CN110102805B - 大尺度弱刚度悬梁结构件及其超精密加工方法和装夹装置 - Google Patents

大尺度弱刚度悬梁结构件及其超精密加工方法和装夹装置 Download PDF

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Abstract

大尺度弱刚度悬梁结构件及其超精密加工方法和装夹装置，属于精密机械加工技术领域，包括如下步骤分析零件加工工艺，制作安装夹具，加工内腔定位结构的夹具，悬梁与夹具接触面并不直接接触，而是留有2mm容腔缝隙，便于填充柔性材料，备料，粗加工内腔结构后时效，半精加工内腔，在检测误差变形补偿并将零件内腔精加工成形，工件内腔定位装夹，柔性材料填充减振腔体，粗加工外轮廓结构，在检测误差变形补偿并精加工外轮廓结构，加工玻璃安装槽。本发明将高精度定位装夹与柔性材料辅助支撑有效结合，充分地发挥铣刀切削作用，大大的降低了切削力及切削温度，减小了颤刀及让刀现象，提高零件加工精度，提高合格率，同时降低零件成本。

Description

大尺度弱刚度悬梁结构件及其超精密加工方法和装夹装置
技术领域
本发明属于精密机械加工技术领域，特别是涉及到一种大尺度弱刚度悬梁结构件及其超精密加工方法和装夹装置。
背景技术
随着航空航天、国防工业、微电子工业、宇宙开发、海洋技术、汽车制造等高科技领域的飞速发展，对于零件的要求结构越来越复杂、尤其是对零件本身具有的高强度、高硬度等特性，在这基础上还不能增加零件本身重量，这样就需要做一些悬梁或薄壁结构。传统加工方法来加工这些高硬质合金材料存在很多不足，在加工时产生的切削力，切削振动、切削温度非常大，零件很容易发生变形，对刀具的磨损和使用寿命有很大影响，我们就需要打破常规的定位装夹和加工理念来实现弱刚度悬梁结构件加工。因此，寻找一套有效的加工方法和装置迫在眉睫。
定位基准与弱刚度结构处柔性材料的辅助支撑是解决加工高硬质合金材料的弱刚度结构件的有效手段之一。高精度的定位基准可解决零件本身的加工精度，使其零件理论工件坐标系与实际加工坐标系的误差大大降低，单一靠高精度的定位基准装夹来加工弱刚度零件解决不了加工时所产生的让刀现象和刀具与弱刚度零件的共振现象，而单一的靠柔性材料的辅助支撑并不能解决定位精度问题，因此，现有技术亟需一种新的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种大尺度弱刚度悬梁结构件及其超精密加工方法和装夹装置，将高精度定位装夹与柔性材料辅助支撑有效结合，充分地发挥铣刀切削作用，大大的降低了切削力及切削温度，减小了颤刀及让刀现象，提高零件加工精度，提高合格率，同时降低零件成本。
大尺度弱刚度悬梁结构件装夹装置，大尺度弱刚度悬梁结构件包括前梁、后梁、底座、前光窗玻璃槽、后光窗玻璃槽以及上光窗玻璃槽，所述底座的外轮廓为等腰三角形，底座的等腰三角形两条等边内侧设置有前光窗玻璃槽，剩余一条边的内侧设置有后光窗玻璃槽；所述前梁的一端设置在底座等腰三角形的两等边相交的顶点上，所述后梁设置为两个，两个后梁的一端分别设置在底座的剩余两个顶点上；所述上光窗玻璃槽为等腰三角形，三角形的三个顶点分别与前梁以及两个后梁的另一端连接，其特征是：包括底面定位基准面、顶面定位基准面以及柔性熔融材料灌注流道腔，所述底面定位基准面的形状与底座的形状一致，底面定位基准面与底座内腔的尺寸比为0.8:1；所述顶面定位基准面的形状与上光窗玻璃槽一致，顶面定位基准面与上光窗玻璃槽的尺寸比为0.8:1，所述柔性熔融材料灌注流道腔设置在顶面定位基准面上。
所述装夹装置还包括顶面固定压板和底面固定压块。
大尺度弱刚度悬梁结构件的超精密加工方法，其特征是：制备所述的大尺度弱刚度悬梁结构件，应用所述的大尺度弱刚度悬梁结构件装夹装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、根据待加工零件的结构及尺寸分析确定零件加工工艺并制作装夹夹具，准备加工材料；
步骤二、根据所述步骤一确定的加工工艺确定切削用量及刀具；
