CN111203575A - 基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备及方法，薄壁件镜像铣削系统包括铣削系统、工作台和支撑系统，铣削系统包括主轴，主轴的端部安装有铣刀，支撑系统包括支撑头，铣削系统还包括传感器，支撑头在轴向上设置有中心通孔，还包括供气系统和用于实现自动控制的工控机，所述供气系统中设置有泵和阀门；切削过程中由传感器实时采集铣刀的削力方向和幅值数据，当轴向切深较小的工况下，支撑头的中心通孔通过流向薄壁件背面的高压气流，产生对薄壁件的推力以阻止薄壁件和铣刀发生分离从而避免冲击振动的发生；在轴向切深较大的工况下，支撑头的中心通孔通过远离薄壁件背面的高压气流，产生对薄壁件的拉力从而避免过切的发生。

Description

基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备及方法

技术领域

本发明涉及弱刚性薄壁构件的高效高精度加工领域，具体涉及基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备及方法。

背景技术

薄壁结构广泛应用在航天航空工程中，目的是为了减轻航天器的本体重量，提高运载能力，这些薄壁结构的特点包括空间尺寸大，型面复杂。早期，由于加工技术落后，通常采用分步制造，然后装配成型的方法加工这些薄壁结构，即一个复杂的大型结构件通常被分解为许多具有简单拓扑结构且容易加工的零件，这些具有简单拓扑结构的零件加工完毕后，通过焊接或铆接获得最终薄壁结构。铆接或焊接加工的薄壁结构在连接处强度和一致性难以保证，失效通常发生在铆接缝或者焊接缝处。

为提高薄壁结构的强度和一致性，提出了整体式加工方法，即通过材料去除直接从一整块毛料加工出薄壁件的最终结构。整体式加工方法能使零件获得良好的一致性。目前，一般采用化学铣削(以下简称化铣)和高速铣削的方式实现薄壁结构的整体式加工。

化铣又称工业刻蚀，是通过化学溶剂与被加工工件发生化学反应，从而去除需要加工的部分，以期达到成型的目的一种加工方法，其属于减材制造工艺。化铣加工过程中，在不需要加工的表面涂上耐腐蚀涂层，然后浸入装有腐蚀液的化铣槽实现化铣。化铣是薄壁结构整体式加工的一种传统方法，其主要用于按需去除毛料表面一部分厚度，非常适合加工多框类零件，其加工成本低，生产效率高，但化铣柔性差、精度差、对环境污染大而且工艺复杂。

高速铣削能克服化铣的缺点，与化铣相比，高速铣削生产率高、加工精度高、柔性高且更加环保，因此，其被广泛用于薄壁结构的整体加工。高速铣削切削力低，但由于薄壁结构刚性差，即使较小的切削力也能使薄壁结构发生变形，从而影响工件加工后的尺寸精度和形状精度，针对此，研究人员目前提出了许多解决方案，其中比较典型的薄壁件刚度和阻尼增强的方式包括靠模支撑、多点阵列支撑、随动支撑。

靠模支撑是根据薄壁结构背面的形状设计相应的模具，然后通过模具把整个结构的背面支撑起来，从而大幅度加强薄壁件的刚性和阻尼的支撑方式，靠模支撑原理如图1所示。多点阵列支撑是在薄壁结构背面几个关键点施加支撑，这些关键点通常位于某阶模态位移最大的地方，支撑点数会根据理论研究，实验结果或是仿真结果等决定。多点阵列支撑原理图如图2所示。与靠模支撑、多点阵列支撑相比，随动支撑技术发生了根本改变，首先是支撑单元由原来的整面支撑或者多点支撑变为单点支撑；其次，靠模支撑或是多点支撑中支撑单元固定不动，而随动支撑具有与铣刀相同的进给速度，即在铣削过程中，支撑单元会随着刀具的移动而移动，支撑点随着刀尖点实时改变，如图3所示。

薄壁结构加工过程中，通过侧壁铣削或者腹板铣削最终成型，侧壁铣削是通过铣刀的测刃对材料进行去除，部分底刃也参与铣削加工，侧壁铣削加工过程中，薄壁件主要沿着垂直于进给方向变形；腹板铣削主要是通过刀具的底刃进行材料去除，腹板铣削加工过程中，薄壁件主要沿着刀具轴向变形。如图4所示薄壁框，侧壁结构是通过侧壁铣削加工获得，框底结构则是通过腹板铣削获得，其他具有复杂几何形状的薄壁件一般也是通过侧壁铣削或者腹板铣削最终成型，由前文分析可知，镜像铣削主要用于薄壁结构腹板铣削。

