CN111390250B - 弱刚度薄壁结构件及其加工方法和工位快换定位装夹装置 - Google Patents

弱刚度薄壁结构件及其加工方法和工位快换定位装夹装置 Download PDF

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Abstract

弱刚度薄壁结构件及其加工方法和工位快换定位装夹装置，属于精密机械加工技术领域，用于加工对垂直度和对称度要求较高及多面薄壁结构特征的构件，能够实现同一工装多工位快换及高精度定位，高精度的锥形配合面定位基准可解决零件本身的同一工序重复装夹精度，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，同一工装多工位装只需定义不同工位工件加工坐标系即可实现不同工序加工，避免了重复校准工件坐标系调节，减少了多次校准误差，实现多面结构且形位及形面精度的高精度零件加工，特别是对称度较高的零件加工，有效提高零件加工质量及加工效率，解决装夹难题，避免多次装夹。

Description

弱刚度薄壁结构件及其加工方法和工位快换定位装夹装置
技术领域
本发明属于精密机械加工技术领域，特别是涉及到一种弱刚度薄壁结构件及其超精密加工方法和工位快换定位装夹装。
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，薄壁特征结构类零件应用越来越广泛，而由于结构的复杂和高精度要求，对零件的加工方法成熟度还有待提高。生产者不仅要考虑加工效率，还要考虑多次装夹带来的加工精度影响。由于一些零件产品的特殊结构，加工工序需要经常在工作台上换来换去，采取多个工装多个工序的工艺方法大大增加了加工误差及装夹误差甚至影响加工效率。因此，寻找一套有效的加工工件快换及高精度装夹方法和装置迫在眉睫。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供弱刚度薄壁结构件及其加工方法和工位快换定位装夹装置，用于加工对垂直度和对称度要求较高及多面薄壁结构特征的构件。通过同一工装多工位、同一工位可180°旋转快换定位装夹，实现多面结构且形位及形面精度的高精度零件加工，特别是对称度较高的零件加工，有效提高零件加工质量及加工效率，解决装夹难题，避免多次装夹。
弱刚度薄壁结构件，其特征是：包括薄壁结构面Ⅰ、薄壁结构面Ⅱ、薄壁结构面Ⅲ、薄壁结构面Ⅳ以及薄壁结构面Ⅴ，所述薄壁结构面Ⅰ为弱刚度薄壁结构件的顶面；薄壁结构面Ⅱ、薄壁结构面Ⅲ、薄壁结构面Ⅳ以及薄壁结构面Ⅴ为四个弱刚度薄壁结构件的侧面。
工位快换定位装夹装置，其特征是：包括底座、定位锥套、定位销、固定拉钉、定位锥柄、夹具以及工作台，所述底座通过U型孔固定设置在工作台上，底座上部设置有与固定拉钉配合的螺纹孔，底座的顶面及侧面设置有与定位锥套配合的配合面、螺纹孔以及定位销孔；所述定位锥套上设置有沉头孔、定位销孔、定位键槽以及锥形定位面，定位锥套通过沉头孔、螺钉以及定位销固定设置在底座上；所述定位锥柄设置有锥柄、拉钉球槽、凸台定位键以及螺纹孔，定位锥柄通过螺纹孔与夹具连接，通过凸台定位键以及螺纹孔与底座连接；所述夹具包括虎钳或弹簧套。
所述工位快换定位装夹装置的定位锥面精度尺寸及形位精度＜0.002mm，其装配零件的装配基准面重要尺寸精度＜0.003mm，形位精度＜0.005mm，工位装配后的锥形定位处的轴线与机床轴线平行度＜2μm，定位锥柄重复定位精度＜2μm。
弱刚度薄壁结构件的加工方法，其特征是：加工所述的弱刚度薄壁结构件，采用所述的工位快换定位装夹装置，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，制作所述工位快换定位装夹装置，备料；
步骤二、确定切削用量及刀具；
步骤三、在数控系统中定义第一工位工件加工坐标系为G54坐标系；
步骤四、粗加工薄壁结构面Ⅰ，半精加工薄壁结构面Ⅰ，通过测头在线检测误差变形，精加工薄壁结构面Ⅰ，在线检测误差变形并进行误差补偿加工，完成第一工位工件加工；