步骤三、粗加工内腔轮廓，采用D8mm硬质合金立体铣刀，刀具主轴转速为4000r/min～5000r/min，进给量为小于2500mm/min，切削深度为小于100μm，单边留有0.5mm～1mm的半精加工余量；
步骤四、半精加工内腔轮廓，采用D2mmCBN铣刀，刀具主轴转速为大于10000r/min，进给量为小于1000mm/min，切削深度为小于25μm，留有0.025mm～0.05mm误差补偿量；
步骤五、在线检测误差变形并补偿，采用D2mmCBN球头铣刀及测头，刀具主轴转速为大于20000r/min，进给量为小于1000mm/min，切削深度为小于10μm，获得内腔精加工成形的零件；
步骤六、采用大尺度弱刚度悬梁结构件装夹装置，对步骤五获得的零件内腔进行定位装夹，通过柔性熔融材料灌注流道腔填充柔性材料减振腔体；
步骤七、粗加工外轮廓结构，采用D8mm硬质合金立体铣刀，刀具主轴转速为4000r/min～5000r/min，进给量为小于2500mm/min，切削深度为小于50μm，单边留有0.1mm～0.5mm的半精加工余量；
步骤八、在线检测误差变形并补偿，采用D2mmCBN球头铣刀及测头，刀具主轴转速为大于20000r/min，进给量为小于1000mm/min，切削深度为小于10μm，获得精加工成形的零件外轮廓结构；
步骤九、加工玻璃安装槽，采用D2mmCBN铣刀，刀具主轴转速为大于20000r/min，进给量为小于1000mm/min，切削深度为小于20μm；
至此，大尺度弱刚度悬梁结构件零件加工完成。
所述步骤六中零件内腔定位装夹时，内腔顶面与顶面定位基准面相配合，内腔底面与底面定位基准面相配合，且留有2mm熔腔缝隙。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：大尺度弱刚度悬梁结构件及其超精密加工方法和装夹装置，将高精度定位装夹与柔性材料辅助支撑有效结合，充分地发挥铣刀切削作用，大大的降低了切削力及切削温度，减小了颤刀及让刀现象，提高零件加工精度与速度，提高合格率，同时降低零件成本。
进一步的，装夹装置尺寸与大尺度弱刚度悬梁结构件内腔形状0.8:1相同，使精加工后内腔与装夹装置高精度配合，且内腔悬梁与装夹装置接触面不直接接触，留有2mm熔腔缝隙，可避免加工到一定刚度时使其刀具、悬梁、夹具三者之间直接发生共振现象，采取柔性可溶材料填充到内腔，起到支撑与减冲作用，这样就不会发生刀具与工件发生颤振现象。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明大尺度弱刚度悬梁结构件结构示意图。
图2为本发明大尺度弱刚度悬梁结构件加工工艺流程图。
图3为本发明大尺度弱刚度悬梁结构件装夹装置结构示意图。
图4为本发明大尺度弱刚度悬梁结构件加工前毛坯结构示意图。
图5为本发明大尺度弱刚度悬梁结构件超精密加工方法在线检测原理结构示意图。
图6为本发明大尺度弱刚度悬梁结构件超精密加工方法在线检测误差变形并补偿流程示意框图。
图7为本发明大尺度弱刚度悬梁结构件超精密加工方法加工后内腔结构示意图。
图8为本发明大尺度弱刚度悬梁结构件超精密加工方法内腔通过装夹装置定位结构示意图。
图9为本发明大尺度弱刚度悬梁结构件超精密加工方法外轮廓加工后结构示意图。
图10为本发明大尺度弱刚度悬梁结构件超精密加工方法加工光窗玻璃槽后结构示意图。
图中1-前梁、2-后梁、3-底座、4-前光窗玻璃槽、5-后光窗玻璃槽、6-上光窗玻璃槽、7-底面定位基准面、8-顶面定位基准面、9-柔性熔融材料灌注流道腔、10-内腔顶面、11-内腔底面、12-顶面固定压板、13-底面固定压块、14-刀具主轴、15-测头、16-信号接收发射装置、17-数控机床控制器。
具体实施方式
大尺度弱刚度悬梁结构件，如图1所示，包括前梁1、后梁2、底座3、前光窗玻璃槽4、后光窗玻璃槽5以及上光窗玻璃槽，所述底座3的外轮廓为等腰三角形，底座3的等腰三角形两条等边内侧设置有前光窗玻璃槽4，剩余一条边的内侧设置有后光窗玻璃槽5；所述前梁1的一端设置在底座3等腰三角形的两等边相交的顶点上，所述后梁2设置为两个，两个后梁2的一端分别设置在底座3的剩余两个顶点上；所述上光窗玻璃槽6为等腰三角形，三角形的三个顶点分别与前梁1以及两个后梁2的另一端连接。
