CN113084560B - 一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置与基准对齐方法 - Google Patents

一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置与基准对齐方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置与基准对齐方法，柔性支撑装置包括外方箱、中间立柱、环形支撑板和内支撑组件，其中：所述外方箱与中间立柱按照等角度均布放置于机床平面；所述环形支撑板安装在外方箱顶面；在所述环形支撑板上安装内支撑组件，内支撑组件的顶端放置在中间立柱顶面。本发明的柔性支撑装置具有大型薄壁球面件的变形毛坯大端校形、提升整体刚性、柔性支撑变型内形面的作用，大大提高了加工的可靠性；通过柔性支撑工装的内外基准，采用非接触激光扫描数据完成坐标系基准对齐，实现了内形面基准重构与加工坐标系拟合，该方法精度高，提供了数控加工模型，实现了化铣工艺替代为整体数控加工。

Description

一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置与基准对齐方法
技术领域
本发明涉及数控加工领域，具体涉及一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置与基准对齐方法。
背景技术
新型航空航天飞行器朝着满足极端环境下使用、高可靠性的方向发展，一种轻质化、高强度的整体大型薄壁球面件属于关键部件，为了满足产品的高性能指标，该类结构件替代了以往拼接装焊的方式，采用整体旋压/铸造等一体化成型方式，同时完成热处理满足高力学性能要求，随后完成外球面各类复杂特征的大余量去除整体加工，满足以非加工内形面为基准下外球面的各特征尺寸精度。然而，采用整体成型与热处理工艺，毛坯整体应力分布极其复杂，内形面基准变化复杂且无规律，球面结构刚强度极高无法采用传统工装校形与真空吸附等完成贴模，且后续进行外球面特征加工，去除余量大，加工中应力平衡进一步破坏，变形难以控制。因结构与工艺性的特点，目前大型薄壁球面件的加工主要通过工人以手持式样板完成型面比对，后通过划线确定基准，采用多次化学铣削逐层进行外球面特征加工，该过程需要对每一层加工情况进行检测比对，手动调整化铣参数，该方法的表面质量与整体重量难以控制，往往需要依靠大量人工打磨，工作量大，制造周期长，精度难保证，同时化铣工艺对环境污染大，不适用于未来面向大批量制造的模式。为了满足该类大型薄壁球面件整体高效、高精度加工的需求，亟待提供一种兼容不同变型毛坯的大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置、内型面基准测量与基准对齐的方法，满足后续大型薄壁球面件外球面特征整体数控加工的要求。
经检索对比，目前行业内针对大型薄壁件的整体加工中，主要通过设计各类内撑装置或真空吸附装置，实现形面校正后采用设计模型加工，而本发明所研究的大型薄壁球面件不同于各类筒段、蒙皮结构，因结构总体刚强度高，同时零件整体成型应力水平复杂，无法实现完全校形支撑与真空吸附。因产品结构特点，常用的外轮廓测量，保证外轮廓剩余壁厚的方法又难以运用在本发明的大型薄壁球面件内形面特征测量中，目前主要采用人工化铣工艺进行制造。目前研究尚未提及面向内形面变形后的大型薄壁球面件柔性支撑方案与外球面特征数控加工的方法。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明针对整体成型后的大型薄壁球面件外球面大余量去除及特征加工，提供了适用于通用数控设备下的一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置与基准对齐方法，用于满足成型与热处理工序后的变形内形面柔性可调支撑、内形面基准测量与数控加工坐标对齐匹配，该方法可满足数控加工的要求，替代传统化铣工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置，包括外方箱、中间立柱、环形支撑板和内支撑组件，其中：
