CN112589133A - 一种大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工方法及装置。本发明通过生成可编程的均匀减薄模型，结合毛坯曲率变化规律，利用分段式与分层式车削方法，完成某铝合金干切工艺；在数控设备上设计并直接增加一套壳体毛坯均匀减薄加工装置系统，可满足旋压/铸造等成型方式毛坯均匀减薄加工，满足分段式与分层式车削工艺要求，满足大端刚性夹紧工艺需求，解决车削过程中，主轴跳动带来的误差，实现精度补偿，实现零件均匀减薄加工，替代如零件旋压取下热处理变形后采用化铣效率低、污染重的问题，满足重量与精度要求。

Description

一种大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工方法及装置
技术领域
本发明涉及数控加工技术领域，具体涉及一种大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工方法及装置。
背景技术
在航空航天领域，随着新产品性能要求的不断提高，整体减重、结构高刚强度以及尺寸高精度控制要求愈加严格，采用新型材料的大型铝合金整体旋压/铸造/等方式成型的产品属于关键构件，是整个系统运转成功的关键结构。一种大型铝合金壳体采用铝合金板材经成型，零件内外表面成椭球面，内型面不再加工，外形再经减薄加工保证整体厚度均匀性，需要满足内外形同轴度要求以及椭球面母线方向上各圆周的壁厚精度公差。该壳体常规工艺方法为板材经旋压内外形成为椭球面，取下模具，热处理后采用化铣削工艺进行外表面均匀壁厚减薄加工，实现零件母线方向各圆周壁厚公差控制，整体重量控制。然而零件直径尺寸结构达3m以上，板材成型过程中，材料各项异性分布不均，变形规律难以控制，母线方向各圆周的内型面与模胎存在不同程度的无法预测与观察的不贴模现象，导致成型后零件形面呈现出极为复杂的不规则母线形面；若取下模具，放置或热处理后零件变形进一步加大，采用化学铣削或其他工艺方法难以精确控制不同母线方向的均匀加工，每一件产品需要反复多次加工，极大地增加工作量，单件产品加工周期半个月，且化学铣削工艺对环境影响极大，不适应未来绿色与智能制造的发展目标。为解决以上难题，研究了一种零件经过整体成型后，在数控设备上重构均匀减薄加工模型，增加机加模块装置实现主轴跳动与误差补偿、利用数控编程进行均匀减薄加工的方法。本发明可适用于旋压/铸造等成型方式的毛坯，替代了化铣减薄工艺，满足了不规则形面均匀减薄加工与重量控制的要求，降低了生产周期与成本，推进了绿色先进制造的发展。
目前针对大型薄壁零件的均匀减薄加工，主要采用化学铣削，然而化学铣削精度较差，环境污染大，生产周期长。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工方法及装置。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工方法，包括以下步骤：
对不规则外形面壳体毛坯形面进行测量，生成均匀减薄加工模型；
构建车削坐标系，以尾部顶紧装置与零件接触面中心作为坐标原点；
根据均匀减薄加工模型得到的最高点加工曲线进行对刀和分层式加工；
在刀架基体与刀具安装区上安装可转位车刀，调节进给调整器以调整分层车削进给量；同时调整刀杆偏移调节器以保证车刀中心与主轴平齐；
以壳体外形未加工区接触滚轮组件，同时对壳体零件外形面进行划分，调整刀架转位座，以使刀架与刀具角度与毛坯切削区域的曲率相适应，通过机床控制系统带动整个车削加工装置实现数控运动；
根据均匀减薄加工模型得到的最低点加工曲线对壳体零件进行精加工。
进一步地，所述对不规则外形面壳体毛坯形面进行测量的方法为：
构建母线截面坐标系；
设置测量探头，以刀尖为对刀基准，进行坐标系校对；
沿母线截面上划线间隔Xmm标记，确定每一个待测量的圆周截面；
以两个百分表测量每一圆周截面上最高点与最低点的点位坐标值；
采用超声波测厚仪测量每一个圆周截面上最高点与最低点的对应壁厚值。
进一步地，所述生成均匀减薄加工模型的方法为：
