CN113319653B - 一种大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法，所述方法包括如下步骤：制作翼构件切削专用加工工装；利用步骤一设计并研制的主特征辅助加工工装对仿形翼状毛坯进行装夹定位；步骤三：确定仿形翼状毛坯加工基准；仿形翼状毛坯的外形特征加工完成后，使用机床侧铣头转换工件主轴刀具夹持方向为原机床Y轴方向，使用φ10mm金刚石磨头加工仿形翼状毛坯的内腔型面、壁厚特征，得到未打特征孔的翼构件；将未打特征孔的翼构件放置在特征孔打孔专用工装的主体基座上，使用夹紧装置将工件紧固装夹，加工特征孔。本发明能够实现大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件的精确加工，从而为系列重点型号的飞行器的研制和生产提供了重要保障。

Description

一种大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料精密加工技术领域，尤其涉及一种大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法。

背景技术

随着航空、航天领域制造技术精度要求的不断提高，我国飞行器越来越趋向于强突防、快速机动和迅速反应等方向发展，陶瓷基复合材料因其优异的材料性能越来越多的应用于航空、航天领域。翼构件是飞行器的重要部件，是实现长时间、高机动飞行的关键，承担着控制飞行姿态、调整飞行方向等重要作用。翼构件选用陶瓷基复合材料，因材料本身所具有的高脆性、高硬度、非均质及各向异性等特点，加之翼构件薄壁、加工基准难以确定，导致其在加工时精度难以控制，主要体现在以下几个方面：

(1)该构件型面壁厚仅为3mm～5mm，长度尺寸达到米级，毛坯通过近净尺寸仿形工艺制备，加工余量仅为0.5mm～2mm，致使加工过程中装夹找正效率低、变形难以控制；

(2)该构件型面内腔采用狭窄半封闭深腔结构，内腔最大开口处仅为100mm左右，且加工深度近300mm，刀具操作空间狭小、且悬出长度近250mm，致使产品加工精度的控制要求高。

(3)该构件具有与开口方向垂直的特征孔，且尺寸、位置精度要求严格，无法使用常规的机械钻孔方式保证该特征孔的尺寸和位置精度。

(4)产品加工时，容易产生震颤，导致产品的尺寸精度控制难度大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法，有效的解决工件加工过程中变形大、定位基准难以确定、加工精度难以保证的难题，能够实现大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件的精确加工，从而为系列重点型号的飞行器的研制和生产提供了重要保障。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：制作翼构件切削专用加工工装；其中，翼构件切削专用加工工装包括主特征辅助加工工装和特征孔打孔专用工装；其中，所述主特征辅助加工工装包括主体基座、支撑嵌块、重力压块和弓形夹具；所述特征孔打孔专用工装包括主体基座、角度转接头和夹紧装置；

步骤二：利用步骤一设计并研制的主特征辅助加工工装对仿形翼状毛坯进行装夹定位，将翼构件放置于主体基座上，验证并消除翼构件与主特征辅助加工工装主体基座之间的接触间隙，在翼构件内部放入支撑嵌块，在支撑嵌块放置到合适位置时，使用弓形夹具将翼构件和主特征辅助加工工装主体基座夹紧；

步骤三：确定仿形翼状毛坯加工基准，使用

金刚石磨头加工仿形翼状毛坯的外形特征尺寸；

步骤四：仿形翼状毛坯的外形特征加工完成后，使用机床侧铣头转换工件主轴刀具夹持方向为原机床Y轴方向，使用φ10mm金刚石磨头加工仿形翼状毛坯的内腔型面、壁厚特征，得到未打特征孔的翼构件；

步骤五：将步骤四中未打特征孔的翼构件放置在特征孔打孔专用工装的主体基座上，使用夹紧装置将工件紧固装夹，在角度转接头上安装φ8mm的PCD钻头，加工特征孔。

上述大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法中，在步骤二中，所述合适位置为支撑嵌块到距离毛坯边缘1000mm至2000mm。

上述大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法中，在步骤三中，仿形翼状毛坯的外形呈机翼状，长度最大处2975mm，宽度最大处为620mm，型面夹角7.5°。

上述大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法中，在步骤三中，切削用量为：主轴转速为2500r/min，进给速度为1000mm/min，切削深度为0.25mm。