所述外方箱与中间立柱按照等角度均布放置于机床平面；
所述环形支撑板安装在外方箱顶面；
在所述环形支撑板上安装内支撑组件，内支撑组件的顶端放置在中间立柱顶面。
本发明还提供了一种大型薄壁球面件加工的基准对齐方法，包括如下步骤：
步骤一、将工件毛坯稳定安装于柔性支撑装置上；
步骤二、采集柔性支撑状态下工件毛坯的内形面数据：
以非接触式激光扫描，完成工件毛坯内形面每一纵筋条间隔内区域的数据采集，测量路径从小端至大端，最后完成内部扫描特征基准的扫描；
步骤三、建立工件毛坯的整体内形面模型及内部扫描基准坐标系；
步骤四、完成内部扫描基准坐标系与外部坐标系基准对齐；
步骤五、重构模型在柔性支撑装置上的加工。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为大型薄壁球面件采用整体数控铣削完成外球面加工。零件整体成型与热处理后内形面基准变形复杂且不规律，无法采用设计模型完成数控加工，同时零件结构属于大型薄壁件，外球面大余量去除与特征加工极易发生颤振及变形。本发明的方法，设计了一种适应内形面变形的柔性支撑装置，装置主要包括内支撑组件、方箱组件、顶部圆压板组件、环形支撑组件，外圈压紧环组件。首先将工装放置于外方箱上，采用雷尼绍探头完成环形支撑板外部基准特征检测，以此完成加工坐标系建立；放置工件毛坯，完成小端顶部圆压板支撑装夹；工件毛坯大端采用外圈压紧环，通过带自锁功能的弧形小压块实现大端局部校形与装夹固定；在内支撑工装上，采用特制球面螺钉与非金属贴合层弧板完成内形面柔性支撑，实现工件整体立式装夹；环形支撑板位具有外部与内部扫描特征基准，采用非接触式激光测量，以连续并分区域方式，完成不同内形面与内部特征基准的测量，获得点云数据；完成点云数据处理与内形面拟合，提取内部扫描特征基准，以环形支撑板内部扫描特征基准与外部基准的几何关系，采用最佳拟合方式，完成测量模型与加工坐标系的对齐匹配，获得可用于数控加工要求的内形面与坐标系模型；最后通过数控铣削完成大型薄壁球面件的外球面特征加工。
本发明设计一种柔性支撑装置，具有大型薄壁球面件的变形毛坯大端校形、提升整体刚性、柔性支撑变型内形面的作用，大大提高了加工的可靠性；具有装夹后外部机床探测特征、内形激光扫描基准特征；具有适应不同母线高度的外圈压紧结构，进一步提升了装置兼容性；通过柔性支撑工装的内外基准，采用非接触激光扫描数据完成坐标系基准对齐，实现了内形面基准重构与加工坐标系拟合，该方法精度高，提供了数控加工模型，实现了化铣工艺替代为整体数控加工。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的柔性支撑装置与毛坯示意图；
图2为本发明的外方箱示意图；
图3为本发明的内支撑组件示意图；
图4为本发明的中间立柱示意图；
图5为本发明的顶部圆压板示意图。
图6为本发明的环形支撑板示意图；
图7为本发明的弧形小压块示意图，其中：(1)为立体图，(2)为侧面图，(3)为截面图；
图8为本发明的外圈压紧环示意图；