步骤五、通过工位快换定位装夹装置将工件和夹具换到第二工位，在数控系统中定义第二工位工件加工坐标系为G55坐标系；
步骤六、粗加工薄壁结构面Ⅱ，半精加工薄壁结构面Ⅱ，通过测头在线检测误差变形，精加工薄壁结构面Ⅱ，在线检测误差变形并进行误差补偿加工；
步骤七、将夹具及工件在水平面内旋转180°快换安装，粗加工薄壁结构面Ⅲ，半精加工薄壁结构面Ⅲ，通过测头在线检测误差变形，精加工薄壁结构面Ⅲ，在线检测误差变形并进行误差补偿加工，完成第二工位工件加工；
步骤八、通过工位快换定位装夹装置将工件和夹具换到第三工位，在数控系统中定义第三工位工件加工坐标系为G56坐标系；
步骤九、粗加工薄壁结构面Ⅳ，半精加工薄壁结构面Ⅳ，在线检测误差变形，精加工薄壁结构面Ⅳ，在线检测误差变形并进行误差补偿加工；
步骤十、将夹具及工件在水平面内旋转180°快换安装，粗加工薄壁结构面Ⅴ，半精加工薄壁结构面Ⅴ，通过测头在线检测误差变形，精加工薄壁结构面Ⅴ，在线检测误差变形并进行误差补偿加工，完成第三工位工件加工；
至此，弱刚度薄壁结构件的加工完成。
所述步骤二中切削用量及刀具为，
粗加工薄壁轮廓采用D1mm硬质合金立铣刀，主轴转速为10000r/min～15000r/min，进给量小于500mm/min，切削深度小于100μm，留有余量小于0.2mm；
半精加工薄壁结构采用D1mmCBN铣刀，主轴转速为大于15000r/min，进给量小于100mm/min，切削深度小于25μm，留有余量小于0.05mm；
精加工薄壁结构采用D1mmCBN铣刀，主轴转速为大于20000r/min，进给量小于100mm/min，切削深度为弱刚度薄壁结构件的薄壁高度，留有余量为在线检测误差变形获得的误差补偿值。
所述加工的弱刚度薄壁结构件外轮廓基准面重要尺寸精度＜0.01mm，形位精度＜0.02mm，对称度＜0.005mm。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：弱刚度薄壁结构件及其加工方法和工位快换定位装夹装置，将同一工装多工位与同一工位多工序高精度快换定位基准相结合，减少了多工装、多工序、多次装夹以及多次校准误差存在次数，完全减少了加工误差存在的概率，也解决了具有多面薄壁结构件的装夹难题，提高了加工精度。
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为本发明弱刚度薄壁结构件结构示意图。
图2为本发明工位快换定位装夹装置装配示意图。
图3为本发明弱刚度薄壁结构件加工工艺流程示意图。
图4为本发明工位快换定位装夹装置装夹原理示意图。
图5为本发明工位快换定位装夹装置底座结构示意图。
图6为本发明工位快换定位装夹装置定位锥套结构示意图。
图7为本发明工位快换定位装夹装置定位销结构示意图。
图8为本发明工位快换定位装夹装置固定拉钉结构示意图。
图9为本发明工位快换定位装夹装置定位锥柄结构示意图。
图10本发明工位快换定位装夹装置夹具结构示意图。
图中1-薄壁结构面Ⅰ、2-薄壁结构面Ⅱ、3-薄壁结构面Ⅲ、4-薄壁结构面Ⅳ、5-薄壁结构面Ⅴ、6-底座、7-定位锥套、8-定位销、9-固定拉钉、10-定位锥柄、11-夹具、12-工作台。
具体实施方式
弱刚度薄壁结构件，如图1所示，为多面薄壁结构形状，包括薄壁结构面Ⅰ1、薄壁结构面Ⅱ2、薄壁结构面Ⅲ3、薄壁结构面Ⅳ4以及薄壁结构面Ⅴ5，其尺寸精度和形状精度包括弱刚度薄壁结构件各对面之间的对称度与轮廓精度，弱刚度薄壁结构件各薄壁之间的平行度与垂直度。
弱刚度薄壁结构件的加工方法，如图3和图4所示，包括以下步骤，且以步骤顺次进行，
步骤一：分析零件加工工艺；
步骤二：制作工位快换定位装夹工装，加工薄壁结构件的工装可实现同一工装多工位、同一工位可180°旋转快换定位装夹，实现多面结构零件形位及形面精度的高精度加工，特别是对称度高精度的零件加工；
步骤三：备料；
步骤四：确定切削用量及刀具；
