CN111843544A - 适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置及变形测量方法 - Google Patents

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CN111843544A CN202010664141.9A CN202010664141A CN111843544A CN 111843544 A CN111843544 A CN 111843544A CN 202010664141 A CN202010664141 A CN 202010664141A CN 111843544 A CN111843544 A CN 111843544A
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Abstract

本发明提供了一种适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置及变形测量方法，包括顶盖、辅助支撑组件、工装基座以及数采控制装置，辅助支撑组件中的气缸驱动支撑头支撑在环形工件的内表面，起到抑制振动的作用，在铣床切削力的作用下，环形工件产生加工变形，支撑头随之产生位移，位移传感器从而测得支撑头位移获得变形数据，加工结束后，环形工件释放残余应力，再次导致变形，此时支撑头再次伸出使位移传感器测量支撑头位移后再缩回，循环往复，测量得到加工后变形的时序变化数据，从而获得环形工件的变形测量数据。本发明在加工过程中为环形工件60提供辅助支撑，提高了工件局部刚性和阻尼，进一步保证了工件的加工质量。

Description

适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置及变形测量方法
技术领域
本发明涉及机床工装夹具，属于航空制造技术领域，具体地，涉及一种适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置及变形测量方法。
背景技术
环形薄壁类零件是航空发动机中的关键部件，随着航空制造业的不断发展，对该类关键零件的加工精度提出了越来越高的要求。大部分的环形薄壁件的结构复杂、表面特征多，难以采用车削加工。由于刚性低，在铣削加工过程中，切削力的作用下，工件容易产生颤振、回弹等现象，降低表面质量。此类现象降低了高速切削的效率。因此，在环形薄壁件的加工过程中，需要加入辅助支撑装置，增加局部刚性和阻尼，抑制加工振动。手动辅助支撑装置的装夹效率低，且未考虑变形和应力释放，缺少变形监测。自动化的辅助支撑装置，普遍需要外接多根数据线、电源线与气线，其数据处理分析依赖于外部处理器，集成度不高。
薄壁环形件的自动辅助支撑装置所需解决的关键问题是抑制加工振动，获取变形测量数据。目前辅助支撑的抑振功能主要通过气缸或电机实现。
电机抑振的主要优点在于电机的位移精度高，可以实现精密的工件变形控制。高精度电机模组内已集成光栅尺或其他位移传感器，可直接得到变形数据。但是相比于气缸，电机的抑振效果差，成本高，并且在实际加工过程中，需要考虑电机的防水问题，相比同样支撑力的气缸，电机的体积更大，往往会出现预留空间过小，无法安装的问题。但是无论使用何种方式，由于使用了不同种类的传感器和控制器，使用时接线繁琐，不适用于实际加工。自动辅助支撑装置的使用依赖外部处理器或者机床数控系统，独立性不高。
专利文献CN209175307U公开了一种环形薄壁零件夹具，其包括：圆柱形夹具支座，其上端面外侧沿圆周一圈设置有L对称形且不高出其上端面的台阶，环形薄壁零件置于所述台阶上；至少三个限位块，所述限位块呈圆周均匀分布且固定设置在所述夹具支座上，其一端设置在所述夹具支座的上端面上，且该端的侧面与所述环形薄壁零件的内环面贴紧；至少三个压块，所述压块与所述限位块均匀间隔固定设置在所述夹具支座上，且所述压块的一端将所述环形薄壁零件的上端面压住，但该设计无法测量工件成品的应力释放变形。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置及变形测量方法。
根据本发明提供的一种适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，包括顶盖10、辅助支撑组件20、工装基座30以及数采控制装置40；
所述辅助支撑组件20设置在顶盖10和工装基座30之间；