铣削加工过程中，铣削力可分解为沿着进给方向，垂直于进给方向和沿着刀具轴向的三个分力。薄壁件沿着其壁厚方向的刚度最弱，在动态铣削力激励下，薄壁件在壁厚方向会产生振动和变形。通常，用于铣削加工的刀具有右旋的切削刃，其目的是利于加工过程排屑，但是，右旋的切削刃使得薄壁件在铣削过程中受到沿着刀具轴向而远离其表面的铣削力，即刀具对薄壁件施加了拉力，因此，如果轴向切深较大，那么较大的铣削力会使薄壁件沿着刀具轴向(即薄壁件厚度方向)变形，导致轴向切深越来越大，产生所谓的过切现象，如图5所示，过切使得薄壁件剩余壁厚变得越来越小，甚至可能铣穿薄壁件；如果轴向切深较小，那么加工过程中沿着壁厚方向的振动可能导致薄壁件和刀具产生分离，从而使得薄壁件和铣削刀具之间产生冲击振动(vibro-impact)，进而在薄壁件加工表面产生切削颤纹，对薄壁件表面质量产生严重影响，如图6所示。

虽然镜像铣削方法能有效抑制由于刀具-薄壁件分离现象所造成的冲击振动问题，因为支撑头在随动过程中能提供指向薄壁件的推力，从而阻止薄壁件与刀具产生分离，但是刚性的支撑头会在薄壁件背面留下划痕，对薄壁件造成损伤；当轴向切深较大时，能提供推力作用的随动支撑头不但不起作用，反而增强了薄壁件的过切效应。此时，只有能提供拉力的支撑头才能有效解决薄壁件的过切问题。

发明内容

本发明的目的在于提供基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备及方法，解决现有镜像铣削技术导致过切或划痕的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备，包括铣削系统、工作台和支撑系统，所述工作台用于安装薄壁件，工作台置于铣削系统和支撑系统之间，所述铣削系统包括主轴，所述主轴的端部安装有铣刀，所述支撑系统包括支撑头，所述铣削系统还包括传感器，所述支撑头在轴向上设置有中心通孔，还包括供气系统和用于实现自动控制的工控机，所述供气系统包括管路，所述管路一端与中心通孔连通，另一端与中心供气系统连通，所述管路上设置有泵和阀门；

所述传感器用于采集铣刀的切削力信号，切削力信号包括幅值和方向，并将采集的切削力信号通信传输给工控机；

所述工控机用于接收传感器采集的切削力信号，并分析铣刀的削力方向和幅值，根据削力幅值控制阀门的开度进而控制气流幅值，根据削力方向控制泵的旋转方向，进而控制气流方向。

薄壁件在铣削加工过程中，会经历粗、半精和精加工阶段，不同的加工阶段对轴向切深要求不同，粗加工阶段会使用较大的轴向切深，而在精加工阶段通常采用较小的轴向切深，这就要求镜像铣削随动支撑技术能适应薄壁件这种不同加工阶段的变切深和无划痕要求，镜像铣削方法只能解决冲击振动问题，而对过切问题和划痕问题无能为力。

本发明通过设置传感器、供气系统、工控机，在供气系统中设置阀门和泵，通过传感器采集铣刀的削力方向和幅值数据，并将采集的数据通信传输给工控机，工控机根据削力方向和幅值控制泵的旋转方向和阀门开度。进而控制供气系统产生的高压气流的方向和大小，即高压气流的方向是流向薄壁件背面或远离薄壁结构背面，当传感器采集的数据分析为大切深工况，支撑系统需要提供对薄壁结构的拉力(高压气流的方向为远离薄壁结构背面)，从而避免过切现象的产生，在小切深工况下，支撑系统需要提供对薄壁结构的顶推力(高压气流的方向为流向薄壁结构背面)，从而避免铣削加工过程中冲击振动的发生。而且在大切深或者小切深两种工况下，支撑系统都需要跟随刀具运动，实现薄壁结构的镜像铣削。如此，本发明解决了现有镜像铣削技术导致过切或划痕的问题。

