CN108890225A - 一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，提出了一种薄壁大面积异型复合材料壳体测量方法，设计了一套内支撑工装，提出了采用应力分割槽和优化刀路轨迹规划来释放残余应力的工艺方法，解决了薄壁大面积异型复合材料壳体难测量和变形大问题，经实际运用验证表明，应用此方法可以实现薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工，为其他类似薄壁壳体的低变形加工提供了基础研究经验。

Description

一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法

技术领域

本发明涉及一种薄壁大面积异型复合材料壳体的加工方法。

背景技术

随着新型导弹技术的发展，传统的锥形舱段防热结构也在向异型、轻质的设计方向发展，减重增程的轻质要求，使得结构件壁厚具有薄壁特征，对现有加工工艺提出了新的要求。防热部段从结构上可分为三层：内层为外表面精加工的金属壳体，外层为复合材料防热层，中间是用于缓冲和粘接的胶层；通过套装、缠绕或手工裱糊等工艺方法，在金属壳体外表面进行外层防热层的成型。成型后需要对防热层进行机加工，工序一般包括外形加工、开窗口、钻孔等。

通常防热层的加工指标为：轮廓度和厚度，目前主要存在以下问题：

(1)金属壳体变形量大且分布不均

防热部段内层的金属壳体在自身成型及防热层成型过程中产生多次变形，表层残余应力的非平衡状态会导致零件产生弯扭变形,这种变形在刚性差的零件上尤为显著。

(2)变形量不易测量

防热层成型后，金属壳体被包覆在防热层下，无法直接对外表面进行变形量测量；防热层的剩余厚度目前采用三坐标离线测量方式，在加工过程中需要多次搬运，给加工带来诸多不便；产品属于大面积防热层结构件，对整个外表面进行变形测量成本高、周期长。

(3)缺乏可靠的变形控制方法

复合材料壳体构成复杂，因此比传统单层材料件变形趋势和变形量更加难以分析和控制。

由于金属壳体变形量大且分布不均、变形量不易测量、如何控制加工过程中残余应力引起的部件扭曲变形行为等问题尚未解决，因此目前防热层加工工艺方法一直达不到理想效果。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，设计了一套内支撑工装，提出了采用应力分割槽和优化刀路轨迹规划来释放残余应力的工艺方法，解决了薄壁大面积异型复合材料壳体难测量和变形大问题，经实际运用验证表明，应用此方法可以实现薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工，为其他类似薄壁壳体的低变形加工提供了基础研究经验。

本发明所采用的技术方案是：一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，包括步骤如下：

第一步：将待加工件大端端面向上，使用压板装夹待加工件小端内侧金属壳体端框面；将待加工件大端的复合材料层与内部的金属壳体大端面铣齐平，在待加工件大端铣出连接孔，同时以金属壳体大端端框内圆的圆心为基准，在待加工件大端侧面的复合材料层上对称位置铣出基准面，将金属内基准转移到外侧复合材料层上；

第二步：装夹内支撑工装，将待加工件小端端面向上，使用连接螺栓和铣出的连接孔将待加工件大端固定到内支撑工装底座上，内支撑工装安装在待加工件的内部，将待加工件小端复合材料层与内部的金属壳体小端面铣齐平；

第三步：在待加工件的复合材料毛坯表面切割应力释放槽，在复合材料毛坯表面初步开出天线窗口，松开待加工件的装夹工具，然后重新装夹找正；

第四步：先分区去除复合材料毛坯余量厚度较大的部位，余量均匀后再以面对称加工方式去除余量至半精加工余量，切削方式选择平底钎焊金刚石盘刀磨削，按“之”字形走刀；松开待加工件的装夹工具，然后重新装夹找正；

第五步：用涡流测厚仪测量测厚度，与理论数模对比，计算复合材料毛坯所需加工厚度；以分区、面对称方式去除加工余量，切削方式选择平底钎焊金刚石盘刀磨削，按“之”字形走刀；

第六步：根据金属壳体上相应的窗口及各孔的位置，在复合材料毛坯对应位置处精加工窗口、钻孔，获得薄壁大面积异型复合材料壳体。

所述的薄壁大面积异型复合材料壳体包括内部的金属壳体和金属壳体外面包裹的复合材料层，所述的金属壳体的外层结构与复合材料层的内表面相匹配，金属壳体用于对外面包裹的复合材料层进行支撑。