图9为本发明的坐标系建立示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置，如图1所示，包括：机床平面1、外方箱2、内支撑组件3、毛坯4、中间立柱5、顶部圆压板6、定位销7、环形支撑板8、弧形小压块9、外圈压紧环10、顶部连接螺钉11等；其中：
所述外方箱2的结构如图2所示，包括：外方箱顶面2-1，用于放置环形支撑板，提供整个工装系统承重，要求安装后平面度不大于0.05；外方箱顶面安装孔2-2，用于外方箱与环形支撑板的安装，每个外方箱上布置2个安装孔；外方箱底面2-3，用于放置在机床平面上。
所述中间立柱5的结构如图4所示，包括：中间立柱顶面5-1，为内支撑组件小端的安装面，要求平面度不大于0.05；中间立柱底面5-2，用于放置在机床平面上。
外方箱2和中间立柱5组成方箱组件；顶部圆压板6和顶部连接螺钉11组成顶部圆压板组件；定位销7和环形支撑板8组成环形支撑组件；弧形小压块9和外圈压紧环10组成外圈压紧环组件。
所述内支撑组件3的结构如图3所示，包括：纵筋支撑区3-1，用于在纵向支撑零件内形面区域，其曲面形面与零件内形面理论形面一致，与零件内形面留有20mm余量用于适应变形；顶部安装面3-2，用于顶部与顶部圆压板共同对零件小端进行压装固定；横筋支撑区3-3，用于在横向支撑零件内形面区域，曲面形面与零件内形面一致，与零件内形面留有20mm余量用于适应变形；底筋安装面3-4，用于内支撑组件在环形支撑板上定位、螺接固定的区域，沿圆周方向均布8处；大端安装区3-5，用于内支撑组件放置于环形支撑板的区域，提供内支撑组件与零件的承力功能；非金属贴合层，用于在纵筋与横筋支撑区内填充，其形面适应零件的变形，厚度可按需调整；特制球头螺钉3-7，螺钉前端通过车削加工为球形，同时增加有效螺纹深度，通过调节螺钉前端球头区3-6，顶紧非金属贴合层与零件内形面，同时采用高温合金材料增强硬度，球头与非金属支撑避免了破坏零件形面，同时避免加工过程变形导致的螺钉连接失效。
所述顶部圆压板6的结构如图5所示，包括：顶部螺钉安装孔6-1，用于将顶部圆压板、零件毛坯、内支撑组件通过顶部螺钉相连；顶部圆压板下安装面6-2，用于压装零件小端局部区域，与椭球面形面一致。
所述环形支撑板8的结构如图6所示，包括：内部扫描特征基准8-1，每一处内部扫描特征基准共有4个大小一致的通孔，沿轴线对称，用于测量后识别零件特征对齐；定位销孔8-2，用于将环形支撑板与内支撑组件定位安装，均布8处；外部扫描特征基准8-3，与内部扫描特征基准对应，每一处分布两个大小一致通孔，沿轴线对称，通过与内部扫描基准的几何关系，通过雷尼绍探头与扫描数据辅助实现坐标对齐；螺钉孔8-4，用于将环形支撑板安装于外方箱2上；上安装面8-5，为内支撑组件大端安装区3-5的匹配面；下安装面8-6，与外方箱顶面2-1安装。
所述弧形小压块9的结构如图7所示，包括：外圈面9-1，通过螺钉与外圈压紧环共同施加向心力对零件进行一定程度的校形与固定；顶紧螺纹孔9-2，通过外圈压紧环顶紧光孔10-3与螺钉实现对弧形小压块的向内顶紧作用；内圈面9-3，内圈面为弧形，形面与大端区理论椭球方程一致，通过螺钉施加力能够对零件进行固定与局部校形。
所述外圈压紧环10的结构如图8所示，包括：外圈压紧环上安装面10-1，当零件大端距离赤道线位置不同时，可调整多块外圈环进行叠加安装；外圈压紧环下安装面10-2，最下面的外圈压紧环用于与环形支撑板连接，其余的与另一块外圈压紧环上安装面连接；顶紧光孔10-3，沿圆周方向均布布置，用于与螺钉实现对弧形小压块向内顶紧；上安装面连接孔10-4，用于多块外圈压紧环的连接。
所述柔性支撑装置对大型薄壁球面件毛坯的柔性支撑与装夹包括如下步骤：
第一步：安装方箱组件于机床平面
将外方箱2与中间立柱5在加工中心中按照等角度均布放置，保证其整体稳定放置于机床平面1上，对外方箱2的表面进行平面铣削光整，满足后续工装整体平面度要求；