具体地：

基于中心供气流体动压原理，通过控制高压气流的方向对薄壁结构施加不同方向的作用力，当轴向切深较小的工况下，支撑头中心通过流向薄壁件背面的高压气流，产生对薄壁结构的推力以阻止其和刀具发生分离从而避免冲击振动的发生；在轴向切深较大的工况下，支撑头中心通过远离薄壁结构背面的高压气流，产生对薄壁结构的拉力从而避免过切的发生，支撑力的幅值控制也能通过对气体流场参数控制实现，两种工况下，支撑头都与薄壁件处于非接触状态且能实现对刀具的跟随运动，如图7所示。

针对特定的加工中心，通过机械集成和控制集成把基于中心供气流体动压原理的随动非接触支撑系统集成到加工中心上，重点和难点是控制集成方法研究，控制集成主要是加工中心以及随动支撑系统的控制集成。控制集成方法如下：根据薄壁件CAD模型，通过CAM软件生产G代码及相应的刀具位置(CL)文件，一方面通过G代码控制铣削装备的主轴以及各运动轴的电机，另一方面刀具文件中包含了铣刀刀尖点的空间位置坐标及刀轴方向矢量，通过CL文件，考虑薄壁件厚度可获得支撑头随动位置数据，通过逆向运动学求解满足的支撑头位置的支撑系统中各电机的运动量，通过在支撑系统各电机中输入相应的运动量实现支撑系统的随动控制。

进一步地，管路上设置有过滤器。

进一步地，管路上设置有流量计。

进一步地，管路上设置有压力计。

一种采用基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备的铣削方法，包括以下步骤：

1)、安装工件：将薄壁件安装至工作台上，使加工面正对铣刀；

2)、参数设置：调整铣削系统和支撑系统参数；

3)、切削：切削过程中由传感器实时采集铣刀的切削力信号，当轴向切深较小的工况下，支撑头的中心通孔通过流向薄壁件背面的高压气流，产生对薄壁件的推力以阻止薄壁件和铣刀发生分离从而避免冲击振动的发生；在轴向切深较大的工况下，支撑头的中心通孔通过远离薄壁件背面的高压气流，产生对薄壁件的拉力从而避免过切的发生。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过设置传感器、供气系统、工控机，在供气系统中设置阀门和泵，通过传感器采集铣刀的削力方向和幅值数据，并将采集的数据通信传输给工控机，工控机根据削力方向和幅值控制泵的旋转方向和阀门开度。进而控制供气系统产生的高压气流的方向和大小，即高压气流的方向是流向薄壁件背面或远离薄壁结构背面，当传感器采集的数据分析为大切深工况，支撑系统需要提供对薄壁结构的拉力(高压气流的方向为远离薄壁结构背面)，从而避免过切现象的产生，在小切深工况下，支撑系统需要提供对薄壁结构的顶推力(高压气流的方向为流向薄壁结构背面)，从而避免铣削加工过程中冲击振动的发生。

2、本发明所述铣削方法结合了镜像铣削随动支撑多点阵列夹具吸附支撑的特点，解决了薄壁结构铣削加工过程的冲击振动或过切问题，另外，由于支撑系统与薄壁结构不产生接触，因此能有效解决薄壁结构在传统的镜像铣削加工过程中遇到的背面划伤问题，而且中心供气过程中的气流有利于切削散热，从而减少工件的热变形，提高其加工精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为靠模支撑示意图；

图2为多点阵列支撑示意图；

图3为随动支撑镜像铣削示意图；

图4为框类薄壁件结构示意图；

图5为腹板铣削时由于切深太大造成的加工误差示意图；

图6为腹板铣削时由于切深台下导致的加工颤振示意图；

图7为基于中心供气流体动压的支撑头原理图；

图8为薄壁件镜像铣削系统示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-传感器，2-主轴，3-铣刀，4-薄壁件，5-支撑头，6-流量计，7-泵，8-过滤器，9-工控机，10-压力计，11-阀门，12-工作台。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图8所示，基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备，包括铣削系统、工作台12和支撑系统，所述工作台12用于安装薄壁件4，工作台12置于铣削系统和支撑系统之间，所述铣削系统包括主轴2，所述主轴2的端部安装有铣刀3，所述支撑系统包括支撑头5，所述铣削系统还包括传感器1，所述支撑头5在轴向上设置有中心通孔，还包括供气系统和用于实现自动控制的工控机9，所述供气系统包括管路，所述管路一端与中心通孔连通，另一端与中心供气系统连通，所述管路上设置有泵7和阀门11；