上述大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法中，在步骤四中，内腔型面与外形型面为平行关系，壁厚为3.5mm。

上述大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法中，在步骤四中，切削用量为：主轴转速3000r/min，进给速度500mm/min，切削深度为0.20mm；粗加工拐角圆角特征时，切削速度减少至250mm/min并且预留0.2mm的加工余量，精加工拐角圆角时，选用φ10mm平底PCD金刚石铣刀钻加工产品拐角圆角，主轴转速3000r/min，钻削速度选取在50mm/min。

上述大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法中，在步骤五中，对距离翼构件边缘500mm和2500mm筋板上与开口呈90°的特征孔进行加工。

上述大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法中，在步骤五中，切削用量为：主轴转速为1500r/min，进给速度为80mm/min，切削深度为0.20mm。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明针对大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件的结构特点，制定了特有的产品装夹找正时的接触间隙验证、消除方法，其中，使用弓形夹具+支撑嵌块以及重力压块+支撑嵌块的方式消除翼构件装夹间隙，装夹后接触间隙小于0.1mm。

(2)本发明针对大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件的结构特点，制定了针对产品加工过程中的薄壁构件震动、变形控制方法，其中通过重力压块自身的重力、支撑嵌块挤压工件和工装主体基座产生的支撑力、弓形夹具装夹产生的夹紧力消除加工过程中产生的震动、变形，消除精度可达到0.1mm；

(3)本发明针对大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件的结构特点，制定了产品半封闭狭窄空间、刀具悬出过长的加工精度控制方法，其中通过试切标准块，验证刀具实际有效旋转直径，验证后刀具实际切削直径精度可达到0.01mm；加工时，使用相切于切削特征型面的刀具路径轨迹作为初始进刀方式，达到减小刀具颤动、避让的现象；选用平底刀具，采用钻削的方式进行精加工拐角的圆角特征减小刀具悬出过长、特征较小区域的加工误差；

(4)本发明针对大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件的结构特点，使用可调整的辅助工装+刀具转换装置，保证了产品与开口方向垂直的特征孔的加工精度，并且易于实现，具有较强的实用性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的主特征辅助加工工装结构示意图；

图2是本发明实施例提供的半封闭狭窄空间打孔装置结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例提供了一种大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法及装置，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、设计并研制翼构件切削专用加工工装，加工工装主要包括主特征辅助加工工装和特征孔打孔专用工装。其中，主特征辅助加工工装包括主体基座1、支撑嵌块2、重力压块3和弓形夹具4，用于实现翼构件外型及内腔精密、高效率加工；特征孔专用工装主要包括主体基座6、角度转接头7和夹紧装置8，用于实现翼构件外型面特征孔的精密、高效率加工；

步骤二、利用步骤一设计并研制的主特征辅助加工工装对仿形翼状毛坯进行装夹定位，将翼构件5放置于主体基座1上，验证并消除翼构件5与主特征辅助加工工装主体基座1之间的接触间隙，在翼构件5内部放入支撑嵌块2，在支撑嵌块2放置到距离毛坯边缘1000mm至2000mm之间时，使用弓形夹具4将翼构件5和主特征辅助加工工装主体基座1夹紧；

步骤三、确定仿形翼状毛坯加工基准，使用φ20mm金刚石磨头加工仿形翼状毛坯的外形特征尺寸，加工后仿形翼状毛坯外形呈机翼状，长度最大处2975mm，宽度最大处为620mm，型面夹角7.5°，切削用量为：主轴转速2500r/min，进给速度1000mm/min，切削深度为0.25mm；

步骤四、仿形翼状毛坯的外形特征加工完成后，产品加工坐标X轴零点定义在长度方向的最左侧边缘处，Y轴零点定义在宽度方向的最前方边缘处，Z轴零点定义在产品上表面的最高处，使用机床侧铣头转换工件主轴刀具夹持方向为机床Y轴方向，使用φ10mm金刚石磨头加工仿形翼状毛坯的内腔型面、壁厚特征，加工后使内腔型面与外形型面为平行关系，壁厚为3.5mm，得到未打特征孔的翼构件；

步骤五、将步骤四中未打特征孔的翼构件放置在特征孔打孔专用工装的主体基座(6)上，使用夹紧装置(8)将工件紧固装夹，在角度转接头(7)上安装φ8mm的PCD钻头，对距离翼构件边缘500mm和2500mm筋板上与开口呈90°的特征孔进行加工，切削用量为：主轴转速1500r/min，进给速度80mm/min，切削深度为0.20mm。