所述数采控制装置40安装在工装基座30的内部。
优选地，所述辅助支撑组件20包括支撑头21、连接块22、气缸23、位移传感器安装支架24、位移传感器25以及气缸安装座26；
所述气缸23的一端安装在气缸安装座26上，所述气缸23的另一端与连接块 22紧固连接；
所述支撑头21安装在连接块22上；
所述位移传感器25通过位移传感器安装支架24安装在气缸安装座26上且与气缸23平行设置；
当气缸23驱使连接块22带动支撑头21运动时，所述位移传感器25靠近连接块22的一端与连接块22同步运动。
优选地，所述支撑头21与连接块22为可拆卸连接；
所述支撑头21远离连接块22的一端采用圆弧面。
优选地，所述工装基座30包括长螺杆31、气缸安装板32、立柱33、垫高块盖板34、定位环35、圆弧垫高块36以及法兰37；
所述气缸安装板32、垫高块盖板34、顶盖10平行设置；
所述长螺杆31垂直穿过气缸安装板32的中部，所述长螺杆31的两端分别与垫高块盖板34、顶盖10紧固连接；
所述长螺杆31的周向均匀或非均匀设置有多个立柱33且多个立柱33安装在气缸安装板32和垫高块盖板34之间；
所述垫高块盖板34靠近气缸安装板32的一端的周边安装有定位环35；
所述垫高块盖板34的另一端通过圆弧垫高块36安装在法兰37上。
优选地，所述垫高块盖板34、圆弧垫高块36、法兰37围成的空间形成容纳空间50；
所述数采控制装置40安装在容纳空间50中。
优选地，所述数采控制装置40包括放大器41、控制器42、防水外壳43以及阀岛44；
所述放大器41、控制器42都安装在防水外壳43中；
所述防水外壳43、阀岛44都安装在法兰37上；
所述控制器42能够通过阀岛44输出命令信息使得气缸23推动连接块22带动支撑头21运动。
优选地，还包括环形工件60；
所述环形工件60的一端匹配安装在定位环35上，所述环形工件60的另一端被顶盖10压紧。
优选地，所述辅助支撑组件20的数量为多个；
所述多个辅助支撑组件20沿长螺杆31周向均匀或非均匀安装在气缸安装板32上。
优选地，所述支撑头21包括尼龙、橡胶、特氟龙、碳纤维复合材料、铝中的任一种材质。
根据本发明提供的一种适用于薄壁环形工件的变形测厚方法，采用所述的适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，包括如下步骤：
步骤一：将环形工件60安装到机床工作台上加工位置并固定并根据待加工的环形工件60的底面直径选择择相匹配的定位环35；
步骤二：将待加工的环形工件60安装在工装基座30上，压紧顶盖10，控制辅助支撑组件20伸出支撑头21，为环形工件60提供支撑力；
步骤三：运行机床，开始加工，由于环形工件60为弱刚性，加工时会产生变形，导致支撑头21所支撑的位置发生变化。此时位移传感器25开始测量支撑头21位移，得到加工变形数据；
步骤四：加工结束后，控制辅助支撑组件20缩回支撑头21，一段时间后，控制辅助支撑组件20再次伸出支撑头21接触环形工件60内表面，采集当前位移传感器25的数据；
步骤五：控制辅助支撑组件20再次缩回支撑头21，跳转至步骤四。由于加工后存在应力释放变形，不同时刻的支撑头21的伸出量并不相同，因而通过在不同时间反复的采样测量，得到环形工件60应力释放变形的时序数据。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明在加工过程中为环形工件60提供辅助支撑，提高了工件局部刚性和阻尼，进一步保证了工件的加工质量，并同时能够测量获得变形数据。
2、采用位移传感器25在支撑抑振的基础上，实现了加工时工件变形检测，为下一工序切削用量的选择提供依据。实现了加工后的残余应力释放变形检测，为工件变形最终形状的预测提供数据。
3、使用不同直径的定位环，实现了在同一套工装上完成多个工序的工件加工，提高加工效率，降低工装成本。
4、通过气缸调节气压，直接控制支撑力，其控制方式简单。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为辅助支撑组件20的结构示意图；
图3为本发明安装环形工件60后的结构示意图；
图4为工装基座30的结构示意图；
图5为数采控制装置40的结构示意图；
图6为环形工件60变形测量的步骤图。
图中示出：
Figure BDA0002579713190000041
Figure BDA0002579713190000051
