CN114054813B - 一种大尺寸薄壁异形罩体加工方法 - Google Patents

一种大尺寸薄壁异形罩体加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大尺寸薄壁异形罩体加工方法，步骤包括：设计并制造切削加工专用工装；对毛坯扫描后进行3D逆向建模；确定在毛坯与产品的相对位置关系；根据余量与去除量比对关系，通过将加工刀具更换为测量模块，通过在线原位测量实现产品不拆卸状态下检测内腔加工轮廓度及精度，并根据偏差值进行误差补偿修磨加工；拆除立式铣床上的90°转接头，使用立式铣床主轴以精加工后的毛坯件大端端面为基准面对刀，铣磨产品第二外型面。本发明满足大尺寸薄壁异形陶瓷罩体切削加工要求，装夹简便、可靠，定位精度高，适合于推广应用。

Description

一种大尺寸薄壁异形罩体加工方法
技术领域
本发明涉及一种大尺寸薄壁异形罩体加工方法，属于复合材料机械加工技术领域。
背景技术
罩体是航天武器飞行器突破黑障的关键，其性能的高低直接影响航天武器飞行器的制导精度。罩体材料一般选用具有优良力学性能和透波性能的陶瓷材料，但陶瓷材料具有高脆性、高硬度和高耐磨性等难加工特性，属于典型的难加工材料。伴随对航天武器飞行器制导能力要求的不断提高，陶瓷罩体结构趋向于大尺寸、薄壁、异形等无基准仿形复杂曲面结构方向发展，使得工件加工时具有以下几个方面困难：
(1)陶瓷材料既硬又脆，加工过程中容易产生裂纹和开裂，特别是对于大尺寸、薄壁、复杂异形结构，实现高精度、低损伤加工的难度更大；
(2)对于非轴对称结构罩体，产品毛坯形状和余量极不规则，且由于陶瓷材料烧结过程热应力导致个体外形差异较大，无法与理论型面工装贴合，造成工件装夹力不均匀、存在局部应力集中，易造成裂纹扩展；
(3)工件采用仿形无基准毛坯的加工方案，工件与工装无法准确定位，需经反复测量、多次装配、多次试切才能确定工件轮廓及厚度余量情况，加工效率低，尺寸精度差，加工成品率不高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种大尺寸薄壁异形罩体加工方法，解决了工件加工过程中定位难度大、加工效率低和加工尺寸精度差的难题。
本发明解决技术的方案是：
一种大尺寸薄壁异形罩体加工方法，步骤包括：
步骤(一)、根据大尺寸薄壁异形陶瓷罩体外形及加工要求，设计并制造切削加工专用工装，包括外型面快速柔性装卡装置和内型面柔性支撑可翻转快速定位装置；
步骤(二)、利用步骤(一)的外型面快速柔性装卡装置，将产品毛坯件套入工装，对毛坯扫描后进行3D逆向建模，用毛坯数模与产品数模进行比对，确定产品相对毛坯的位置，通过毛坯与产品数模相对位置关系，将毛坯装夹、固定在工装上；
步骤(三)、将安装有毛坯件的支撑定位工装放置到机床平台上，并拉直找正支撑定位工装的基准面；
步骤(四)、利用步骤(二)确定在毛坯与产品的相对位置关系，在毛坯件的大端端面余量区粗、精加工基准面，并以精加工后的基准面作为后续工序的加工基准；
步骤(五)、使用安装有90°转接头的立式铣床，以精加工后的毛坯件大端端面为基准面对刀，按照步骤(二)得到的加工余量进行内型面数控铣磨加工；
步骤(六)、步骤(五)加工过程中，根据余量与去除量比对关系，通过将加工刀具更换为测量模块，通过在线原位测量实现产品不拆卸状态下检测内腔加工轮廓度及精度，并根据偏差值进行误差补偿修磨加工；