步骤一中所述的支撑嵌块2和弓形夹具4可大大消除翼构件5边缘区域与主特征辅助加工工装主体基座1的接触间隙，消除后的接触间隙小于0.1mm；另外，支撑嵌块2和重力压块3可大大消除翼构件5内腔中间区域与主特征辅助加工工装主体基座1的接触间隙，消除后接触间隙小于0.1mm；

步骤三中所述的翼构件震动、变形控制方法为：翼构件5装夹固定于主特征辅助加工工装，通过重力压块3自身的重力、支撑嵌块2产生的支撑力、以及弓形夹具4产生的夹紧力消除加工过程中产生的震动和变形；

步骤四中所述的翼构件半封闭狭窄内腔加工过程中刀具悬长的控制方法为：使用切削刀具试切长和宽均为为100mm的标准块，验证刀具实际有效旋转直径，精度不超过0.01mm；当加工到拐角特征时，切削速度减少50％并且预留0.2mm～0.5mm余量，减少由于接触面积增多产生的刀具颤动、避让的现象；精加工拐角圆角时，选用平底刀具，采用钻削的方式将刀具所受的径向力转化为轴向力，钻削速度选取在50～200mm/min。

步骤五中所述的翼构件特征孔与内腔开口方向垂直，特征孔专用工装主体基座6与翼构件5通过型面支撑部分的螺纹结构调整配合间隙，具体调整范围取决于为翼构件理论型面轮廓度-0.5mm～+0.5mm。

如图1为本发明主特征辅助加工工装结构示意图，由图可知主特征辅助加工工装包括主主体基座1、支撑嵌块2、重力压块3和弓形夹具4，其中翼构件5安装放置在于主体基座1上，支撑嵌块2用于消除间隙，上方放置的重力压块3用于消除加工产生的震颤，弓形夹具4使工件有效的与工装进行连接，避免加工时产品发生移动。

如图2为本发明半封闭狭窄空间特征孔加工专用工装结构示意图，由图可知半封闭狭窄空间特征孔加工专用工装包括主体基座6、角度转接头7和夹紧装置8，其中翼构件5安装放置于主体基座6上，通过调节主体基座6进行产品的安装调节，用夹紧装置8固定产品，在使用角度转接头7进行与开口方向垂直的特征孔的加工。

实施例

本实施例中大尺寸翼构件材质为陶瓷基复合材料，毛坯为仿形翼状毛坯，产品长度约为3000mm，产品最终型面壁厚为3mm。以下为加工方法及装置实施的具体过程：

步骤(一)、将仿形翼状毛坯装夹固定在在材质为2A12的主特征辅助加工工装主体基座1上，在其内部放入材质为尼龙的支撑嵌块2，在支撑嵌块2对应的上表面放置材质为1Cr18的重力压块3，然后使用材质为45#钢的弓形夹具4将仿形翼状毛坯夹紧于主特征辅助加工工装；

步骤(二)、确定仿形翼状毛坯加工基准，使用

金刚石磨头加工毛坯外形特征尺寸，切削用量为：主轴转速2500r/min，进给速度1000mm/min，切削深度为0.25mm；

步骤(三)、工件外形特征加工完成后，使用机床侧铣头转换工件主轴刀具夹持方向为原机床Y轴方向，使用φ10mm金刚石磨头加工工件内腔型面、壁厚特征，切削用量为：主轴转速3000r/min，进给速度500mm/min，切削深度为0.20mm；粗加工拐角圆角特征时，切削速度减少至250mm/min并且预留0.2mm的加工余量，精加工拐角圆角时，选用φ10mm平底PCD金刚石铣刀钻加工产品拐角圆角，主轴转速3000r/min，钻削速度选取在50mm/min；

步骤(四)、工件内腔型面、壁厚特征加工完成后，将工件放置在特征孔打孔专用工装主体基座6上，使用特征孔打孔专用工装装夹夹具8将工件紧固装夹，在角度转接头7上安装φ8mm的PCD钻头，对产品与开口呈90°的特征孔进行加工，切削用量为：主轴转速1500r/min，进给速度80mm/min，切削深度为0.20mm。