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，如图1所示，包括顶盖10、辅助支撑组件20、工装基座30以及数采控制装置40，所述辅助支撑组件20设置在顶盖10和工装基座30之间，所述数采控制装置40安装在工装基座 30的内部。本发明在加工过程中为环形工件60提供辅助支撑，提高了工件局部刚性和阻尼，进一步保证了工件的加工质量。
具体地，如图4所示，所述工装基座30包括长螺杆31、气缸安装板32、立柱33、垫高块盖板34、定位环35、圆弧垫高块36以及法兰37，所述气缸安装板32、垫高块盖板34、顶盖10平行设置；所述长螺杆31垂直穿过气缸安装板32的中部，所述长螺杆31的两端分别与垫高块盖板34、顶盖10紧固连接；所述长螺杆31的周向均匀或非均匀设置有多个立柱33且多个立柱33安装在气缸安装板32和垫高块盖板34之间，起到支撑的作用；所述垫高块盖板34靠近气缸安装板32的一端的周边安装有定位环35；所述垫高块盖板34的另一端通过圆弧垫高块36安装在法兰37上，其中，圆弧垫高块36可以选择不同高度的圆弧垫高块，垫高或放低环形工件60，以使环形工件60处于机床可加工空间。使用时，将环形工件60与定位环 35内扣安装，从而实现对环形工件60的定位，同时环形工件60的顶部通过顶盖 10压紧实现环形工件60整体的定位。
具体地，如图4所示，工装基座30为环形工件60的安装平台，在一个优选例中，法兰37上留有U型槽，用于与机床工作台连接，法兰37的底面留有沉头孔，使用螺钉将法兰37与圆弧垫高块36固定，垫高块盖板34的顶面具有沉头孔，使用螺钉将垫高块盖板34与圆弧垫高块36固定。垫高块盖板34和圆弧垫高块36的顶面均留有螺纹孔，用于连接固定不同直径的定位环35。气缸安装板32和垫高块盖板34上分别留有通孔和螺纹孔，立柱33的上下两端分别留有内、外螺纹，用于将立柱33安装在气缸安装板32和垫高块盖板34之间。
进一步地，如图3所示，所述环形工件60的一端匹配安装在定位环35上，所述环形工件60的另一端被顶盖10压紧。定位环35能够根据环形工件60尺寸的不同进行选择，挑选与环形工件60尺寸相匹配的定位环35；同时根据环形工件60高度的不同可以选择不同长度的长螺杆31，在一个优选例中，选择合适的长螺杆31 后，长螺杆31的顶部设置有带有内螺纹的盲孔，顶盖10的中心设置有通孔，通过单头螺栓能够实现将顶盖10固定在长螺杆31上的同时，实现对环形工件60的压紧定位。使用不同直径的定位环，实现了在同一套工装上完成多个工序的工件加工，提高加工效率，降低工装成本。
具体地，如图1、图2所示，所述辅助支撑组件20包括支撑头21、连接块22、气缸23、位移传感器安装支架24、位移传感器25以及气缸安装座26，所述气缸 23的一端安装在气缸安装座26上，所述气缸23的另一端与连接块22紧固连接，所述支撑头21安装在连接块22上。通过气缸调节气压，直接控制支撑力，其控制方式简单。
具体地，如图2所示，气缸安装座26为气缸23和位移传感器25的安装平台，气缸安装座26安装在气缸安装板32上。气缸安装座26的底面两侧留有U型槽，用于气缸安装座26整体的前后移动，其底面留有销孔，用于定位。气缸安装座26 上设置有4个通孔，气缸23通过4个螺柱固定在气缸安装座26的背面的四个通孔上。气缸安装座26上设置有2个螺纹孔，位移传感器安装支架24通过2个螺丝固定在气缸安装座26的侧面上。位移传感器25通过位移传感器安装支架24安装在气缸安装座26的侧面，与气缸23的伸出方向平行。
具体地，如图2所示，所述位移传感器25通过位移传感器安装支架24安装在气缸安装座26上且与气缸23平行设置；当气缸23驱使连接块22带动支撑头21 运动时，所述位移传感器25靠近连接块22的一端与连接块22同步运动，位移传感器25的检测部位始终与连接块22接触，保证位移传感器25测得数据为支撑头 21的位移。采用位移传感器25在支撑抑振的基础上，实现了加工时工件变形检测，为下一工序切削用量的选择提供经验和依据。实现了加工后的残余应力释放变形检测，为工件变形最终形状的预测提供数据。
具体地，如图2所示，气缸23驱动支撑头21伸出，支撑在环形工件60的内表面，能够起到抑制振动的作用。弱刚性的薄壁环形工件60在铣床较大切削力的作用下会产生加工变形，支撑头21随之产生位移。使用位移传感器25测量支撑头21 位移，得到环形工件60加工时的变形情况，加工结束后，环形工件60释放残余应力，再次导致变形。此时支撑头21再次伸出，接触到环形工件60内壁后停止运动，使用位移传感器25测量支撑头21位移后再缩回，循环往复，测量得到加工后变形的时序变化数据，从而获得环形工件60的变形测量数据。