步骤(七)、利用步骤(一)设计制造的内型面柔性支撑可翻转快速定位装置对产品内型面进行支撑定位，调节内型面柔性支撑装置固定位置，保证产品不能向轴向滑移，实现产品的全定位夹持要求，避免产品在加工过程中的蹿动变形；
步骤(八)、拆除立式铣床上的90°转接头，使用立式铣床主轴以精加工后的毛坯件大端端面为基准面对刀，按照步骤(二)得到的加工余量铣磨产品第二外型面；
步骤(九)、在线检测加工后的毛坯件第二外型面厚度，保证第二外型面厚度和较高的表面加工精度；
步骤(十)、拆除步骤(一)所述的外型面快速柔性装卡装置定位销，通过内型面柔性支撑可翻转快速定位装置将工件及工装上的卡紧装置绕轴向旋转180°，再重新装卡在工装底座上，通过内型面柔性支撑可翻转快速定位装置实现复杂罩体结构沿轴线为中心做旋转运动，保证罩体原位翻转；
步骤(十一)、按照步骤(二)得到的加工余量，重复步骤(八)-步骤(九)，磨削加工产品第一外型面，保证产品厚度和较高的表面加工精度。
进一步的，外型面快速柔性装卡装置包括大尺寸罩体、三段龙门式外轮廓固定钢架、固定钢架内部柔性支撑垫块、基座、下部支撑结构和端面限位结构；
基座上设置有下部支撑结构和三段龙门式外轮廓固定钢架，三段龙门式外轮廓固定钢架中间开有用于穿过大尺寸罩体的孔，固定钢架内部柔性支撑垫块置于孔中，实现对大尺寸罩体的限位；下部支撑结构用于对大尺寸罩体的径向支撑；端面限位结构置于三段龙门式外轮廓固定钢架的一端，用于对大尺寸罩体端面的限位。
进一步的，内型面柔性支撑可翻转快速定位装置包括大尺寸罩体、内部支撑结构、凸轮传动机构和螺杆，
内部支撑结构为四段，每段分为上下两块，每块有沿轴向垂直布置的滑道，滑道上设置楔形块，支撑结构通过弹簧向内收紧；
沿中心纵梁布置有四道螺杆，与内部支撑结构配合；使用时，通过凸轮传动机构顺时针旋转螺杆，楔形块向产品大端外侧移动，推动楔形块，带动内部支撑结构沿滑道做张开运动，撑紧大尺寸罩体内腔；取消支撑时，通过凸轮传动机构逆时针旋转螺杆，楔形块向产品内侧移动，内部支撑结构在弹簧的作用下向产品中心方向移动，离开大尺寸罩体表面，直至与大尺寸罩体脱离。
进一步的，基座上布置有定位销钉，与下部支撑结构对应；加工完第一外型面时，将带有固定钢架内部柔性支撑垫块和三段龙门式外轮廓固定钢架的大尺寸罩体整体翻转180°。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明针对米级大尺寸、厚度3～6mm薄壁、复杂外形结构罩体特点，提出了快速定位及柔性装夹方法，设计了外型面快速柔性装卡装置和内型面柔性支撑可翻转快速定位装置，实现了复杂罩体原位轴向翻转，避免了传统加工过程中的多次装夹、多次找正，缩短多次装夹、找正时间4小时以上；
(2)本发明针对大尺寸、薄壁、复杂外形结构罩体特点，提出的利用产品毛坯3D外形逆向建模与产品数模比对确定产品相对位置方法，可以有效针对复杂结构陶瓷罩体易变形导致的个体差异进行快速定位加工，有效解决了传统加工方法打点采集空间位置坐标、反复找正问题，保障了型面加工和测试精度；
(3)本发明提出的一种大尺寸薄壁异形陶瓷罩体切削加工快速定位及柔性装夹多功能一体化方法，满足大尺寸薄壁异形陶瓷罩体切削加工要求，装夹简便、可靠，定位精度高，适合于推广应用。
附图说明
图1为本发明外型面快速柔性装卡装置结构示意图；
图2为本发明内型面柔性支撑可翻转快速定位装置结构示意图；
