CN110695725B - 一种航空薄壁类零件工装及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对航空薄壁类零件在机械加工时的工装及其使用方法，包括压紧头、连接筒、滑块、底座、进给螺栓；使用方法包括零件的建模，残余应力的测量，最小夹紧力的计算，定位点，夹紧点和辅助支撑位置的选择。通过本发明的技术方案，可在零件加工的过程中实现变形的有效控制，同时能够实现零件加工尺寸精度的提高，避免了传统设计中装夹里产生的变形以及在加工后毛坯残余应力释放引起的变形无法消除的问题。

Description

一种航空薄壁类零件工装及其使用方法
技术领域
本发明属于机械加工夹具技术领域，尤其涉及一种针对航空薄壁类零件在机械加工时的工装及其使用方法。
背景技术
航空航天等军工领域是制造业的发展尖端，代表着一个国家制造业的最高水平。而发动机作为飞机的心脏，其制造技术要求更是苛刻。大型整体薄壁件已经越来越多地被应用到航空航天的结构中。与以往通过焊接、铆接、螺栓连接的装配组件相比，整体薄壁件具有低重量、高强度的特点。发动机的整体薄壁件在切削加工制造过程中材料加工去除率高达80％以上。当材料被逐渐去除时，毛坯残余应力原有的平衡状态会被打破。随后在零件的剩余材料内部将形成新的残余应力平衡状态，与此同时工件发生翘曲、扭转等变形现象。并且在装夹过程中由于零件刚性弱、夹紧力不均匀或者夹紧力过大都会引起工件变形。加工变形是零件尺寸和几何超差的主要原因，是现今航空制造领域亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种针对航空薄壁类零件在机械加工时的工装及其使用方法，能够精确地控制夹紧力实现无应力装夹，即零件在夹紧后仍然保持着自由变形时的形状，此时除了夹紧点外，零件的其他位置均处于无应力状态，能够有效的减小装夹变形。
本发明的具体技术方案如下：
一种航空薄壁类零件工装，其特征在于，包括压紧头、连接筒、滑块、底座、进给螺栓，其中，所述压紧头顶端为球面；
所述连接筒为圆柱形套筒，所述连接筒上粘贴应变片并连接至动态应变仪；
所述滑块为圆柱形套筒，内径与所述压紧头的外径相同；
所述压紧头与所述连接筒间隙配合，所述压紧头伸入所述滑块，所述滑块与所述进给螺栓相向伸入所述底座内，所述进给螺栓为细牙螺纹；
所述底座为中空的“凸”型台；
所述压紧头、所述连接筒、所述滑块、和所述进给螺栓同轴。
一种航空薄壁类零件工装的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立零件的三维模型：利用三坐标测量机对零件进行三维建模；
S2：测量零件的残余应力：利用残余应力测试仪对零件的残余应力的进行检测；
S3：测量切削力；
S4：计算夹紧力；
S5：在施加夹紧力过程中，所述应变仪实时读取所述连接筒上的所述应变片的数值，根据所述步骤S4的计算结果控制夹紧力；所述零件加工过程中释放残余应力，使得所述零件发生变形，调整所述工装使所述压紧头沿着变形发生的方向移动，直至变形完全释放，然后再施加夹紧力，使所述零件再一次处于零应力夹紧状态，直到零件加工完成。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的工装在实现零件可靠夹紧的同时能够避免出现夹紧变形；采用互为基准的方法进行加工，从而彻底纠正加工变形。
2.本发明的工装在实现无应力装夹时可以保证零件装夹后仍保持自由变形时的形状尺寸，在此装夹状态下进行加工可以有效的消除上一步加工时所产生的变形(包括残余应力释放引起的变形，装夹力引起的变形以及切削力引起的变形)。
3.本发明的工装可有效的提高加工精度，减小加工变形从而提高零件的合格率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本发明的一种航空薄壁类零件工装结构示意图；
图2是本发明的一个实施例的利用三维建模示意图；
图3是本发明的一个实施例的测量残余应力示意图；
图4是本发明的一个实施例的测量切削力示意图；
图5是本发明的一个实施例的工装夹紧分布示意图；
图6是本发明的一个实施例的加工时的工装夹紧示意图。
附图标号说明：
1-压紧头；2-连接筒；3-滑块；4-底座；5-进给螺栓；6-零件；7-三坐标测量机；8-激光干涉小孔残余应力测试仪；9-三向力测力仪；10-车铣加工中心；11-本发明的夹具。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
根据工艺基准、刚度模型和切削力模型设计工装的定位点、夹紧点、夹紧力的大小及方向，使得夹紧力可以克服切削力防止零件发生刚性位移的同时不产生过大的夹紧变形。对于刚性极弱的机匣，任意方向的夹紧力都会引起夹紧变形，此时设置辅助支撑，辅助支撑的位置与夹紧点的位置相对应，使夹紧力通过零件薄壁在辅助支撑上卸荷，在实现可靠夹紧的同时避免出现夹紧变形。