根据测量的最高点与最低点的点位坐标值和对应壁厚值计算加工曲线的散点值分布，生成均匀减薄加工模型。
进一步地，所述加工曲线Cn(Xcn，Zcn)表示为：
Figure BDA0002814475900000031
Figure BDA0002814475900000032
其中，Xan、Zan分别为板材成型后毛坯实际外形面上点An的横坐标和纵坐标，ΔSn为点An与加工曲面上点Cn之间的距离，ΔDn为点Cn与板材成型后实际内型面上点Bn之间的距离。
第二方面，本发明还提供了一种大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工装置，包括壳体减薄加工大端固定装置、内型面模胎、壳体减薄加工小端尾部顶紧装置、数控系统和均匀减薄加工装置；
所述壳体减薄加工大端固定装置用于通过壳体翻边与模胎固定零件壳体大端；
所述壳体减薄加工小端尾部顶紧装置用于顶紧零件壳体小端；
所述内型面模胎用于支撑旋压和减薄加工；
所述旋压系统对零件壳体进行旋压加工；
所述数控系统和均匀减薄加工装置用于根据均匀减薄加工模型得到的最高点和最低点加工曲线对壳体零件进行加工。
进一步地，所述壳体减薄加工大端固定装置包括上弧面压板、下弧面压板和标准螺钉。
进一步地，所述壳体减薄加工小端尾部顶紧装置包括尾部顶紧装置本体和尾部顶紧装置与壳体安装孔。
进一步地，所述均匀减薄加工装置包括调节弹簧、刀架基体与刀具安装区、第一螺钉、滚轮组件、转位座、定位销、安装座组件、进给调节器、减薄加工装置与设备本体安装基面、设备本体、第二螺钉、螺母和刀杆偏移调节器。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过生成可编程的均匀减薄模型，结合毛坯曲率变化规律，利用分段式与分层式车削方法，完成某铝合金干切工艺；在数控设备上设计并直接增加一套壳体毛坯均匀减薄加工装置系统，当用于旋压设备中，可用于旋压毛坯，替代了零件旋压取下热处理变形后采用化铣工艺减薄加工的技术难点，用于普通数控设备，可满足铸造成型毛坯均匀减薄；本发明满足分段式与分层式车削工艺要求，满足大端刚性夹紧工艺需求，解决车削过程中，主轴跳动带来的误差，实现精度补偿，实现零件均匀减薄加工，满足重量与精度要求。
附图说明
图1为本发明的加工装置结构示意图；
图2为本发明实施例中旋压系统和均匀减薄加工装置结构示意图；
图3为本发明实施例中均匀减薄加工装置安装示意图；
图4为本发明实施例中均匀减薄加工装置安装俯视图；
图5为本发明实施例中壳体减薄加工大端固定装置结构示意图；
图6为本发明实施例中壳体减薄加工小端尾部顶紧装置结构示意图；
图7为本发明实施例中母线截图示意图；
图8为本发明实施例中圆周截图示意图；
图9为本发明实施例中简化的实际加工形面示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明针对的对象为某新型铝合金板材，内型面采用椭球面模胎支撑，外形面采用尾部顶压工装，通过旋压成与内型面椭球形面一致的待加工零件，为均匀减薄加工提供毛坯。
壳体毛坯成型后，受制于零件材料各项异性分布不均以及残余应力的重新分布，沿着椭球面母线方向，零件内型面各处存在距离不等的不贴模胎情况，同时沿母线方向壁厚分布不均匀，呈现出一种复杂不规则的母线曲面。此外，主轴存在圆周跳动，零件在圆周方向加工中必须补偿主轴跳动误差。
针对以上技术问题，本发明首先研究了成型后毛坯变形情况特点，合理的测量内外形面关键数据点，以非加工的内型面为基准，结合数学方法，形成可编程的均匀减薄模型；在模型基础上开展大型毛坯壳体均匀减薄工艺研究，结合毛坯曲率变化规律，利用分段式与分层式车削方法，完成某铝合金干切工艺；在数控设备上设计并直接增加一套壳体毛坯均匀减薄加工装置系统，替代了零件旋压取下热处理变形后采用化铣工艺减薄加工的技术难点，满足分段式与分层式车削工艺要求，满足大端刚性夹紧工艺需求，解决车削过程中，主轴跳动带来的误差，实现精度补偿，实现零件均匀减薄加工，满足重量与精度要求。
本发明实施例提供了一种大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工方法，包括以下步骤：