所述传感器1用于采集铣刀3的切削力信号，切削力信号包括幅值和方向，并将采集的切削力信号通信传输给工控机9；

所述工控机9用于接收传感器1采集的切削力信号，并分析铣刀3的削力方向和幅值，根据削力幅值控制阀门11的开度进而控制气流幅值，根据削力方向控制泵7的旋转方向，进而控制气流方向。

采用上述薄壁件镜像铣削系统的铣削方法，包括以下步骤：

1、安装工件：将薄壁件4安装至工作台12上，使加工面正对铣刀3；

2、参数设置：调整铣削系统和支撑系统参数，同时确保铣削系统和支撑系统自由度相同，能实现支撑头5在铣削过程中跟随铣刀3运动；

3、切削：切削过程中由传感器1实时采集铣刀3的切削力信号，当轴向切深较小的工况下，支撑头5的中心通孔通过流向薄壁件4背面的高压气流，产生对薄壁件4的推力以阻止薄壁件4和铣刀3发生分离从而避免冲击振动的发生；在轴向切深较大的工况下，支撑头5的中心通孔通过远离薄壁件4背面的高压气流，产生对薄壁件4的拉力从而避免过切的发生，如图7所示。

在本实施例中，所述铣削方法结合了镜像铣削随动支撑多点阵列夹具吸附支撑的特点，解决了薄壁件4铣削加工过程的冲击振动或过切问题，另外，由于支撑系统与薄壁件4不产生接触，因此能有效解决薄壁件4在传统的镜像铣削加工过程中遇到的背面划伤问题，而且供气系统供气过程中的高压气流有利于切削散热，从而减少工件的热变形，提高其加工精度。

实施例2：

如图8所示，本实施例基于实施例1，所述管路上设置有过滤器8、流量计6和压力计10。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备，包括铣削系统、工作台(12)和支撑系统，所述工作台(12)用于安装薄壁件(4)，工作台(12)置于铣削系统和支撑系统之间，所述铣削系统包括主轴(2)，所述主轴(2)的端部安装有铣刀(3)，所述支撑系统包括支撑头(5)，其特征在于，所述铣削系统还包括传感器(1)，所述支撑头(5)在轴向上设置有中心通孔，还包括供气系统和用于实现自动控制的工控机(9)，所述供气系统包括管路，所述管路一端与中心通孔连通，另一端与中心供气系统连通，所述管路上设置有泵(7)和阀门(11)；

所述传感器(1)用于采集铣刀(3)的切削力信号，切削力信号包括幅值和方向，并将采集的切削力信号通信传输给工控机(9)；

所述工控机(9)用于接收传感器(1)采集的切削力信号，并分析铣刀(3)的削力方向和幅值，根据削力幅值控制阀门(11)的开度进而控制气流幅值，根据削力方向控制泵(7)的旋转方向，进而控制气流方向。

2.根据权利要求1所述的基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备，其特征在于，所述管路上设置有过滤器(8)。

3.根据权利要求1所述的基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备，其特征在于，所述管路上设置有流量计(6)。

4.根据权利要求1所述的基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备，其特征在于，所述管路上设置有压力计(10)。

5.一种采用权利要求1-4任一项所述基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备的铣削方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、安装工件：将薄壁件(4)安装至工作台(12)上，使加工面正对铣刀(3)；

2)、参数设置：调整铣削系统和支撑系统参数；

3)、切削：切削过程中由传感器(1)实时采集铣刀(3)的切削力信号，当轴向切深较小的工况下，支撑头(5)的中心通孔通过流向薄壁件(4)背面的高压气流，产生对薄壁件(4)的推力以阻止薄壁件(4)和铣刀(3)发生分离从而避免冲击振动的发生；在轴向切深较大的工况下，支撑头(5)的中心通孔通过远离薄壁件(4)背面的高压气流，产生对薄壁件(4)的拉力从而避免过切的发生。

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