图3为本发明大尺寸薄壁异形罩体加工过程原位测量系统示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
如图1为本发明提出的外型面快速柔性装卡装置结构示意图，外型面快速柔性装卡装置包括大尺寸罩体1、三段龙门式外轮廓固定钢架2、固定钢架内部柔性支撑垫块3、基座4、下部支撑结构5和端面限位结构6；
基座4上设置有下部支撑结构5和三段龙门式外轮廓固定钢架2，三段龙门式外轮廓固定钢架2中间开有用于穿过大尺寸罩体1的孔，固定钢架内部柔性支撑垫块3置于孔中，实现对大尺寸罩体1的限位；下部支撑结构5用于对大尺寸罩体1的径向支撑；端面限位结构6置于三段龙门式外轮廓固定钢架2的一端，用于对大尺寸罩体1端面的限位。
如图2为本发明提出的内型面柔性支撑可翻转快速定位装置结构示意图，包括大尺寸罩体1、内部支撑结构7、凸轮传动机构8和螺杆9，
内部支撑结构7的每段分为上下两块，每块有沿轴向垂直布置的滑道，滑道上设置楔形块，支撑结构通过弹簧向内收紧；
沿中心纵梁布置有四道螺杆，与内部支撑结构7配合；使用时，通过凸轮传动机构8顺时针旋转螺杆，楔形块向产品大端外侧移动，推动楔形块，带动内部支撑结构7沿滑道做张开运动，撑紧大尺寸罩体1内腔；取消支撑时，通过凸轮传动机构8逆时针旋转螺杆，楔形块向产品内侧移动，内部支撑结构7在弹簧的作用下向产品中心方向移动，离开大尺寸罩体1表面，直至与大尺寸罩体1脱离。
图3为本发明提出的大尺寸罩体加工过程原位测量系统示意图，其中：1为大尺寸罩体，10为加工刀杆和磨削刀具，11为原位型面测量装置，12为加工专用工装，13为加工机床。
实施例1
本实施例中一种大尺寸薄壁异形陶瓷罩体，产品毛坯长度约为1270mm，壁厚要求6mm，外形为非轴对称结构。以下为加工方法实施的具体过程：
步骤(一)、设计并制造切削加工专用工装，包括外型面快速柔性装卡装置和内型面柔性支撑可翻转快速定位装置，满足快速装夹、装夹位置可调、看翻转快速定位等功能。
步骤(二)、将产品毛坯件套入工装。对毛坯扫描后进行3D逆向建模，用毛坯数模与产品数模进行比对，确定产品相对毛坯的位置，通过毛坯与产品数模相对位置关系，将毛坯装夹、固定在工装上。比传统装夹、张正、固定方法节省操作时间4.5小时，定位精度±0.2mm。
步骤(三)、将安装有毛坯件的支撑定位工装放置到机床平台上，并拉直找正支撑定位工装的基准面。
步骤(四)、利用步骤(二)确定在毛坯与产品的相对位置关系，在毛坯件的大端端面余量区粗、精加工基准面，并以精加工后的基准面作为后续工序的加工基准。
步骤(五)、使用安装有90°转接头的立式铣床以精加工后的毛坯件大端端面为基准面对刀，按照步骤(二)得到的加工余量进行内型面数控铣磨加工。
步骤(六)、步骤(五)加工过程中，根据余量与去除量比对关系，通过将加工刀具更换为测量模块，通过在线原位测量实现产品不拆卸状态下检测内腔加工轮廓度及精度，并根据偏差值进行误差补偿修磨加工，内部轮廓度偏差0～0.2mm。
步骤(七)、利用步骤(一)设计制造的内型面柔性支撑可翻转快速定位装置对产品内型面进行支撑定位，调节内型面柔性支撑装置固定位置，保证产品不能向轴向滑移，实现产品的全定位夹持要求，避免产品在加工过程中的蹿动变形；
步骤(八)、拆除立式铣床上的90°转接头，使用立式铣床主轴以精加工后的毛坯件大端端面为基准面对刀，按照步骤(二)得到的加工余量铣磨产品第二外型面；