对于半精加工或者精加工，由于零件刚性较弱，且余量较小，此时的加工难度更大。由于机械加工会产生变形，而变形后的零件尺寸形状将变得不规则，此时如果按零件的理想尺寸形状进行定位装夹，必然会引入较大的装夹变形与装夹应力。并且当加工结束松开装卡后，装夹应力得到释放，零件仍会发生变形，严重时则会超差，最终导致零件报废。因此在这种情况下需要设计可调的定位元件，在保证零件处于自由变形的状态下进行定位和夹紧，并修正定位面，然后采用互为基准的方法进行加工，从而彻底纠正加工变形。
由于航空薄壁类零件在半精加工与精加工阶段刚性较弱，为减小夹紧力引起的变形，应使零件处于零应力装夹状态，所谓零应力装夹状态，就是零件在装夹前后，零件的尺寸和形状不发生改变，除了夹紧点的位置其他部分不产生装夹应力。
图1是本发明的一种航空薄壁类零件工装结构示意图，如图1所示，一种航空薄壁类零件工装，包括压紧头1、连接筒2、滑块3、底座4、进给螺栓5，其中，
压紧头1顶端为球面，用于压紧零件表面；
连接筒2为圆柱形套筒，连接筒2上粘贴应变片并连接至动态应变仪，用来测量夹紧力；
滑块3为圆柱形套筒，内径与压紧头1的外径相同，实现压紧头1的轴向运动；
压紧头1与连接筒2间隙配合，保证工装的夹紧力可以无损的全部传递给连接筒2，压紧头1伸入滑块3，滑块3与进给螺栓5相向伸入底座4内，进给螺栓5为细牙螺纹，进给螺栓5的螺栓端面可粘贴分度盘以精确控制旋转角度来控制压紧头1的轴向进给；
底座4为中空的“凸”型台；用来支撑工装的其他零件，可用压板压住两侧固定在机床工作台上。
压紧头1、连接筒2、滑块3、和进给螺栓5同轴。
实施例1
如图2-图6所示，以弧形板加工为例进行分析一种航空薄壁类零件工装的使用方法，包括以下步骤：
S1：建立弧形板的三维模型：利用三坐标测量机7对弧形板进行三维建模；如图2所示；
S2：测量弧形板的残余应力：利用激光干涉小孔残余应力测试仪8对弧形板的残余应力的进行检测；如图3所示；
S3：测量切削力：利用三向力测量仪9对切削加工过程中的X，Y和Z三个方向的切削力进行测量；如图4所示；
S4：计算夹紧力：弧形板零件尺寸大小弧长*高*厚分别是l*h*t，直径为D。如图5所示，a、b、c为三处工装的装夹位置，以d点位置作为分析点，计算夹具所受到的力。
三向切削力为Fx，Fy和Fz，则X方向和Z方向的合力为Fxz。
夹紧位置三处，共六个夹紧点，则每个工装最小提供摩擦力：Fxz/6。
压紧头和零件之间的摩擦系数为μ，则所需最小夹紧力为f＝Fxz/6/μ。
零件高度为h，根据力平衡和力矩平衡对夹具受力状态进行计算。
力矩平衡：Fy*h/2＝Fb*h/2；则Fb＝Fy。
由力平衡可以得出：Fa＝Fc＝-Fy。
则工装所受最大力为f+Fy，安全系数取2，则单个工装承力极限应不得小于2*(f+Fy)。
S5：如图6所示为弧形板加工时的工装的装夹，6个夹具单元分为三组，每一组的夹紧点在内外圆上相对应，以保证零件处于零应力装夹状态。
在施加夹紧力过程中，应变仪实时读取连接筒2上的应变片的数值，根据步骤S4的计算结果控制夹紧力；零件每去除一层材料，弧形板的毛坯残余应力将会释放，使得零件要发生变形，此时由于工装的约束，变形无法释放。此时每一组两个工装上的夹紧力数值将由加工前的相等状态变成不等。为了使零件变形释放并处于零应力夹紧状态，则需要调整工装，使压紧头沿着变形发生的方向移动，直到同一组的两个夹具的夹紧力相等为止，从而释放夹紧应力，使零件再一次处于零应力夹紧状态，以便下一步加工时去除掉上一步加工产生的变形。依次类推下去，直到零件加工完成。该方法可以有效的控制切削加工过程中由于残余应力释放引起的变形。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种航空薄壁类零件工装的使用方法，其特征在于，所述航空薄壁类零件工装包括压紧头（1）、连接筒（2）、滑块（3）、底座（4）、进给螺栓（5），其中，
所述压紧头（1）顶端为球面；
所述连接筒（2）为圆柱形套筒，所述连接筒（2）上粘贴应变片并连接至动态应变仪；
所述滑块（3）为带有中心孔的长方体，中心孔的内径与所述压紧头（1）的外径相同；
所述压紧头（1）与所述连接筒（2）间隙配合，所述压紧头（1）伸入所述滑块（3），所述滑块（3）与所述进给螺栓（5）相向伸入所述底座（4）内，所述进给螺栓（5）为细牙螺纹；
所述底座（4）为中空的“凸”型台；
所述压紧头（1）、所述连接筒（2）、所述滑块（3）、和所述进给螺栓（5）同轴；
所述使用方法包括以下步骤：
S1：建立零件的三维模型：利用三坐标测量机对零件进行三维建模；
S2：测量零件的残余应力：利用残余应力测试仪对零件的残余应力的进行检测；
S3：测量切削力；
S4：计算夹紧力；
S5：在施加夹紧力过程中，所述应变仪实时读取所述连接筒（2）上的所述应变片的数值，根据所述步骤S4的计算结果控制夹紧力；所述零件加工过程中释放残余应力，使得所述零件发生变形，此时由于所述工装的约束，变形无法释放，调整所述工装使所述压紧头（1）沿着变形发生的方向移动，直至释放夹紧应力，使所述零件再一次处于零应力夹紧状态，直到零件加工完成。
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