所述的薄壁大面积异型复合材料壳体为面对称回转体，大端端口为圆形，小端端口为面对称的形状，大端和小端之间采用自由曲面平滑过渡。

所述复合材料层的材料为混杂纤维增强钡酚醛树脂复合材料。

所述的金属壳体表面为带内网格筋的铸铝薄壁曲面，曲面厚度为3～5mm；复合材料层为厚度3～5mm的复合材料曲面，曲面曲率为1～100，表面积为4m²以上，复合材料层曲面沿周向包裹金属壳体表面，金属端面外露。

所述内支撑工装包括底盘、支撑盘、支撑顶杆、下压压板、中间立柱，各层支撑盘固定在中间立柱上，中间立柱安装在底盘中心处，各支撑盘沿边缘周向分布多个侧向支撑顶杆，顶层的支撑盘设有下压压板用于辅助压紧，每个侧向支撑顶杆由独立的单点伺服驱动单元控制顶杆的伸缩位移，各单点伺服驱动单元以总线连接方式在主运动控制器下集中控制，实现外部控制所有支撑顶杆的位移和支撑压力。

所述平底钎焊金刚石盘刀包括三部分，中部为锥台结构，锥台结构小端连接圆柱体结构，锥台结构大端边缘连接环形的切削刃，切削刃内为与锥台结构同轴的柱形凸台，沿平底钎焊金刚石盘刀轴线开有通孔；切削刃外侧沿周向均布2～4条的带状排屑槽，切削刃外侧表面和内侧面均有金刚砂电镀涂层，内外侧面边缘均为圆弧过渡；柱形凸台和切削刃之间的凹槽底面上午镀砂，柱形凸台沿径向开凹槽。

所述第四步中分区加工的顺序为：先加工金属结构强度大的两侧，再加工其余大面积薄壁；加工复合材料毛坯时的切削参数为主轴转速2000～4000rpm，进给速度1000～1500mm/min，单层刀具切削深度不超过5mm，粗加工步距为刀具直径的70％-90％，精加工步距为0.3～1.5mm。

所述的第四步中，切削刀具轨迹为多层“之“字形，刀具沿周向自待加工件的小端至大端“之“字形依次向下走刀，每层结束后返回初始位置，按设定层深重复上层刀路轨迹，至最终型面尺寸，每层层高参数为1～3mm。

所述第三步中，沿周向在待加工件的复合材料毛坯表面切割环向的应力释放槽，槽宽的取值范围为0.5～1.5mm，应力释放槽的行间距的取值范围为10mm～50mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明实现了防热层成型后对金属的测量，为加工余量确定提供依据，同时，利用测量数据进行仿真加工计算，根据仿真加工结果对实时加工工艺参数进行优化，为加工安全及提高加工精度提供依据。

(2)本发明实现防热部段数控加工过程的全流程、全要素优化设计。针对曲面的曲率半径范围值181～100597mm，厚度余量变化超25mm，基于各曲面特点构建产品、机床及刀具约束关系，形成分区策略；以金刚石砂轮磨削替代传统铣削解决铣刀磨损大、成本高的问题，以平底中空螺旋排屑蝶形砂轮替代柱形球头砂轮棒提高磨削效率，优化刀位算法，大幅提高数控加工效率。

(3)针对薄壁件变形大的问题，确定加工变形控制方法，优化加工工艺流程，设计内支撑工装，减少残余变形，有效控制产品外形轮廓及防热层厚度。该工艺方法可推广至其他类似大面积薄壁防热壳体加工，为异形防热部段的低变形、低成本数控加工奠定了技术基础。

(4)本发明面向应力释放开展大面积薄壁防热部段低变形加工工艺技术研究，对金属壳体外表面轮廓度和防热层剩余厚度进行变形监测，确定加工余量，保证厚度，同时利用应力分割槽、优化加工参数和刀轨，及低变形工序安排等工艺方法达到减少壳体变形的目的。

附图说明

图1为低变形加工工序流程图；

图2为薄壁大面积异型复合材料壳体结构；

图3为内支撑工装示意图；

图4为内支撑工装电气结构图；

图5为钎焊金刚石盘刀结构示意图；

图6为“之”字形走刀路径示意图；

图7为电涡流测厚仪内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

薄壁大面积异型复合材料壳体(图2)包括内部金属结构件和金属结构件外面包裹的复合材料层，内部金属结构件的外层结构与复合材料层的内表面相匹配，内部金属结构件用于对外面包裹的复合材料层进行支撑。