步骤(九)、拆除工步(一)所述的外型支撑工装定位销，通过内型面凸轮机构将工件及工装上的卡紧装置绕轴向旋转180°，再重新装卡在工装底座上，通过内型面凸轮机构可以实现复杂罩体结构沿轴线为中心做旋转运动，实现罩体原位翻转，比传统多次拆卸、装夹方法节省操作时间4小时；
步骤(十)、按照步骤(二)得到的加工余量，重复步骤(八)，磨削加工产品第一外型面，外部轮廓度偏差0～0.2mm。
步骤(一)外型面快速柔性装卡装置为三段龙门式结构，第一、三段轴心方向固定保证罩体快速套入，第二段轴向位置可调，可以实现快速固定，同时与罩体接触表面采用柔性材料，比如橡胶或PTFE，既可实现快速装夹，也可实现软接触，避免对陶瓷罩体造成损伤；内型面柔性支撑可翻转快速定位装置为四段式一体化结构，与罩体接触表面同样采用橡胶或PTFE等柔性材料，一方面实现快速装夹，另一方面避免对陶瓷罩体造成损伤。此结构能够节省产品多次试配、装夹时间1小时以上。
步骤(二)利用产品毛坯3D外形逆向建模与产品数模比对确定产品相对位置方法，可以有效针对复杂结构陶瓷罩体易变形导致的个体差异进行快速定位加工，有效解决了传统加工方法打点采集空间位置坐标、反复找正问题。此方法能够节省产品找正、定位时间3小时以上，实现定位精度控制在±0.4mm以内，均满足形位公差要求。
步骤(六)通过将加工刀具更换为测量模块，保证在产品不拆卸状态下对内型面加工轮廓度和精度进行原位测试，减少了反复拆卸、测试带来的测试偏差，保证了内型面加工精度，可实现内型面轮廓偏差控制在±0.2mm范围内，满足形位公差要求。
步骤(十)利用内型面柔性支撑可翻转快速定位装置凸轮传动机构实现罩体快速翻转，可以实现复杂罩体原位轴向翻转，避免了传统加工过程中的多次装夹、多次找正，同时可以避免多次找正偏差导致的型面偏差，实现内外壁加工精度及厚度均匀性满足产品加工要求，且操作简便。
本发明针对米级大尺寸、厚度3～6mm薄壁、复杂外形结构罩体特点，提出了快速定位及柔性装夹方法，设计了外型面快速柔性装卡装置和内型面柔性支撑可翻转快速定位装置，实现了复杂罩体原位轴向翻转，避免了传统加工过程中的多次装夹、多次找正，缩短多次装夹、找正时间4小时以上；
本发明针对大尺寸、薄壁、复杂外形结构罩体特点，提出的利用产品毛坯3D外形逆向建模与产品数模比对确定产品相对位置方法，可以有效针对复杂结构陶瓷罩体易变形导致的个体差异进行快速定位加工，有效解决了传统加工方法打点采集空间位置坐标、反复找正问题，保障了型面加工和测试精度；
本发明提出的一种大尺寸薄壁异形陶瓷罩体切削加工快速定位及柔性装夹多功能一体化方法，满足大尺寸薄壁异形陶瓷罩体切削加工要求，装夹简便、可靠，定位精度高，适合于推广应用。
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 (4)

1.一种大尺寸薄壁异形罩体加工方法，其特征在于，步骤包括：
步骤(一)、根据大尺寸薄壁异形陶瓷罩体外形及加工要求，设计并制造切削加工专用的工装，包括外型面快速柔性装卡装置和内型面柔性支撑可翻转快速定位装置；
步骤(二)、利用步骤(一)的外型面快速柔性装卡装置，将产品毛坯件套入工装，对毛坯扫描后进行3D逆向建模，用毛坯数模与产品数模进行比对，确定产品相对毛坯的位置，通过毛坯与产品数模相对位置关系，将毛坯装夹、固定在工装上；
步骤(三)、将安装有毛坯件的工装放置到机床平台上，并拉直找正工装的基准面；
步骤(四)、利用步骤(二)确定的毛坯与产品的相对位置关系，在毛坯件的大端端面余量区粗、精加工基准面，并以精加工后的基准面作为后续工序的加工基准；