Figure GDA0003061103830000041
Figure GDA0003061103830000051
步骤五：定义工位一工件加工坐标系为G54坐标系；
步骤六：粗加工薄壁结构面Ⅰ1薄壁结构件；
步骤七：半精加工薄壁结构面Ⅰ1薄壁结构件；
步骤八：在线检测误差变形；
步骤九：精加工薄壁结构面Ⅰ1薄壁结构件；
步骤十：在线检测误差变形如有超差进行补偿加工；
步骤十一：将工件及夹具快换到工装的第二工位，定义工件加工坐标系为G55坐标系；
步骤十二：粗加工薄壁结构面Ⅱ2薄壁结构件；
步骤十三：半精加工薄壁结构面Ⅱ2薄壁结构件；
步骤十四：在线检测误差变形；
步骤十五：精加工薄壁结构面Ⅱ2薄壁结构件；
步骤十六：在线检测误差变形如有超差进行补偿加工；
步骤十七：将工件及夹具旋转180°快换安装进行粗加工薄壁结构面Ⅲ3薄壁结构件；
步骤十八：半精加工薄壁结构面Ⅲ3薄壁结构件；
步骤十九：在线检测误差变形；
步骤二十：精加工薄壁结构面Ⅲ3薄壁结构件；
步骤二十一：在线检测误差变形如有超差进行补偿加工；
步骤二十二：将工件及夹具快换到工装的第三工位，定义工件加工坐标系为G56坐标系。
步骤二十三：进行粗加工薄壁结构面Ⅳ4薄壁结构件；
步骤二十四：半精加工薄壁结构面Ⅳ4薄壁结构件；
步骤二十五：在线检测误差变形；
步骤二十六：精加工薄壁结构面Ⅳ4薄壁结构件；
步骤二十七：在线检测误差变形如有超差进行补偿加工；
步骤二十八：将工件及夹具旋转180°快换安装进行粗加工薄壁结构面Ⅴ5薄壁结构件；
步骤二十九：半精加工薄壁结构面Ⅴ5薄壁结构件；
步骤三十：在线检测误差变形；
步骤三十一：精加工薄壁结构面Ⅴ5薄壁结构件；
步骤三十二：在线检测误差变形如有超差进行补偿加工。
本发明采用的工位快换定位装夹装置如图2和图5～图10所示，包括底座6、定位锥套7、定位销8、固定拉钉9、定位锥柄10、夹具11以及工作台12，所述底座6通过U型孔固定设置在工作台12上，底座6顶面及侧面设置有与固定拉钉9配合的螺纹孔，底座6的顶面及侧面设置有与定位锥套7配合的配合面、螺纹孔以及定位销孔；所述定位锥套7上设置有沉头孔、定位销孔、定位键槽以及锥形定位面，定位锥套7通过沉头孔、螺钉以及定位销8固定设置在底座6上；所述定位锥柄10设置有锥柄、拉钉球槽、凸台定位键以及螺纹孔，定位锥柄10通过螺纹孔与夹具11连接，通过凸台定位键以及螺纹孔与底座6连接；所述夹具11包括虎钳或弹簧套。
工装可实现同一工装多工位、同一工位可180°旋转快换定位装夹。所述工装夹具快换装夹部分的定位锥面精度尺寸及形位精度＜0.002mm，所有装配零件的装配基准面重要尺寸精度＜0.003mm，形位精度＜0.005mm，各工位装配后的锥形定位处的轴线与机床轴线平行度＜2μm，锥柄重复定位精度＜2μm。实现多面结构且形位及形面精度的高精度零件加工，特别是对称度较高的零件加工。
本发明能够实现同一工装多工位快换及高精度定位，高精度的锥形配合面定位基准可解决零件本身的同一工序重复装夹精度，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，同一工装多工位装只需定义不同工位工件加工坐标系即可实现不同工序加工，避免了重复校准工件坐标系调节，减少了多次校准误差，实现多面结构且形位及形面精度的高精度零件加工，特别是对称度较高的零件加工，有效提高零件加工质量及加工效率，解决装夹难题，避免多次装夹。
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，还可应用于具有该薄壁结构类零件特征尺寸要求的零件，如对对称度和垂直度高精度要求的零件。该装置和加工方法也可转型到电化学成型工艺和电火花成型领域上，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 (3)