对不规则外形面壳体毛坯形面进行测量，生成均匀减薄加工模型；
构建车削坐标系，以尾部顶紧装置与零件接触面中心作为坐标原点；
根据均匀减薄加工模型得到的最高点加工曲线进行对刀和分层式加工；
在刀架基体与刀具安装区上安装可转位车刀，调节进给调整器以调整分层车削进给量；同时调整刀杆偏移调节器以保证车刀中心与主轴平齐；
以壳体外形面未加工区接触滚轮组件，同时对壳体零件外形面进行划分，调整刀架转位座转动，带动整个车削加工装置转动；
根据均匀减薄加工模型得到的最低点加工曲线对壳体零件进行精加工。
在本发明实施例中，如图1所示，壳体毛坯外形面变形不规则，尺寸极大，沿椭球面曲线方向，内型面不同区域存在贴胎间隙，内型面非椭球面，壁厚分布不均匀。需精准测量内型面实际分布，同时在法线方向偏移获得均匀壁厚的数控加工曲面。
如附图7所示，截面Z-On-X中，截面曲线A是板材成型后毛坯实际外形面，曲线B是板材成型后实际内型面，曲线C是在曲线B基础上偏移需要满足的壳体壁厚△D形成的实际数控加工曲面，属于最终车削形面，△S为采用超声波测厚仪，测量的不同A点位壁厚数据。
如附图8所示，为Z-On-Y截面，因壳体毛坯圆周方向上变形，零件在圆周方向呈现不规则近似椭圆的形状，圆周方向满足壁厚均匀性误差≤XXmm；采用两块百分表，沿着不同曲率方向测量圆周截面外表面的坐标最高点Anmax、最低点Anmin。
本发明对不规则外形面壳体毛坯形面进行测量的方法为：
构建母线截面坐标系；以坐标系On，n＝0时为坐标原点(0，0，0)，A0位于On，n＝0时Z-On-Y截面上；
设置测量探头，以刀尖为对刀基准，进行坐标系校对；
沿母线截面Z-On-X上划线间隔标记，确定每一个待测量的圆周截面Z-On-Y；
使用两个百分表倾斜布置，测量每一圆周截面上最高点与最低点的点位坐标值；
采用超声波测厚仪测量每一个圆周截面Z-On-Y上最高点Anmax与最低点Anmin的对应壁厚值。
本发明生成均匀减薄加工模型的方法为：
如图9所示为简化的实际加工形面计算模型，当Xn方向取点足够密集(Xan的间隔小于XXmm)时，认为直线段
Figure BDA0002814475900000071
为点An的切线，An点的法线为
Figure BDA0002814475900000072
设直线
Figure BDA0002814475900000073
方程为：
Z＝k'x+m
则有：
Figure BDA0002814475900000074
Figure BDA0002814475900000081
直线
Figure BDA0002814475900000082
与
Figure BDA0002814475900000083
为垂直关系，则有：
Figure BDA0002814475900000084
由上可得加工曲线Cn(Xcn，Zcn)表示为：
Figure BDA0002814475900000085
Figure BDA0002814475900000086
其中，Xan、Zan分别为板材成型后旋压毛坯实际外形面上点An的横坐标和纵坐标，ΔSn为点An与加工曲面上点Cn之间的距离，由超声波测厚仪测量获得；ΔDn为点Cn与板材旋压后实际内型面上点Bn之间的距离，由所需要切削的均匀减薄厚度人工制定。
采用MATLAB，通过输入测量的壁厚与坐标点位参数，求得最终的实际加工曲线Cn(Xcn，Zcn)的散点值分布，生成适用于数控编程的均匀减薄模型。
本发明通过上述方法获得了零件数控加工模型Cnmin以及最高点曲线模型Cnmax，在均匀减薄加工中：
首先设置车削坐标系，以A0为坐标原点定位，该点位于尾顶与零件接触面中心；
以最高点Cnmax曲线编程点位进行对刀与分层式加工，加工方向从小端至大端为车削，避免因壳体外形面不规则导致车刀一次性切深过大带来的问题；
在刀架基体与刀具安装区上安装可转位车刀，调节进给调整器，实现分层车削进给量调整；调整刀杆偏移调节器，保证车刀中心与主轴平齐，保证加工精度；