第二步：安装环形支撑组件
将环形支撑板8的下安装面8-6放置于外方箱2平面上，调整环形支撑板象限位置，采用机床雷尼绍测头测量环形支撑板外部扫描特征基准8-3，按照右手法则建立数控加工坐标系X1Y1Z1；通过压板实现环形支撑板8与外方箱2稳固连接；
第三步：安装内支撑组件
将内支撑组件3放置于环形支撑板上安装面8-5，内支撑组件底筋安装面3-4、大端安装区3-5与环形支撑板上安装面8-5通过定位销7与定位销孔8-2配合完成定位，通过螺接完成内支撑组件3与环形支撑板8的安装；
第四步：安装工件毛坯
将毛坯4放置在环形支撑板8上，调节并采用顶部圆压板6与顶部安装面3-2接触，利用顶部连接螺钉11完成零件小端区域压紧；将外圈压紧环10安装在环形支撑板8上采用螺钉孔8-4螺接固定，内部采用带有自锁功能的弧形小压块9，通过周向螺钉施加顶紧力，结合环形支撑板上安装面8-5上的刻线位置，在弧形小压块9作用下完成毛坯4外形大端的局部校形与固定；根据不同毛坯4的母线长度区别，可对外圈压紧环10按需叠加，兼容性强；内支撑组件3，首先根据不同变形程度的毛坯情况，在纵筋支撑区3-1与横筋支撑区3-3选用不同厚度且与内支撑筋条弧度一致的非金属贴合层，顶紧的顺序为：在内部区域采用特制球头螺钉3-7，首先完成毛坯小端顶紧，后完成大端区域顶紧，最后调节中间区域顶紧，特制球头螺钉3-7实现非金属贴合层与毛坯内形面贴合，非金属材质增强了局部刚性，具有变形抗力和柔性，避免内形面破坏，特制球头螺钉保证了型面无破损，最终实现零件柔性支撑与装夹。
本发明还提供了一种大型薄壁球面件内形基准目标面测量的基准对齐方法：
第一步：完成扫描特征基准与形面激光测量
在毛坯4稳定安装于柔性支撑装置上后，以非接触式激光扫描，完成毛坯4内形面每一纵筋条间隔内区域的数据采集，测量路径从小端至大端，最后完成内部扫描特征基准8-1的扫描；按照激光测量数据空间连续性的要求，顺时针依次顺序完成不同象限下零件内形面与内部扫描基准的测量，该方法效率高，准确性好，实现了工装夹持下的不规则内形面数据获取；
第二步：完成模型处理与内部扫描基准特征坐标系建立
提取非接触式激光扫描点云数据，利用Geomagic平台完成点云去噪与每一筋条间隔区域的形面拟合，以样条曲线拟合完成每个区域内形面的拼接，形成整体内形面模型；提取4个象限下内部扫描特征基准8-1的下顶面与轴线特征，轴线分中建立两两垂直的平面，最终创建完成内部扫描基准坐标系X1'Y1'Z1'；
第三步：完成内部坐标系与外部坐标系基准对齐
将扫描模型及坐标系X1'Y1'Z1'导入加工坐标系X1Y1Z1中，以环形支撑板上内部扫描特征基准8-1与外部扫描特征基准8-3的几何关系，完成相对位置的偏移对齐；扫描后形面坐标不可避免的存在几何误差，空间上呈现非正交关系的三个平面无法完全匹配。首先完成底面平面O1X1Y1与O1'X1'Y1'的完全重合对齐，再利用最佳拟合算法，设置容差与偏移角度ε，完成Z1O1Y1与Z1'O1'Y1'、Z1O1X1与Z1'O1'X1'的自动匹配，该方法可控制误差在加工容差允许范围内，效率高，实现了测量模型重构与机床坐标系下的对齐匹配，满足大型薄壁球面件外球面加工的要求。如图9所示。
第四步：重构模型在柔性支撑工装下加工
通过建立的坐标系与模型实现数控程序编制，完成大型薄壁球面件的外球面各类特征铣削加工，过程中通过雷尼绍测头与超声波测厚仪完成加工尺寸检测。
下面对本发明的具体实施方式进行描述：
实施例中，大型薄壁球面件毛坯通过整体旋压成型，材料为高强铝合金，直径3000mm，高度1000mm，成型后厚度分布为12～18mm。