复合材料层的材料为混杂纤维增强钡酚醛树脂复合材料。金属壳体表面为带内网格筋的铸铝薄壁曲面，曲面厚度为3～5mm；复合材料层为厚度3～5mm的复合材料曲面，曲面曲率为1～100，表面积为4m²以上，复合材料层曲面沿周向包裹金属壳体表面，金属端面外露。

薄壁大面积异型复合材料壳体为面对称回转体，大端端口为圆形，小端端口为面对称的形状，大端和小端之间采用自由曲面平滑过渡。

如图1所示，一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，包括步骤如下：

第一步：将待加工件大端端面向上，使用压板装夹待加工件小端内侧金属壳体端框面；将待加工件大端的复合材料层与内部的金属壳体大端面铣齐平，在待加工件大端铣出连接孔，同时以金属壳体大端端框内圆的圆心为基准，在待加工件大端侧面的复合材料层上对称位置铣出基准面，将金属内基准转移到外侧复合材料层上；

复合材料外形基准是以内层金属壳体为准，由于装夹遮挡，必须以金属壳体内圆心为基准，在大端侧面的复合材料层上对称四点铣出基准面，将金属内圆心基准转移传递到外侧复合材料层上。

第二步：装夹内支撑工装，将待加工件小端端面向上，使用连接螺栓和铣出的连接孔将待加工件大端固定到内支撑工装底座上，内支撑工装安装在待加工件的内部，将待加工件小端复合材料层与内部的金属壳体小端面铣齐平；

如图3所示，内支撑工装包括底盘1、支撑盘2、支撑顶杆3、下压压板4、中间立柱5，各层支撑盘2固定在中间立柱5上，中间立柱5安装在底盘1中心处，各支撑盘2沿边缘周向分布多个侧向支撑顶杆3，顶层的支撑盘2设有下压压板4用于辅助压紧，每个侧向支撑顶杆3由独立的单点伺服驱动单元控制顶杆的伸缩位移，各单点伺服驱动单元以总线连接方式在主运动控制器下集中控制如图4，实现外部控制所有支撑顶杆3的位移和支撑压力，做到随形支撑内壳体。

第三步：在待加工件的复合材料毛坯表面切割应力释放槽，在复合材料毛坯表面初步开出天线窗口，松开待加工件的装夹工具，释放变形，然后重新装夹找正；

第三步中留余量在防热层外表面加工应力释放槽，根据待加工材料试片级试验测试辅助有限元分析确定槽宽和分布位置，抑制残余应力的逐步积累；最终确定沿周向对工件切割环向应力释放槽，槽宽的取值范围为0.5mm～1.5mm，应力释放槽的行间距的取值范围为10mm～50mm。

材料试片级试验测试辅助有限元分析的具体步骤为：首先，通过对金属加复材叠层结构平板样件的切削试验，获得残余应力大小及其沿构件厚度方向的分布规律，用于有限元仿真模型初始应力状态的输入；

然后，通过对金属/复材叠层锥筒试验件的切削试验，获得残余应力释放对构件几何变形的影响规律，用于验证有限元仿真方法的正确性；

最后，在上述分析的基础上，建立金属/复材叠层异形结构件有限元模型，进行金属/复材叠层异形结构件的加工变形仿真分析，确定0.5～1.5mm应力释放槽对构件残余应力的影响范围在切割槽上下10～50mm的区域内。

第四步：先分区去除复合材料毛坯余量厚度较大的部位，余量均匀后再以面对称加工方式去除余量至半精加工余量，切削方式选择平底钎焊金刚石盘刀磨削，按“之”字形走刀；松开待加工件的装夹工具，释放变形，然后重新装夹找正；

第四步中先分区去除毛坯余量厚度较大的部位，余量均匀后再以面对称加工方式去除余量，分区顺序以金属结构强度大的两侧为先其余大面积薄壁其次为原则。余量均匀后再以面对称加工方式去除余量至半精加工余量，使加工过程中的应力对称释放。

