mm×长250mm)，为保证加工内壁涂层时的精度以及加工过程中刀具由非连续区域向连续区域过渡的平缓性，本发明采用高刚度的刀杆机构以及低刚度的柔性百叶砂布轮。百叶砂布轮为柔性刀具，在受到力的作用时百叶砂布轮能产生一定的径向变形，实现百叶砂布轮由非连续区域向连续区域的柔性过渡，确保加工过程的连续平缓，得到高质量的加工效果。
2、采用本发明可实现受限空间大长径比复合材料筒状构件的内壁涂层自动化加工，并能在一次装夹内实现非连续内壁表面完整加工，提高了构件内壁尺寸精度、位置精度，减少装夹次数，在保证涂层表面质量的同时，极大地缩短了加工周期。
附图说明
本发明共7幅附图
图1为本发明的整体装配示意图。
图2为回转夹具示意图。
图3为Y轴运动系统结构示意图。
图4为X轴运动系统结构示意图。
图5为图4的侧视图。
图6为大长径比回转刀杆机构结构示意图。
图7为构件示意图。
图中：1、床身，2、回转夹具，21、伺服电机A，22、直角减速机，23、减速机支撑板A，24、联轴器A，25、工作台，26、轴承A，27、卡盘支撑，28、三爪卡盘，29、构件，210、窗口，211、涂层，3、Y轴运动系统，31、伺服电机B，32、可拆卸电机支撑座，33、联轴器B，34、轴承B，35、Y轴丝杠螺母机构座，36、Y轴丝杠螺母，37、Y轴丝杠，38、Y轴导轨滑块，39、Y轴导轨，4、X轴运动系统，41、伺服电机C，42、减速机C，43、X轴机构工作台，44、减速机支撑板C，45、X轴导轨，46、X轴导轨压块，47、X轴导轨滑块，48、X轴丝杠，49、X轴丝杠螺母，410、轴承C，411、轴承座C，412、联轴器C，413、X轴丝杠螺母机构座，5、大长径比回转刀杆机构，51、变频电机工作台，52、变频电机，53、联轴器D，54、轴承D，55、刀杆，56、ER夹头，57、夹头螺母，58、百叶砂布轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述，如图1-7所示复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层的抛光装置，包括回转夹具2、大长径比刀杆回转机构5、X轴运动系统4、Y轴运动系统3和床身1；
所述的大长径比刀杆回转机构5与X轴运动系统4连接；X轴运动系统4与Y轴运动系统3连接；Y轴运动系统3与床身1连接；回转夹具2固定在床身1上；所述的回转夹具2定位夹紧构件29实现构件29的旋转；所述的回转夹具2、大长径比刀杆回转机构5、X轴运动系统4、Y轴运动系统3均通过数控系统进行控制；
所述的床身1包括：由方管焊接而成的床身构架，焊接在床身1上方的用于支撑回转夹具2的支撑板以及用于大长径比刀杆回转机构5的支撑板，便于机床移动的安装在床身1的下方的四个万向轮；
所述的回转夹具2包括工作台25、减速机支撑板A23、直角减速机22、伺服电机A21、轴承座A、轴承A26、卡盘支撑27、三爪卡盘28和联轴器A24；工作台25用螺栓固定在床身1的支撑板上，减速机支撑板A23通过螺栓固定在工作台25上，直角减速机22通过螺栓固定在减速机支撑板A23上，伺服电机A21固定在床身1的支撑板上且动力输出端与直角减速机22的输入端相连；轴承座A固定在减速机支撑板A23上，轴承A26与轴承座A配合，卡盘支撑27与轴承A26配合，三爪卡盘28与卡盘支撑27用螺栓连接；卡盘支撑27的轴端通过联轴器A24连接直角减速机22的输出端；
所述的Y轴运动系统3包括可拆卸电机支撑座32、伺服电机B31、Y轴丝杠37、Y轴丝杠螺母36、轴承座B、轴承B34、联轴器B33、Y轴导轨39、Y轴导轨滑块38、X轴机构工作台43和Y轴丝杠螺母机构座35；所述的可拆卸电机支撑座32通过螺栓固定在床身1上，伺服电机B31安装在可拆卸电机支撑座32上，轴承座B及轴承B34用来支撑Y轴丝杠37，联轴器B33连接Y轴丝杠37以及伺服电机B31，Y轴丝杠螺母36与Y轴丝杠37配合；Y轴导轨39安装在床身1上，Y轴导轨滑块38与Y轴导轨39配合，X轴机构工作台43安装在Y轴导轨滑块38上，Y轴丝杠螺母机构座35连接X轴机构工作台43和Y轴丝杠螺母36机构；