大尺度弱刚度悬梁结构件装夹装置，如图3、图8以及图9所示，包括底面定位基准面7、顶面定位基准面8以及柔性熔融材料灌注流道腔9，所述底面定位基准面7的形状与底座3的形状一致，底面定位基准面7与底座3内腔的尺寸比为0.8:1；所述顶面定位基准面8的形状与上光窗玻璃槽6一致，顶面定位基准面8与上光窗玻璃槽6的尺寸比为0.8:1，所述柔性熔融材料灌注流道腔9设置在顶面定位基准面8上；所述装夹装置还包括顶面固定压板12和底面固定压块13。
大尺度弱刚度悬梁结构件的超精密加工方法，如图1～图10所示，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一：分析零件加工工艺；
步骤二：制作安装夹具，如图3所示，加工内腔定位结构的夹具，悬梁与夹具接触面并不直接接触，而是留有2mm容腔缝隙；
步骤三：备料，如图4所示；
步骤四：确定切削用量及刀具，如下表所示；
Figure GDA0002384388010000051
步骤五：粗加工内腔轮廓，采用D8mm硬质合金立体铣刀，刀具主轴转速为4000r/min～5000r/min，进给量为小于2500mm/min，切削深度为小于100μm，单边留有0.5mm～1mm的半精加工余量；
步骤六：半精加工内腔轮廓，采用D2mmCBN铣刀，刀具主轴转速为大于10000r/min，进给量为小于1000mm/min，切削深度为小于25μm，留有0.025mm～0.05mm误差补偿量；
步骤七：如图5和图6所示，通过测头15、信号接收发射装置16以及数控机床控制器17在线检测误差变形补偿；采用D2mmCBN球头铣刀及测头(15)，刀具主轴(14)转速为大于20000r/min，进给量为小于1000mm/min，切削深度为小于10μm，获得内腔精加工成形的零件；
步骤八：采用大尺度弱刚度悬梁结构件装夹装置，对步骤五获得的零件内腔进行定位装夹，如图7所示，内腔顶面10与顶面定位基准面8相配合，内腔底面11与底面定位基准面7相配合，且留有2mm熔腔缝隙通过柔性熔融材料灌注流道腔9填充柔性材料减振腔体；
步骤十：粗加工外轮廓结构，采用采用D8mm硬质合金立体铣刀，刀具主轴转速为4000r/min～5000r/min，进给量为小于2500mm/min，切削深度为小于50μm，单边留有0.1mm～0.5mm的半精加工余量；
步骤十一：通过测头15、信号接收发射装置16以及数控机床控制器17在线检测误差变形并补偿，采用D2mmCBN球头铣刀及测头15，刀具主轴14转速为大于20000r/min，进给量为小于1000mm/min，切削深度为小于10μm，获得精加工成形的零件外轮廓结构；
步骤十二：加工玻璃安装槽采用D2mmCBN铣刀，刀具主轴转速为大于20000r/min，进给量为小于1000mm/min，切削深度为小于20μm；
至此，大尺度弱刚度悬梁结构件零件加工完成。
本发明加工的大尺度弱刚度悬梁结构件，包括如下重要尺寸精度及形状精度：弱刚度悬梁结构件对称度与轮廓精度，弱刚度悬梁结构件各梁的平行度与各梁上的角度，零件各倒角处的弧度，装配基准面光窗部分尺寸精度及形位精度。其中外轮廓装配基准面尺寸精度＜0.01mm，形位精度＜0.02mm，装配基准面光窗部分尺寸精度＜0.01mm，形位精度＜0.01mm。