如图5所示，平底钎焊金刚石盘刀包括三部分，中部为锥台结构，锥台结构小端连接圆柱体结构，锥台结构大端边缘连接环形的切削刃，切削刃内为与锥台结构同轴的柱形凸台，沿平底钎焊金刚石盘刀轴线开有通孔；切削刃外侧沿周向均布2～4条的带状排屑槽，切削刃外侧表面和内侧面均有金刚砂电镀涂层，内外侧面边缘均为圆弧过渡；柱形凸台和切削刃之间的凹槽底面上午镀砂，柱形凸台沿径向开凹槽。

第四步中，切削刀具轨迹为多层“之”字形。(如图6)刀具沿周向自小端至大端“之”字形依次向下走刀，每层结束后返回初始位置，按设定层深重复上层刀路轨迹，至最终型面尺寸，每层层高参数(1-3mm)。加工复合材料曲面时的切削参数为主轴转速2000～4000rpm，进给速度1000～1500mm/min，单层刀具切削深度不超过5mm，粗加工步距为刀具直径的70％-90％，精加工步距为0.3～1.5mm/。

所述孔等局部特征：在精加工前先留余量进行窗口等局部特征加工，原理和作用类似应力分割槽。

第五步：用涡流测厚仪测量测厚度，与理论数模对比，计算复合材料毛坯所需加工厚度；以分区、面对称方式去除加工余量，切削方式选择平底钎焊金刚石盘刀磨削，按“之”字形走刀；

在精加工前用涡流测厚仪测量测厚度，与理论数模对比，计算防热层剩余加工厚度，用电涡流测厚仪，其原理在于当金属靠近一个载有交变电流的线圈时，由于交变磁通透入到金属中，在垂直于交变磁通的平面上就会感应出涡流。涡流产生次级交变磁场，这个磁场阻碍载流线圈所产生的磁通的变化，因此引起载流线圈输入阻抗的改变，可以反推防热层厚度(图7)，测量精度±0.2mm，量程0～20mm。

第六步：根据金属壳体上相应的窗口及各孔的位置，在复合材料毛坯对应位置处精加工窗口、钻孔，获得薄壁大面积异型复合材料壳体。

实施例：

以某大面积薄壁异型防热壳体为例，该壳体小端为嘴唇形，大端圆形，中间呈自由曲面过渡。具体加工过程实施方式如下：

步骤一，加工设备为三轴及以上的多轴数控机床，起吊产品大端朝上，起吊产品，将产品平稳放置在机床台面上，调整产品轴线与工作台旋转轴线大致重合。主轴装夹找正表，打表测量大端金属内孔对称四点，调整、找正产品轴线与工作台旋转轴线重合。以金属壳体内圆心为基准，在大端侧面的复合材料层上对称四点铣出基准面，将金属内圆心基准转移传递到外侧复合材料层上。

步骤二，铣小端面、找正外圆基准：打表找正金属的端跳和轴向位置，用内支撑工装支撑产品，外部圆盘底座辅助压板、拉杆等装夹产品，均匀施力压紧产品。

步骤三，铣削加工应力释放槽，并且粗加工窗口。应力释放分割槽沿周向对工件环向切割，槽宽在0.5～1.5mm范围内取值，应力释放槽的行间距的取值范围为10mm～50mm。

步骤四，粗铣外型面。分两次粗铣产品外表面留余量至5mm、3mm。参数：主轴转速2000～4000rpm，进给速度1000～1500mm/min，切削深度不大于5mm/刀。步距为刀具直径的70％-90％。

步骤五，用涡流测厚仪测量剩余厚度，与理论数模比对，按照最薄处为基准计算剩余加工余量；

精加工外型面，刀具采用平底钎焊金刚石盘刀，参数：主轴转速2000～4000rpm，进给速度1000～1500mm/min，切削深度不大于1mm/刀。精加工步距为0.3～1.5mm。

步骤六，精加工窗口、孔等局部特征。粗开圆窗口：按模型中各窗口圆心位置分别设定局部原点，粗铣小端圆窗口至单边余量10mm，分次加工，不得一次到位，注意微调圆心坐标。主轴转速1500～2000rpm，进给速度100～150mm/min，切削深度不大于5mm/刀。

步骤七，卸夹，清理。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于，包括步骤如下：

第一步：将待加工件大端端面向上，使用压板装夹待加工件小端内侧金属壳体端框面；将待加工件大端的复合材料层与内部的金属壳体大端面铣齐平，在待加工件大端铣出连接孔，同时以金属壳体大端端框内圆的圆心为基准，在待加工件大端侧面的复合材料层上对称位置铣出基准面，将金属内基准转移到外侧复合材料层上；