1.弱刚度薄壁结构件的加工方法，该弱刚度薄壁结构件包括薄壁结构面Ⅰ(1)、薄壁结构面Ⅱ(2)、薄壁结构面Ⅲ(3)、薄壁结构面Ⅳ(4)以及薄壁结构面Ⅴ(5)，所述薄壁结构面Ⅰ(1)为弱刚度薄壁结构件的顶面；薄壁结构面Ⅱ(2)、薄壁结构面Ⅲ(3)、薄壁结构面Ⅳ(4)以及薄壁结构面Ⅴ(5)为四个弱刚度薄壁结构件的侧面；
采用的工位快换定位装夹装置包括底座(6)、定位锥套(7)、定位销(8)、固定拉钉(9)、定位锥柄(10)、夹具(11)以及工作台(12)，所述底座(6)通过U型孔固定设置在工作台(12)上，底座(6)上部设置有与固定拉钉(9)配合的螺纹孔，底座(6)的顶面及侧面设置有与定位锥套(7)配合的配合面、螺纹孔以及定位销孔；所述定位锥套(7)上设置有沉头孔、定位销孔、定位键槽以及锥形定位面，定位锥套(7)通过沉头孔、螺钉以及定位销(8)固定设置在底座(6)上；所述定位锥柄(10)设置有锥柄、拉钉球槽、凸台定位键以及螺纹孔，定位锥柄(10)通过螺纹孔与夹具(11)连接，通过凸台定位键以及螺纹孔与底座(6)连接；所述夹具(11)包括虎钳或弹簧套；
所述工位快换定位装夹装置的定位锥面精度尺寸及形位精度＜0.002mm，其装配零件的装配基准面重要尺寸精度＜0.003mm，形位精度＜0.005mm，工位装配后的锥形定位处的轴线与机床轴线平行度＜2μm，定位锥柄重复定位精度＜2μm；
其特征是：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，制作所述工位快换定位装夹装置，备料；
步骤二、确定切削用量及刀具；
步骤三、在数控系统中定义第一工位工件加工坐标系为G54坐标系；
步骤四、粗加工薄壁结构面Ⅰ(1)，半精加工薄壁结构面Ⅰ(1)，通过测头在线检测误差变形，精加工薄壁结构面Ⅰ(1)，在线检测误差变形并进行误差补偿加工，完成第一工位工件加工；
步骤五、通过工位快换定位装夹装置将工件和夹具(11)换到第二工位，在数控系统中定义第二工位工件加工坐标系为G55坐标系；
步骤六、粗加工薄壁结构面Ⅱ(2)，半精加工薄壁结构面Ⅱ(2)，通过测头在线检测误差变形，精加工薄壁结构面Ⅱ(2)，在线检测误差变形并进行误差补偿加工；
步骤七、将夹具(11)及工件在水平面内旋转180°快换安装，粗加工薄壁结构面Ⅲ(3)，半精加工薄壁结构面Ⅲ(3)，通过测头在线检测误差变形，精加工薄壁结构面Ⅲ(3)，在线检测误差变形并进行误差补偿加工，完成第二工位工件加工；
步骤八、通过工位快换定位装夹装置将工件和夹具(11)换到第三工位，在数控系统中定义第三工位工件加工坐标系为G56坐标系；
步骤九、粗加工薄壁结构面Ⅳ(4)，半精加工薄壁结构面Ⅳ(4)，在线检测误差变形，精加工薄壁结构面Ⅳ(4)，在线检测误差变形并进行误差补偿加工；
步骤十、将夹具(11)及工件在水平面内旋转180°快换安装，粗加工薄壁结构面Ⅴ(5)，半精加工薄壁结构面Ⅴ(5)，通过测头在线检测误差变形，精加工薄壁结构面Ⅴ(5)，在线检测误差变形并进行误差补偿加工，完成第三工位工件加工；
至此，弱刚度薄壁结构件的加工完成。
2.根据权利要求1所述的弱刚度薄壁结构件的加工方法，其特征是：所述步骤二中切削用量及刀具为，
粗加工薄壁轮廓采用D1mm硬质合金立铣刀，主轴转速为10000r/min～15000r/min，进给量小于500mm/min，切削深度小于100μm，留有余量小于0.2mm；
半精加工薄壁结构采用D1mmCBN铣刀，主轴转速为大于15000r/min，进给量小于100mm/min，切削深度小于25μm，留有余量小于0.05mm；
精加工薄壁结构采用D1mmCBN铣刀，主轴转速为大于20000r/min，进给量小于100mm/min，切削深度为弱刚度薄壁结构件的薄壁高度，留有余量为在线检测误差变形获得的误差补偿值。
3.根据权利要求1所述的弱刚度薄壁结构件的加工方法，其特征是：所述加工的弱刚度薄壁结构件外轮廓基准面重要尺寸精度＜0.01mm，形位精度＜0.02mm，对称度＜0.005mm。
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