以壳体未加工面接触滚轮组件，同时对壳体零件外形面进行划分，调整刀架转位座转动，依靠机床控制机构带动整个车削装置转动。切削过程中根据刀具、滚轮与零件外形面接触情况进行转动调整，满足刀具中心线与壳体接触点法线方向角度＜20°，此时滚轮与零件外形面接触良好，保证了良好的切削与滚轮仿形；
完成Cnmax曲线的粗加工后，以数控加工模型Cnmin开展精车加工，实现零件整体均匀减薄加工，满足壁厚公差、表面质量和减重要求；
零件减薄加工主要为铝合金干切，局部采用固体润滑剂润滑，车削小端主轴转速适当增大，车削大端控制主轴转速较小，保证断屑，避免粘刀。
本发明实施例还提供了一种大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工装置，包括壳体减薄加工大端固定装置、内型面模胎、壳体减薄加工小端尾部顶紧装置、数控系统和均匀减薄加工装置；
其中壳体减薄加工大端固定装置用于通过壳体翻边与模胎固定零件壳体大端；
壳体减薄加工小端尾部顶紧装置用于顶紧零件壳体小端；
内型面模胎用于支撑旋压和减薄加工；
旋压系统对零件壳体进行旋压加工；
数控系统和均匀减薄加工装置用于根据均匀减薄加工模型得到的最高点和最低点加工曲线对壳体零件进行加工。
如图1所示，壳体减薄加工大端固定装置1-0由上弧面压板1-1、下弧面压板1-2、标准螺钉组成，通过壳体翻边与模胎，利用上弧面压板1-1安装螺钉位置，实现拉紧，避免整体加工中零件的位置变动。
内型面模胎2-0用于旋压和减薄加工支撑。
旋压后壳体零件3-0为不规则母线形面，属于回转体。
圆柱形小端的尾部顶紧装置4-0由尾部顶紧装置与壳体安装孔4-1和尾部顶紧装置本体4-2组成，通过螺钉安装后顶紧。
如图2所示，旋压系统5-0用于旋压和减薄加工制成。
均匀减薄加工装置6-0包含调节弹簧6-1、刀架基体与刀具安装区6-2、内六角圆柱头螺钉6-3、滚轮组件6-4、转位座6-5、定位销6-6、安装座组件6-7、进给调节器6-8、减薄加工装置与设备本体安装基面6-9、设备本体6-10、内六角圆柱头螺钉6-11、I型六角螺母6-12、刀杆偏移调节器6-13。
其中调节弹簧6-1用于主轴转动时，圆周方向产生跳动，滚轮组件受压，推动弹簧系统，保证刀架系统整体跟随跳动，实现跳动补偿与仿形。
刀架基体与刀具安装区6-2用于安装可转位车刀。
滚轮组件6-4采用深沟球轴承，滚轮表面弧面与壳体零件弧面一致，用于实现圆周方向跳动补偿的仿形，与刀尖距离可调，保证仿形效果与排屑要求。
转位座6-5通过螺钉、定位销，可实现转动，满足刀架与壳体外表面法线角度的调整。
进给调节器6-8用于调整刀具进给量。
刀杆偏移调节器6-13用于调整刀具与主轴相对位置高度。
以一种旋压后整体直径3米，厚度10～14mm分布的壳体零件为对象，目标整体壁厚要求加工至7mm。
以尾顶4-0下端面压紧壳体小端，以1-0固定壳体大端；以尾顶下端面中心点A0为对刀坐标系基准点。
使用两块百分表倾斜特定角度，沿着毛坯外表面曲线A，间隔5毫米划线A1，A2，A3，An；
沿着小端到大端母线方向，以百分表测量曲线A周向最高点Anmax、最低点Anmin坐标，以及该点法线方向的壁厚值ΔSn，同时根据待加工壁厚7mm的要求，计算实际加工曲线Cn(Xcn，Zcn)，包括了Cnmax，Cnmin曲线坐标，逆重构生成两条加工曲线。
以最高点Cnmax曲线编程点位进行对刀与分层式加工，加工方向从小端至大端；调整6-13刀杆偏移调节器，保证车刀中心与主轴平齐，保证加工精度；
6-2刀架基体与刀具安装区上安装可转位车刀，调节6-8进给调整器，粗车Cnmax曲线吃刀量1mm，转速小端50r/min，大端30r/min；
以壳体未加工面接触6-4滚轮组件，同时对壳体零件外形面进行划分，按照角度15°、30°、45°、60°调整刀架转位座6-5转动，带动整个车削装置转动。切削过程中根据刀具、滚轮与零件外形面接触情况进行转动调整，满足刀具中心线与壳体接触点法线方向角度＜20°，此时滚轮与零件外形面接触良好，滚轮带动了整个刀具系统周向跳动补偿了误差，实现了良好的切削与误差补偿。