进一步地，如图2所示，在一个优选例中，所述支撑头21与连接块22为可拆卸连接；所述支撑头21远离连接块22的一端采用圆弧面。针对不同的环形工件60 尺寸、材料和、抑振的需求，可以更换不同尺寸的支撑头21，也可以选用不同材料的支撑头21进行支撑，例如支撑头21可以选择尼龙、橡胶、特氟龙、碳纤维复合材料、铝等材质，以满足具体加工的需要。
具体地，支撑头21的支撑力可以保持一恒定值，也可以根据当前环形工件60 工件变形情况进行动态调整。
具体地，如图4所示，所述垫高块盖板34、圆弧垫高块36、法兰37围成的空间形成容纳空间50；所述数采控制装置40安装在容纳空间50中。
具体地，如图5所示，所述数采控制装置40包括放大器41、控制器42、防水外壳43以及阀岛44；所述放大器41、控制器42都安装在防水外壳43中；所述防水外壳43、阀岛44都安装在法兰37上，例如通过螺钉安装在法兰37上；所述控制器42能够通过阀岛44输出命令信息使得气缸23推动连接块22带动支撑头21 运动。放大器41用于采集和传输位移传感器25测量信号，阀岛44用于采集和传输气缸23控制信号，两种信号输入至控制器42中，进行数据采集与控制；在一个优选例中，控制器42采用树莓派开发板。
进一步地，在加工过程中，树莓派开发板通过阀岛44发出气缸23的驱动信号，使得气缸23驱动支撑头21伸出，以一定的支撑力支撑环形工件60的内表面，起到加工抑振效果。与此同时，位移传感器25监测支撑头21与连接块22的位移，得到的变形数据经过放大器41，最终由树莓派开发板所采集。
所述数采控制装置40可独立进行数据采集、存储、分析、控制，不需要额外的处理器，集成度高。
具体地，如图1、图4所示，所述辅助支撑组件20的数量为多个；所述多个辅助支撑组件20沿长螺杆31周向均匀或非均匀安装在气缸安装板32上。在一个优选例中，辅助支撑组件20的数量为6个，6个辅助支撑组件20沿长螺杆31的周向均匀设置；在一个变化例中，辅助支撑组件20的数量为4个，4个辅助支撑组件20沿长螺杆31的周向均匀设置。
如图6所示，本发明的工作原理如下：
将环形工件60安装到机床工作台上加工位置并固定，根据待加工的环形工件 60的底面直径选择相匹配的定位环35；将待加工的环形工件60安装在工装基座 30上，压紧顶盖10，控制辅助支撑组件20伸出支撑头21，为环形工件60提供支撑力；运行机床，开始加工，由于环形工件60为弱刚性，加工时会产生变形，导致支撑头21所支撑的位置发生变化。此时位移传感器25开始测量支撑头21位移，得到加工变形数据；加工结束后，控制辅助支撑组件20缩回支撑头21，一段时间后，控制辅助支撑组件20再次伸出支撑头21接触环形工件60内表面，采集当前位移传感器25的数据；控制辅助支撑组件20再次缩回支撑头21，跳转至步骤四。由于加工后存在应力释放变形，不同时刻的支撑头21的伸出量并不相同，因而通过在不同时间反复的采样测量，得到环形工件60应力释放变形的时序数据。
本发明中所述薄壁环形件中的“薄壁”并不是指实际壁厚小于某数值的环形工件，而是指工件的直径厚度比大于20的环形工件，此类环形工件在加工时表现出明显的弱刚性。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，其特征在于，包括顶盖(10)、辅助支撑组件(20)、工装基座(30)以及数采控制装置(40)；
所述辅助支撑组件(20)设置在顶盖(10)和工装基座(30)之间；
所述数采控制装置(40)安装在工装基座(30)的内部。
2.根据权利要求1所述的适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，其特征在于，所述辅助支撑组件(20)包括支撑头(21)、连接块(22)、气缸(23)、位移传感器安装支架(24)、位移传感器(25)以及气缸安装座(26)；
所述气缸(23)的一端安装在气缸安装座(26)上，所述气缸(23)的另一端与连接块(22)紧固连接；
所述支撑头(21)安装在连接块(22)上；
所述位移传感器(25)通过位移传感器安装支架(24)安装在气缸安装座(26)上且与气缸(23)平行设置；