本发明所采用的定位基准与弱刚度结构处柔性材料的辅助支撑是解决加工高硬质合金材料的弱刚度结构件的有效手段之一。高精度的定位基准可解决零件本身的加工精度，使其零件理论工件坐标系与实际加工坐标系的误差大大降低，单一靠高精度的定位基准装夹来加工弱刚度零件解决不了加工时所产生的让刀现象和刀具与弱刚度零件的共振现象，而单一的靠柔性材料的辅助支撑并不能解决定位精度问题，两种方法的有效结合恰好弥补了本身装夹方法的不足之处，避免加工到一定刚度时使其刀具、悬梁、夹具三者之间直接发生共振现象。完全解决了加工弱刚度悬梁结构件一大难题，充分地发挥铣刀切削作用，大大的降低了切削力及切削温度，减小了颤刀及让刀现象。这些现象会改善零件变形问题、得到的零件加工精度也会很高、加工效率快、零件成本低的益处。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.大尺度弱刚度悬梁结构件装夹装置，大尺度弱刚度悬梁结构件包括前梁(1)、后梁(2)、底座(3)、前光窗玻璃槽(4)、后光窗玻璃槽(5)以及上光窗玻璃槽(6)，所述底座(3)的外轮廓为等腰三角形，底座(3)的等腰三角形两条等边内侧设置有前光窗玻璃槽(4)，剩余一条边的内侧设置有后光窗玻璃槽(5)；所述前梁(1)的一端设置在底座(3)等腰三角形的两等边相交的顶点上，所述后梁(2)设置为两个，两个后梁(2)的一端分别设置在底座(3)的剩余两个顶点上；所述上光窗玻璃槽(6)为等腰三角形，三角形的三个顶点分别与前梁(1)以及两个后梁(2)的另一端连接，其特征是：包括底面定位基准面(7)、顶面定位基准面(8)以及柔性熔融材料灌注流道腔(9)，所述底面定位基准面(7)的形状与底座(3)的形状一致，底面定位基准面(7)与底座(3)内腔的尺寸比为0.8:1；所述顶面定位基准面(8)的形状与上光窗玻璃槽(6)一致，顶面定位基准面(8)与上光窗玻璃槽(6)的尺寸比为0.8:1，所述柔性熔融材料灌注流道腔(9)设置在顶面定位基准面(8)上。
2.根据权利要求1所述的大尺度弱刚度悬梁结构件装夹装置，其特征是：所述装夹装置还包括顶面固定压板(12)和底面固定压块(13)。
3.大尺度弱刚度悬梁结构件的超精密加工方法，其特征是：制备权利要求1所述的大尺度弱刚度悬梁结构件，应用权利要求1所述的大尺度弱刚度悬梁结构件装夹装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、根据待加工零件的结构及尺寸分析确定零件加工工艺并制作装夹夹具，准备加工材料；
步骤二、根据所述步骤一确定的加工工艺确定切削用量及刀具；
步骤三、粗加工内腔轮廓，采用D8mm硬质合金立体铣刀，刀具主轴转速为4000r/min～5000r/min，进给量为小于2500mm/min，切削深度为小于100μm，单边留有0.5mm～1mm的半精加工余量；
步骤四、半精加工内腔轮廓，采用D2mmCBN铣刀，刀具主轴转速为大于10000r/min，进给量为小于1000mm/min，切削深度为小于25μm，留有0.025mm～0.05mm误差补偿量；
步骤五、在线检测误差变形并补偿，采用D2mmCBN球头铣刀及测头(15)，刀具主轴(14)转速为大于20000r/min，进给量为小于1000mm/min，切削深度为小于10μm，获得内腔精加工成形的零件；
步骤六、采用大尺度弱刚度悬梁结构件装夹装置，对步骤五获得的零件内腔进行定位装夹，通过柔性熔融材料灌注流道腔(9)填充柔性材料减振腔体；
步骤七、粗加工外轮廓结构，采用D8mm硬质合金立体铣刀，刀具主轴转速为4000r/min～5000r/min，进给量为小于2500mm/min，切削深度为小于50μm，单边留有0.1mm～0.5mm的半精加工余量；
步骤八、在线检测误差变形并补偿，采用D2mmCBN球头铣刀及测头(15)，刀具主轴(14)转速为大于20000r/min，进给量为小于1000mm/min，切削深度为小于10μm，获得精加工成形的零件外轮廓结构；
步骤九、加工玻璃安装槽，采用D2mmCBN铣刀，刀具主轴转速为大于20000r/min，进给量为小于1000mm/min，切削深度为小于20μm；
至此，大尺度弱刚度悬梁结构件零件加工完成。
4.根据权利要求3所述的大尺度弱刚度悬梁结构件的超精密加工方法，其特征是：所述步骤六中零件内腔定位装夹时，内腔顶面(10)与顶面定位基准面(8)相配合，内腔底面(11)与底面定位基准面(7)相配合，且留有2mm熔腔缝隙。
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