通过本实施例中工件的加工和检验，得出结论为加工后的大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件其型面轮廓度小于0.3mm以内，98％范围内的壁厚尺寸公差小于0.2mm。

本发明针对大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件的结构特点，制定了特有的产品装夹找正时的接触间隙验证、消除方法，其中，使用弓形夹具+支撑嵌块以及重力压块+支撑嵌块的方式消除翼构件装夹间隙，装夹后接触间隙小于0.1mm。

本发明针对大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件的结构特点，制定了针对产品加工过程中的薄壁构件震动、变形控制方法，其中通过重力压块自身的重力、支撑嵌块挤压工件和工装主体基座产生的支撑力、弓形夹具装夹产生的夹紧力消除加工过程中产生的震动、变形，消除精度可达到0.1mm；

本发明针对大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件的结构特点，制定了产品半封闭狭窄空间、刀具悬出过长的加工精度控制方法，其中通过试切标准块，验证刀具实际有效旋转直径，验证后刀具实际切削直径精度可达到0.01mm；加工时，使用相切于切削特征型面的刀具路径轨迹作为初始进刀方式，达到减小刀具颤动、避让的现象；选用平底刀具，采用钻削的方式进行精加工拐角的圆角特征减小刀具悬出过长、特征较小区域的加工误差；

本发明针对大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件的结构特点，使用可调整的辅助工装+刀具转换装置，保证了产品与开口方向垂直的特征孔的加工精度，并且易于实现，具有较强的实用性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：制作翼构件切削专用加工工装；其中，翼构件切削专用加工工装包括主特征辅助加工工装和特征孔打孔专用工装；其中，所述主特征辅助加工工装包括主体基座(1)、支撑嵌块(2)、重力压块(3)和弓形夹具(4)；所述特征孔打孔专用工装包括主体基座(6)、角度转接头(7)和夹紧装置(8)；

步骤二：利用步骤一的主特征辅助加工工装对仿形翼状毛坯进行装夹定位，将翼构件(5)放置于主体基座(1)上，验证并消除翼构件(5)与主特征辅助加工工装主体基座(1)之间的接触间隙，在翼构件(5)内部放入支撑嵌块(2)，在支撑嵌块(2)放置到合适位置时，使用弓形夹具(4)将翼构件(5)和主特征辅助加工工装主体基座(1)夹紧；

步骤三：确定仿形翼状毛坯加工基准，使用

金刚石磨头加工仿形翼状毛坯的外形特征尺寸；

步骤四：仿形翼状毛坯的外形特征加工完成后，使用机床侧铣头转换工件主轴刀具夹持方向为原机床Y轴方向，使用φ10mm金刚石磨头加工仿形翼状毛坯的内腔型面、壁厚特征，得到未打特征孔的翼构件；

步骤五：将步骤四中未打特征孔的翼构件放置在特征孔打孔专用工装的主体基座(6)上，使用夹紧装置(8)将工件紧固装夹，在角度转接头(7)上安装φ8mm的PCD钻头，加工特征孔。

2.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法，其特征在于：在步骤二中，所述合适位置为支撑嵌块(2)到距离毛坯边缘1000mm至2000mm。

3.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法，其特征在于：在步骤三中，仿形翼状毛坯的外形呈机翼状，长度最大处2975mm，宽度最大处为620mm，型面夹角7.5°。

4.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法，其特征在于：在步骤三中，切削用量为：主轴转速为2500r/min，进给速度为1000mm/min，切削深度为0.25mm。

5.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法，其特征在于：在步骤四中，内腔型面与外形型面为平行关系，壁厚为3.5mm。

6.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法，其特征在于：在步骤四中，切削用量为：主轴转速3000r/min，进给速度500mm/min，切削深度为0.20mm；粗加工拐角圆角特征时，切削速度减少至250mm/min并且预留0.2mm的加工余量，精加工拐角圆角时，选用φ10mm平底PCD金刚石铣刀钻加工产品拐角圆角，主轴转速3000r/min，钻削速度选取在50mm/min。

7.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法，其特征在于：在步骤五中，对距离翼构件边缘500mm和2500mm筋板上与开口呈90°的特征孔进行加工。

8.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁陶瓷基复合材料翼构件加工方法，其特征在于：在步骤五中，切削用量为：主轴转速为1500r/min，进给速度为80mm/min，切削深度为0.20mm。

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