步骤(五)、使用安装有90°转接头的立式铣床，以精加工后的毛坯件大端端面为基准面对刀，按照步骤(二)得到的加工余量进行内型面数控铣磨加工；
步骤(六)、步骤(五)加工过程中，根据余量与去除量比对关系，通过将加工刀具更换为测量模块，通过在线原位测量实现产品不拆卸状态下检测内腔加工轮廓度及精度，并根据偏差值进行误差补偿修磨加工；
步骤(七)、利用步骤(一)设计制造的内型面柔性支撑可翻转快速定位装置对产品内型面进行支撑定位，调节内型面柔性支撑装置固定位置，保证产品不能向轴向滑移，实现产品的全定位夹持要求，避免产品在加工过程中的蹿动变形；
步骤(八)、拆除立式铣床上的90°转接头，使用立式铣床主轴以精加工后的毛坯件大端端面为基准面对刀，按照步骤(二)得到的加工余量铣磨产品第二外型面；
步骤(九)、在线检测加工后的毛坯件第二外型面厚度，保证第二外型面厚度和表面加工精度；
步骤(十)、拆除步骤(一)所述的外型面快速柔性装卡装置的定位销，通过内型面柔性支撑可翻转快速定位装置将工件及工装上的卡紧装置绕轴向旋转180°，再重新装卡在工装底座上，通过内型面柔性支撑可翻转快速定位装置实现复杂罩体结构沿轴线为中心做旋转运动，保证罩体原位翻转；
步骤(十一)、按照步骤(二)得到的加工余量，重复步骤(八)-步骤(九)，磨削加工产品第一外型面，保证产品厚度和表面加工精度。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁异形罩体加工方法，其特征在于，外型面快速柔性装卡装置包括三段龙门式外轮廓固定钢架(2)、固定钢架内部柔性支撑垫块(3)、基座(4)、下部支撑结构(5)和端面限位结构(6)；
基座(4)上设置有下部支撑结构(5)和三段龙门式外轮廓固定钢架(2)，三段龙门式外轮廓固定钢架(2)中间开有用于穿过大尺寸罩体(1)的孔，固定钢架内部柔性支撑垫块(3)置于孔中，实现对大尺寸罩体(1)的限位；下部支撑结构(5)用于对大尺寸罩体(1)的径向支撑；端面限位结构(6)置于三段龙门式外轮廓固定钢架(2)的一端，用于对大尺寸罩体(1)端面的限位。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸薄壁异形罩体加工方法，其特征在于，内型面柔性支撑可翻转快速定位装置包括大尺寸罩体(1)、内部支撑结构(7)、凸轮传动机构(8)和螺杆(9)，
内部支撑结构(7)为四段，每段分为上下两块，每块有沿轴向垂直布置的滑道，滑道上设置楔形块，内部支撑结构(7)通过弹簧向内收紧；
沿中心纵梁布置有螺杆，与内部支撑结构(7)配合；使用时，通过凸轮传动机构(8)顺时针旋转螺杆，楔形块向产品大端外侧移动，推动楔形块，带动内部支撑结构(7)沿滑道做张开运动，撑紧大尺寸罩体(1)内腔；取消支撑时，通过凸轮传动机构(8)逆时针旋转螺杆，楔形块向产品内侧移动，内部支撑结构(7)在弹簧的作用下向产品中心方向移动，离开大尺寸罩体(1)表面，直至与大尺寸罩体(1)脱离。
4.根据权利要求2所述的一种大尺寸薄壁异形罩体加工方法，其特征在于，基座(4)上布置有定位销，与下部支撑结构(5)对应；加工完第一外型面时，将带有固定钢架内部柔性支撑垫块(3)和三段龙门式外轮廓固定钢架(2)的大尺寸罩体(1)整体翻转180°。
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