当气缸(23)驱使连接块(22)带动支撑头(21)运动时，所述位移传感器(25)靠近连接块(22)的一端与连接块(22)同步运动。
3.根据权利要求2所述的适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，其特征在于，所述支撑头(21)与连接块(22)为可拆卸连接；
所述支撑头(21)远离连接块(22)的一端采用圆弧面。
4.根据权利要求1所述的适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，其特征在于，所述工装基座(30)包括长螺杆(31)、气缸安装板(32)、立柱(33)、垫高块盖板(34)、定位环(35)、圆弧垫高块(36)以及法兰(37)；
所述气缸安装板(32)、垫高块盖板(34)、顶盖(10)平行设置；
所述长螺杆(31)垂直穿过气缸安装板(32)的中部，所述长螺杆(31)的两端分别与垫高块盖板(34)、顶盖(10)紧固连接；
所述长螺杆(31)的周向均匀或非均匀设置有多个立柱(33)且多个立柱(33)安装在气缸安装板(32)和垫高块盖板(34)之间；
所述垫高块盖板(34)靠近气缸安装板(32)的一端的周边安装有定位环(35)；
所述垫高块盖板(34)的另一端通过圆弧垫高块(36)安装在法兰(37)上。
5.根据权利要求4所述的适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，其特征在于，所述垫高块盖板(34)、圆弧垫高块(36)、法兰(37)围成的空间形成容纳空间(50)；
所述数采控制装置(40)安装在容纳空间(50)中。
6.根据权利要求2所述的适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，其特征在于，所述数采控制装置(40)包括放大器(41)、控制器(42)、防水外壳(43)以及阀岛(44)；
所述放大器(41)、控制器(42)都安装在防水外壳(43)中；
所述防水外壳(43)、阀岛(44)都安装在法兰(37)上；
所述控制器(42)能够通过阀岛(44)输出命令信息使得气缸(23)推动连接块(22)带动支撑头(21)运动。
7.根据权利要求1所述的适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，其特征在于，还包括环形工件(60)；
所述环形工件(60)的一端匹配安装在定位环(35)上，所述环形工件(60)的另一端被顶盖(10)压紧。
8.根据权利要求4所述的适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，其特征在于，所述辅助支撑组件(20)的数量为多个；
所述多个辅助支撑组件(20)沿长螺杆(31)周向均匀或非均匀安装在气缸安装板(32)上。
9.根据权利要求1所述的适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，其特征在于，所述支撑头(21)包括尼龙、橡胶、特氟龙、碳纤维复合材料、铝中的任一种材质。
10.一种适用于薄壁环形工件的变形测厚方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的适用于薄壁环形工件的内支撑抑振装置，包括如下步骤：
步骤一：将环形工件(60)安装到机床工作台上加工位置并固定,根据待加工的环形工件(60)的底面直径选择相匹配的定位环(35)；
步骤二：将待加工的环形工件(60)安装在工装基座(30)上，压紧顶盖(10)，控制辅助支撑组件(20)伸出支撑头(21)，为环形工件(60)提供支撑力；
步骤三：运行机床，开始加工，由于环形工件(60)为弱刚性，加工时会产生变形，导致支撑头(21)所支撑的位置发生变化。此时位移传感器(25)开始测量支撑头(21)位移，得到加工变形数据；
步骤四：加工结束后，控制辅助支撑组件(20)缩回支撑头(21)，一段时间后，控制辅助支撑组件(20)再次伸出支撑头(21)接触环形工件(60)内表面，采集当前位移传感器(25)的数据；
步骤五：控制辅助支撑组件(20)再次缩回支撑头(21)，跳转至步骤四。由于加工后存在应力释放变形，不同时刻的支撑头(21)的伸出量并不相同，因而通过在不同时间反复的采样测量，得到环形工件(60)应力释放变形的时序数据。
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