第二步：装夹内支撑工装，将待加工件小端端面向上，使用连接螺栓和铣出的连接孔将待加工件大端固定到内支撑工装底座上，内支撑工装安装在待加工件的内部，将待加工件小端复合材料层与内部的金属壳体小端面铣齐平；

第三步：在待加工件的复合材料毛坯表面切割应力释放槽，在复合材料毛坯表面初步开出天线窗口，松开待加工件的装夹工具，然后重新装夹找正；

第四步：先分区去除复合材料毛坯余量厚度较大的部位，余量均匀后再以面对称加工方式去除余量至半精加工余量，切削方式选择平底钎焊金刚石盘刀磨削，按“之”字形走刀；松开待加工件的装夹工具，然后重新装夹找正；

第五步：用涡流测厚仪测量测厚度，与理论数模对比，计算复合材料毛坯所需加工厚度；以分区、面对称方式去除加工余量，切削方式选择平底钎焊金刚石盘刀磨削，按“之”字形走刀；

第六步：根据金属壳体上相应的窗口及各孔的位置，在复合材料毛坯对应位置处精加工窗口、钻孔，获得薄壁大面积异型复合材料壳体。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述的薄壁大面积异型复合材料壳体包括内部的金属壳体和金属壳体外面包裹的复合材料层，所述的金属壳体的外层结构与复合材料层的内表面相匹配，金属壳体用于对外面包裹的复合材料层进行支撑。

3.根据权利要求1或2所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述的薄壁大面积异型复合材料壳体为面对称回转体，大端端口为圆形，小端端口为面对称的形状，大端和小端之间采用自由曲面平滑过渡。

4.根据权利要求3所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述复合材料层的材料为混杂纤维增强钡酚醛树脂复合材料。

5.根据权利要求4所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述的金属壳体表面为带内网格筋的铸铝薄壁曲面，曲面厚度为3～5mm；复合材料层为厚度3～5mm的复合材料曲面，曲面曲率为1～100，表面积为4m²以上，复合材料层曲面沿周向包裹金属壳体表面，金属端面外露。

6.根据权利要求1所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述内支撑工装包括底盘(1)、支撑盘(2)、支撑顶杆(3)、下压压板(4)、中间立柱(5)，各层支撑盘(2)固定在中间立柱(5)上，中间立柱(5)安装在底盘(1)中心处，各支撑盘(2)沿边缘周向分布多个侧向支撑顶杆(3)，顶层的支撑盘(2)设有下压压板(4)用于辅助压紧，每个侧向支撑顶杆(3)由独立的单点伺服驱动单元控制顶杆的伸缩位移，各单点伺服驱动单元以总线连接方式在主运动控制器下集中控制，实现外部控制所有支撑顶杆(3)的位移和支撑压力。

7.根据权利要求1所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述平底钎焊金刚石盘刀包括三部分，中部为锥台结构，锥台结构小端连接圆柱体结构，锥台结构大端边缘连接环形的切削刃，切削刃内为与锥台结构同轴的柱形凸台，沿平底钎焊金刚石盘刀轴线开有通孔；切削刃外侧沿周向均布2～4条的带状排屑槽，切削刃外侧表面和内侧面均有金刚砂电镀涂层，内外侧面边缘均为圆弧过渡；柱形凸台和切削刃之间的凹槽底面上午镀砂，柱形凸台沿径向开凹槽。

8.根据权利要求7所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述第四步中分区加工的顺序为：先加工金属结构强度大的两侧，再加工其余大面积薄壁；加工复合材料毛坯时的切削参数为主轴转速2000～4000rpm，进给速度1000～1500mm/min，单层刀具切削深度不超过5mm，粗加工步距为刀具直径的70％-90％，精加工步距为0.3～1.5mm。

9.根据权利要求8所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述的第四步中，切削刀具轨迹为多层“之“字形，刀具沿周向自待加工件的小端至大端“之“字形依次向下走刀，每层结束后返回初始位置，按设定层深重复上层刀路轨迹，至最终型面尺寸，每层层高参数为1～3mm。

10.根据权利要求1所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述第三步中，沿周向在待加工件的复合材料毛坯表面切割环向的应力释放槽，槽宽的取值范围为0.5～1.5mm，应力释放槽的行间距的取值范围为10mm～50mm。