安装方箱组件于机床平面：根据毛坯大小，将8个外方箱2与中间立柱5在加工中心中等角度均布放置于机床平面1，对外方箱2表面铣削见光，保证整体平面度0.05mm以内；
安装环形支撑组件：环形支撑板下安装面8-6放置于外方箱2平面上，采用雷尼绍测头完成外部扫描特征基准8-3在4个象限处的测量，计算各特征中点后建立两两垂直平面X1Y1，X1Z1，Y1Z1，按照右手法则建立数控加工坐标系X1Y1Z1；压板固定外方箱2与环形支撑板8，雷尼绍探头对环形支撑板上表面检测，保证平面度0.05mm以内。
安装内支撑组件：将内支撑组件3放置于环形支撑板上安装面8-5，内支撑组件底筋安装面3-4、大端安装区3-5与环形支撑板上安装面8-5通过定位销7完成定位，通过螺接完成内支撑组件3与环形支撑板8的安装；
安装工件毛坯：将毛坯4放置在环形支撑板8上，调节并采用顶部圆压板6与顶部安装面3-2接触，利用顶部连接螺钉11完成零件小端区域压紧；计算毛坯母线长度，采用1个外圈压紧环10安装在环形支撑板8上采用螺钉孔8-4螺接固定，内部周向采用32个弧形小压块9，通过周向螺钉施加顶紧力，结合环形支撑板上安装面8-5上的刻线位置，在弧形小压块9作用下完成毛坯4外形大端的局部校形与固定，大端校形后毛坯在各象限的变形范围满足5mm以内；在纵筋支撑区3-1与横筋支撑区3-3选用不同厚度且与内支撑筋条弧度一致的非金属贴合层，在内部区域采用特制球头螺钉3-7实现非金属贴合层与毛坯内形面贴合，非金属材质增强了局部刚性，具有变形抗力和柔性，结合特制球头螺钉避免内形面破坏，最终实现零件柔性支撑与装夹；
柔性支撑状态下毛坯内形面测量：以非接触式激光扫描，扫描过程按照激光测量空间连续性的要求，以顺时针方向完成全部内形检测，完成毛坯4内形面每一纵向筋条区域内的数据采集，共分为6次采集，测量路径从毛坯小端至大端，然后完成内部扫描特征基准8-1扫描；
完成扫描模型处理与内部扫描基准坐标系建立：提取非接触式激光扫描点云数据，利用Geomagic平台完成点云去噪与每一筋条间隔区域的形面拟合，以样条曲线拟合完成每个区域内形面的拼接，形成整体内形面模型，经过误差分析比对，扫描与重构拟合型面误差均值0.1mm以内，满足机加要求；提取4个象限下内部扫描特征基准8-1的下顶面与轴线特征，轴线分中后建立两两垂直的平面X1'Y1'，X1'Z1'，Y1'Z1'，最终创建完成内部扫描基准坐标系X1'Y1'Z1'；
完成内部坐标系与外部坐标系基准对齐：将扫描模型及坐标系X1'Y1'Z1'导入加工坐标系X1Y1Z1中，以环形支撑板上内部扫描特征基准8-1与外部扫描特征基准8-3的几何关系，完成相对位置的偏移对齐；扫描后形面坐标不可避免的存在几何误差，空间上呈现非正交关系的三个平面无法完全匹配。首先完成底面平面O1X1Y1与O1'X1'Y1'的完全重合对齐，再利用最佳拟合算法，设置容差与偏移角度ε＜0.1，完成Z1O1Y1与Z1'O1'Y1'、Z1O1X1与Z1'O1'X1'的自动匹配，该方法可控制误差在加工容差允许范围内，效率高，实现了测量模型重构与机床坐标系下的对齐匹配，满足大型薄壁球面件外球面加工的要求。
重构模型在柔性支撑工装下加工：通过建立的坐标系与模型实现数控程序编制，完成大型薄壁球面件的外球面各类特征铣削加工，过程中通过雷尼绍测头与超声波测厚仪完成加工尺寸检测，经加工验证，大型薄壁球面件外球面特征加工未发生颤振，尺寸公差小于0.25mm，本发明的柔性支撑装置与基准对齐方法满足整体制造要求，替代了化铣工艺。

Claims (9)

1.一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置，其特征在于：包括外方箱、中间立柱、环形支撑板和内支撑组件，其中：
所述外方箱与中间立柱按照等角度均布放置于机床平面；