调整6-8进给调整器，精车吃刀量0.5mm，转速小端40r/min，大端30r/min，以数控加工模型Cnmin开展精车加工，实现零件整体均匀减薄加工，满足壁厚公差、表面质量和减重要求。
零件减薄加工主要为铝合金干切，局部采用固体润滑剂润滑。最终零件整体壁厚满足7mm±0.2的尺寸要求。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
对不规则外形面壳体毛坯形面进行测量，生成均匀减薄加工模型；
构建车削坐标系，以尾部顶紧装置与零件接触面中心作为坐标原点；
根据均匀减薄加工模型得到的最高点加工曲线进行对刀和分层式加工；
在刀架基体与刀具安装区上安装可转位车刀，调节进给调整器以调整分层车削进给量；同时调整刀杆偏移调节器以保证车刀中心与主轴平齐；
以壳体未加工外形面接触滚轮组件，同时对壳体零件外形面进行划分，调整刀架转位座，以使刀架与刀具角度与毛坯切削区域的曲率相适应，通过机床控制系统带动整个车削加工装置实现数控运动；
根据均匀减薄加工模型得到的最低点加工曲线对壳体零件进行精加工。
2.根据权利要求1所述的大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工方法其特征在于，所述对不规则外形面壳体毛坯形面进行测量的方法为：
构建母线截面坐标系；
设置测量探头，以刀尖为对刀基准，进行坐标系校对；
沿母线截面上划线间隔标记，确定每一个待测量的圆周截面；
使用两个百分表倾斜布置，测量每一圆周截面上最高点与最低点的点位坐标值；
采用超声波测厚仪测量每一个圆周截面上最高点与最低点的对应壁厚值。
3.根据权利要求2所述的大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工方法，其特征在于，所述生成均匀减薄加工模型的方法为：
根据测量的最高点与最低点的点位坐标值和对应壁厚值计算加工曲线的散点值分布，生成均匀减薄加工模型。
4.根据权利要求3所述的大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工方法，其特征在于，所述加工曲线Cn(Xcn，Zcn)表示为：
Figure FDA0002814475890000021
Figure FDA0002814475890000022
其中，Xan、Zan分别为板材成型后毛坯实际外形面上点An的横坐标和纵坐标，ΔSn为点An与加工曲面上点Cn之间的距离，ΔDn为点Cn与板材成型后实际内型面上点Bn之间的距离。
5.一种大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工装置，其特征在于，包括壳体减薄加工大端固定装置、内型面模胎、壳体减薄加工小端尾部顶紧装置、数控系统和均匀减薄加工装置；
所述壳体减薄加工大端固定装置用于通过壳体翻边与模胎固定零件壳体大端；
所述壳体减薄加工小端尾部顶紧装置用于顶紧零件壳体小端；
所述内型面模胎用于支撑旋压和减薄加工；
所述旋压系统对零件壳体进行旋压加工；
所述数控系统和均匀减薄加工装置用于根据均匀减薄加工模型得到的最高点和最低点加工曲线对壳体零件进行加工。
6.根据权利要求5所述的大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工装置，其特征在于，所述壳体减薄加工大端固定装置包括上弧面压板、下弧面压板和标准螺钉。
7.根据权利要求6所述的大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工装置，其特征在于，所述壳体减薄加工小端尾部顶紧装置包括尾部顶紧装置本体和尾部顶紧装置与壳体安装孔。
8.根据权利要求7所述的大型不规则母线形面壳体均匀减薄加工装置，其特征在于，所述均匀减薄加工装置包括调节弹簧、刀架基体与刀具安装区、第一螺钉、滚轮组件、转位座、定位销、安装座组件、进给调节器、减薄加工装置与设备本体安装基面、设备本体、第二螺钉、螺母和刀杆偏移调节器。
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