所述的X轴运动系统4包括X轴导轨45、X轴导轨压块46、X轴导轨滑块47、变频电机工作台51、X轴丝杠螺母机构座413、X轴丝杠48、X轴丝杠螺母49、轴承C410、轴承座C411、联轴器C412、减速机C42和伺服电机C41；X轴导轨45通过螺栓固定在X轴机构工作台43上，X轴导轨压块46通过螺栓固定在X轴机构工作台43上用来固定X轴导轨45，X轴导轨滑块47与X轴导轨45配合，变频电机工作台51与X轴导轨滑块47固定连接，X轴丝杠螺母机构座413与变频电机工作台51通过螺栓连接，轴承C410与轴承座C411用来支撑X轴丝杠48，联轴器C412连接减速机C42输出端和X轴丝杠48，伺服电机C41固定在X轴机构工作台43上，伺服电机C41的输出端与减速机C42输入端相连，减速机C42通过螺栓固定在减速机支撑板C44上；
所述的大长径比刀杆回转机构5包括变频电机工作台51、变频电机52、轴承座D、轴承D54、刀杆55、联轴器D53、ER夹头56、夹头螺母57和百叶砂布轮58；变频电机52通过螺栓固定在变频电机工作台51上，两副轴承座D与轴承D54通过螺栓连接在变频电机工作台51上，刀杆55与轴承D54相配合，联轴器D53连接刀杆55与变频电机52输出端，ER夹头56与夹头螺母57装在刀杆55端部，百叶砂布轮58通过ER夹头56与夹头螺母57固定；所述的刀杆55为大长径比刀杆55。
所述的构件29为大长径比复合材料筒状构件29，内表面为涂层211，并开有窗口210。
进一步地，所述的长径比为构件29的长度与直径之比，所述的大长径比为6-10。
复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层的抛光方法，包括以下步骤：
A、将构件29安装固定在三爪卡盘28上，启动伺服电机A21，经直角减速机22和联轴器A24将转速和扭矩传递给卡盘支撑27和三爪卡盘28，通过三爪卡盘28带动构件29旋转。
B、启动固定在大长径比回转刀杆机构5上的变频电机52，带动刀杆55及百叶砂布轮58旋转，控制百叶砂布轮58的转速大于构件29的转速15倍以上且二者转动方向相反，通过百叶砂布轮58对构件29进行磨削(本实施例百叶砂布轮58的转速为2000r/min，构件29的转速为120r/min)。
C、利用伺服电机B31和伺服电机C41分别控制X轴运动系统4和Y轴运动系统3将百叶砂布轮58调整到初始目标位置。
D、利用X轴运动系统4带动大长径比回转刀杆机构5做X向运动确定磨削深度，Y轴运动系统3带动大长径比回转刀杆机构5做Y向进给运动，使百叶砂布轮58沿着构件29轴向进给，开始磨削抛光。完成一层磨削抛光后，百叶砂布轮58退出构件29的腔体。
E、利用X轴运动系统4调整磨削深度，重复步骤D布直至整个内壁表面涂层抛光任务完成。
F、松开三爪卡盘28，取下构件29。
图7为构件示意图，高刚度的刀杆55带动柔性的百叶砂布轮58转动，构件29在回转夹具2的夹持下转动，二者之间的速度差实现百叶砂布轮58对构件29的磨削加工。当百叶砂布轮58加工到窗口210边缘处非连续表面到连续表面的过渡阶段时，百叶砂布轮58柔性变形，实现对涂层211磨削加工的柔性过渡。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层的抛光装置，包括回转夹具(2)、大长径比刀杆回转机构(5)、X轴运动系统(4)、Y轴运动系统(3)和床身(1)；
所述的大长径比刀杆回转机构(5)与X轴运动系统(4)连接；X轴运动系统(4)与Y轴运动系统(3)连接；Y轴运动系统(3)与床身(1)连接；回转夹具(2)固定在床身(1)上；所述的回转夹具(2)定位夹紧构件(29)实现构件(29)的旋转；所述的回转夹具(2)、大长径比刀杆回转机构(5)、X轴运动系统(4)、Y轴运动系统(3)均通过数控系统进行控制；
所述的床身(1)包括：由方管焊接而成的床身构架，焊接在床身(1)上方的用于支撑回转夹具(2)的支撑板以及用于大长径比刀杆回转机构(5)的支撑板，便于机床移动的安装在床身(1)的下方的四个万向轮；
所述的回转夹具(2)包括工作台(25)、减速机支撑板A(23)、直角减速机(22)、伺服电机A(21)、轴承座A、轴承A(26)、卡盘支撑(27)、三爪卡盘(28)和联轴器A(24)；工作台(25)用螺栓固定在床身(1)的支撑板上，减速机支撑板A(23)通过螺栓固定在工作台(25)上，直角减速机(22)通过螺栓固定在减速机支撑板A(23)上，伺服电机A(21)固定在床身(1)的支撑板上且动力输出端与直角减速机(22)的输入端相连；轴承座A固定在减速机支撑板A(23)上，轴承A(26)与轴承座A配合，卡盘支撑(27)与轴承A(26)配合，三爪卡盘(28)与卡盘支撑(27)用螺栓连接；卡盘支撑(27)的轴端通过联轴器A(24)连接直角减速机(22)的输出端；