所述环形支撑板安装在外方箱顶面；
在所述环形支撑板上安装内支撑组件，内支撑组件的顶端放置在中间立柱顶面；
所述环形支撑板包括内部扫描特征基准、定位销孔、外部扫描特征基准、螺钉孔、上安装面和下安装面；所述内支撑组件包括纵筋支撑区、顶部安装面、横筋支撑区、底筋安装面和大端安装区；所述底筋安装面、大端安装区与环形支撑板上安装面通过定位销与定位销孔配合完成定位，通过螺接完成内支撑组件与环形支撑板的安装。
2.根据权利要求1所述的一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置，其特征在于：在对工件毛坯进行支撑和装夹时，将工件毛坯放置在所述环形支撑板上，利用顶部圆压板使工件毛坯与内支撑组件的顶部安装面接触，并利用连接螺钉完成工件毛坯小端区域压紧。
3.根据权利要求2所述的一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置，其特征在于：在所述环形支撑板上安装外圈压紧环，并进行螺接固定。
4.根据权利要求3所述的一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置，其特征在于：在所述外圈压紧环内部周向采用弧形小压块，通过周向螺钉施加顶紧力，结合环形支撑板上安装面上的刻线位置，在弧形小压块作用下完成工件毛坯外形大端的局部校形与固定。
5.根据权利要求2所述的一种大型薄壁球面件加工的柔性支撑装置，其特征在于：在内支撑组件的纵筋支撑区与横筋支撑区采用不同厚度且与内支撑筋条弧度一致的非金属贴合层，在内部区域采用球头螺钉实现非金属贴合层与工件毛坯内形面贴合。
6.一种大型薄壁球面件加工的基准对齐方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将工件毛坯稳定安装于柔性支撑装置上；
步骤二、采集柔性支撑状态下工件毛坯的内形面数据：
以非接触式激光扫描，完成工件毛坯内形面每一纵筋条间隔内区域的数据采集，测量路径从小端至大端，最后完成内部扫描特征基准的扫描；
步骤三、建立工件毛坯的整体内形面模型及内部扫描基准坐标系；
步骤四、完成内部扫描基准坐标系与外部坐标系基准对齐；
步骤五、重构模型在柔性支撑装置上的加工。
7.根据权利要求6所述的一种大型薄壁球面件加工的基准对齐方法，其特征在于：步骤三所述建立工件毛坯的整体内形面模型的方法为：提取非接触式激光扫描点云数据，利用Geomagic平台完成点云去噪与每一筋条间隔区域的形面拟合，以样条曲线拟合完成每个区域内形面的拼接，形成整体内形面模型。
8.根据权利要求6所述的一种大型薄壁球面件加工的基准对齐方法，其特征在于：步骤三所述建立内部扫描基准坐标系的方法为：提取4个象限下内部扫描特征基准的下顶面与轴线特征，轴线分中后建立两两垂直的平面X1'Y1'，X1'Z1'，Y1'Z1'，最终创建完成内部扫描基准坐标系X1'Y1'Z1'。
9.根据权利要求8所述的一种大型薄壁球面件加工的基准对齐方法，其特征在于：步骤四所述内部扫描基准坐标系与外部坐标系基准对齐的方法为：将整体内形面模型及内部扫描基准坐标系X1'Y1'Z1'导入加工坐标系X1Y1Z1中，以环形支撑板上内部扫描特征基准与外部扫描特征基准的几何关系，完成相对位置的偏移对齐；然后完成底面平面O1X1Y1与O1'X1'Y1'的完全重合对齐，再利用最佳拟合算法，设置容差与偏移角度ε，完成Z1O1Y1与Z1'O1'Y1'、Z1O1X1与Z1'O1'X1'的自动匹配，实现测量模型重构与机床坐标系下的对齐匹配。
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