所述的Y轴运动系统(3)包括可拆卸电机支撑座(32)、伺服电机B(31)、Y轴丝杠(37)、Y轴丝杠螺母(36)、轴承座B、轴承B(34)、联轴器B(33)、Y轴导轨(39)、Y轴导轨滑块(38)、X轴机构工作台(43)和Y轴丝杠螺母机构座(35)；所述的可拆卸电机支撑座(32)通过螺栓固定在床身(1)上，伺服电机B(31)安装在可拆卸电机支撑座(32)上，轴承座B及轴承B(34)用来支撑Y轴丝杠(37)，联轴器B(33)连接Y轴丝杠(37)以及伺服电机B(31)，Y轴丝杠螺母(36)与Y轴丝杠(37)配合；Y轴导轨(39)安装在床身(1)上，Y轴导轨滑块(38)与Y轴导轨(39)配合，X轴机构工作台(43)安装在Y轴导轨滑块(38)上，Y轴丝杠螺母机构座(35)连接X轴机构工作台(43)和Y轴丝杠螺母(36)机构；
所述的X轴运动系统(4)包括X轴导轨(45)、X轴导轨压块(46)、X轴导轨滑块(47)、变频电机工作台(51)、X轴丝杠螺母机构座(413)、X轴丝杠(48)、X轴丝杠螺母(49)、轴承C(410)、轴承座C(411)、联轴器C(412)、减速机C(42)和伺服电机C(41)；X轴导轨(45)通过螺栓固定在X轴机构工作台(43)上，X轴导轨压块(46)通过螺栓固定在X轴机构工作台(43)上用来固定X轴导轨(45)，X轴导轨滑块(47)与X轴导轨(45)配合，变频电机工作台(51)与X轴导轨滑块(47)固定连接，X轴丝杠螺母机构座(413)与变频电机工作台(51)通过螺栓连接，轴承C(410)与轴承座C(411)用来支撑X轴丝杠(48)，联轴器C(412)连接减速机C(42)输出端和X轴丝杠(48)，伺服电机C(41)固定在X轴机构工作台(43)上，伺服电机C(41)的输出端与减速机C(42)输入端相连，减速机C(42)通过螺栓固定在减速机支撑板C(44)上；
其特征在于：所述的大长径比刀杆回转机构(5)包括变频电机工作台(51)、变频电机(52)、轴承座D、轴承D(54)、刀杆(55)、联轴器D(53)、ER夹头(56)、夹头螺母(57)和百叶砂布轮(58)；变频电机(52)通过螺栓固定在变频电机工作台(51)上，两副轴承座D与轴承D(54)通过螺栓连接在变频电机工作台(51)上，刀杆(55)与轴承D(54)相配合，联轴器D(53)连接刀杆(55)与变频电机(52)输出端，ER夹头(56)与夹头螺母(57)装在刀杆(55)端部，百叶砂布轮(58)通过ER夹头(56)与夹头螺母(57)固定；所述的刀杆(55)为大长径比刀杆(55)；所述的百叶砂布轮(58)为Φ30mm的百叶砂布轮(58)；
所述的构件(29)为大长径比复合材料筒状构件(29)，内表面为非连续内壁涂层(211)，并开有窗口(210)；
所述的长径比为构件(29)的长度与直径之比，所述的大长径比为6-10；
整个装置采用大长径比刀杆、双排轴承支撑结构和柔性加工工具实现受限空间内非连续内腔表面涂层的精准加工。
2.复合材料大长径比筒状非连续内壁涂层的抛光方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、将构件(29)安装固定在三爪卡盘(28)上，启动伺服电机A(21)，经直角减速机(22)和联轴器A(24)将转速和扭矩传递给卡盘支撑(27)和三爪卡盘(28)，通过三爪卡盘(28)带动构件(29)旋转；
B、启动固定在大长径比回转刀杆机构(5)上的变频电机(52)，带动刀杆(55)及百叶砂布轮(58)旋转，控制百叶砂布轮(58)的转速大于构件(29)的转速15倍以上且二者转动方向相反，通过百叶砂布轮(58)对构件(29)进行磨削；
C、利用伺服电机B(31)和伺服电机C(41)分别控制X轴运动系统(4)和Y轴运动系统(3)将百叶砂布轮(58)调整到初始目标位置；
D、利用X轴运动系统(4)带动大长径比回转刀杆机构(5)做X向运动确定磨削深度，Y轴运动系统(3)带动大长径比回转刀杆机构(5)做Y向进给运动，使百叶砂布轮(58)沿着构件(29)轴向进给，开始磨削抛光；完成一层磨削抛光后，百叶砂布轮(58)退出构件(29)的腔体；
E、利用X轴运动系统(4)调整磨削深度，重复步骤D布直至整个内壁表面涂层抛光任务完成；
F、松开三爪卡盘(28)，取下构件(29)。
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