CN114799779A - “a”字型铝合金整体结构梁模锻件数控加工方法及工装 - Google Patents

“a”字型铝合金整体结构梁模锻件数控加工方法及工装 Download PDF

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Abstract

本发明属于数控加工领域，具体涉及一种“A”字型铝合金整体结构梁模锻件数控加工方法及工装，包括：加工区域划分；毛料基准平面的加工；设计粗加工、半精加工、精加工的坐标原点；在粗加工、半精加工、精加工之间安排时效工序；零件精加工装夹工装对零件装夹定位；毛料装夹压紧。本发明在零件装夹、基准确定、辅助工装设计、零件加工方案规划、基准修正、余量设置等方面提出了新的方法，形成了铝合金复杂整体结构梁模锻件加工的关键工艺技术方案，该数控加工方法可以有效的控制零件加工变形，提高了零件加工效率，同时，该方法对于其它结构特征的零件加工具有较大的借鉴作用。

Description

“A”字型铝合金整体结构梁模锻件数控加工方法及工装
技术领域
本发明涉及一种“A”字型铝合金整体结构梁模锻件数控加工方法及工装，用于指导整体结构梁模锻件类零件的数控加工，并形成加工方法的标准。
背景技术
为了适应新一代飞机的高性能要求，飞机零件设计更加整体化，轻量化，使得铝合金整体化设计零件在新一代飞机中的比重增加，“A”字型整体结构梁则是整体化设计零件的典型代表，“A”字型整体结构梁将传统飞机零件中的两个长梁类零件和6个角材类零件设计为一个整体零件，零件整体呈“A”字型。整体化设计后的零件存在半封闭槽腔结构、深腔结构、薄壁结构，同时零件结构形式异形，不利于零件加工原点的确定和辅助装夹，导致零件加工装夹和定位困难。同时，为了提高零件的结构强度，零件原材料形式为铝合金模锻件，铝合金模锻件原材料由于自身内应力分布不均匀，数控加工后的零件变形较难控制。综合和零件自身结构特点和模锻件原材料易变形的特点，传统梁类零件数控加工方法难以满足“A”字型整体结构梁零件的数控加工。
发明内容
本发明针对“A”字型整体结构梁的数控加工，提出了一种新型的数控加工工艺方法，一方面能够高效准确的装夹定位，同时能够控制零件变形，“A”字型整体结构梁按此方法加工后合格率高，表面质量好。
“A”字型铝合金整体结构梁模锻件数控加工方法，包括以下步骤：
(1)加工区域划分：确定影响零件变形较大的粗铣优先除去区域1毛料余量，在粗加工时，首先将区域粗铣优先除去区域1内的余量去除；粗加工去除余量时，均匀对称去除零件内外形余量；
(2)毛料基准平面的加工：无轴向装夹力加工基准平面，在粗-半精-精加工基准平面修正过程中，通过虎钳夹紧2或用侧面顶紧压板3挤压的形式固定零件，进行平面修正，实现轴向无装夹力修正平面；
(3)设计粗加工、半精加工、精加工的坐标原点：通过划线建立粗加工坐标原点，通过零件中轴线上的两个孔建立半精-精加工原点，第一面精加工过程中铣出第二面精加工原点，通过互为基准的形式确定精加工基准；
(4)在粗加工、半精加工、精加工之间安排时效工序，去除零件内部残余应力，减少加工过程中残余应力引起的加工变形；
(5)用零件精加工装夹工装对零件装夹定位；
(6)毛料装夹压紧：在毛料上增加工艺余量形成开叉处工艺凸台12、台阶凸台13、端头工艺凸台14和压紧螺栓孔，通过螺栓压紧、凸台压紧和压板压紧的形式进行零件装夹，避免在复杂多工位零件加工时的刀具与压板干涉情况的发生；通过应用90°角度头拓展机床加工维度，实现内形半封闭槽腔的加工。
“A”字型铝合金整体结构梁模锻件数控加工方法，具体步骤如下：
步骤1、修正定位平面
①装夹定位方式，方法一：通过虎钳夹紧零件侧面；方法二，通过机床平台平面定位，零件四周采用侧面顶紧压板3挤住，确保模锻件毛料不受轴向力；
②自由状态下，加工模锻件毛料A面、B面，去除模压边，平面见光即可；
步骤2、通过划线或者应用样板在模锻件A面平面示出粗加工原点位置，用于机床建立粗加工坐标原点，注意协调零件粗加工余量；
步骤3、粗加工
①加工基准确定：以修正后的平面B为定位基准，以步骤2中确定的粗加工原点位置作为加工坐标系基准；
②内外形余量设置：粗加工余量等于模锻件毛料外形最小余量；
③加工方案：分层均匀去除零件内外形毛料余量，去除毛料模压边，重点去除“A”字型开衩处余量，去除余量时应对称去除，避免单侧去除；
④铣半精加工基准孔：粗加工原点位置加工为粗、精铣基准孔15，钻另外一处粗铣基准孔16，两处基准孔用于半精加工确定加工原点；
步骤4、去除侧面顶紧压板3，安排时效；
步骤5、修正定位平面
①自由状态下，修正模锻件A面、B面平面；
②装夹定位方式，通过机床平台平面定位，零件四周采用侧面顶紧压板3挤住，确保模锻件毛料不受轴向力；
步骤6、半精加工内外形；
①余量设置：内外形均匀留余量；
②加工过程：以步骤5修正后的平面A为定位基准，以步骤3中确定的两处基准孔建立加工坐标系，加工B面内形；
以步骤5修正后的平面B为定位基准，以步骤3中确定的两处基准孔建立加工坐标系，加工A面内形；
③加工辅助凸台，加工开叉处压紧凸台12用于后续精加工零件定位，加工台阶凸台13，用于精加工零件装夹压紧，加工端头压紧凸台14用于后续装夹和定位；
④修正精加工基准孔，将两处粗、精铣基准孔15和粗铣基准孔16扩大，用于后续加工坐标原点的确定；
步骤7、重复步骤4；
步骤8、重复步骤5；
步骤9、重复步骤6，其中步骤6中的步骤④内容更改为，加工粗、精铣基准孔15和精铣基准孔17，用于后续精加工坐标原点的确定；
步骤10、精加工第一面内外形
①应用精加工工装装夹零件，定位平面为B面平面，工装高度为H，H＝机床主轴头最大外廓尺寸/2+100，将零件抬高，便于在步骤②中机床摆90°高效加工外侧半封闭槽腔；
②加工坐标原点的确认，以步骤8中修正的平面B为定位平面，通过两处定位销8定位零件，以步骤9中修正的两处基准孔建立精加工坐标原点；
③精加工方案：加工零件内形时，拧紧压紧螺栓9，压紧两端头压板及4处压板支撑6上的压板，移除内形4处压板；
加工零件外外形时，移除4处压板支撑6上的压板，压紧内形4处压板；
加工零件外侧半封闭槽腔时，机床主轴头18可摆角90°，实现外侧半封闭槽腔高效精准加工；
加工零件内侧半封闭槽腔时，机床可安装90°角度头19辅助加工，实现内侧半封闭槽腔的高效精准加工；
④加工第二面基准
第一面内外形加工完成后，将开叉处压紧凸台12和端头压紧凸台14上粗、精铣基准孔15和精铣基准孔17扩大，用于确定第二面加工基准；
步骤11、精加工第二面内外形
①加工坐标原点的确认，以第一面精加工的两处基准孔建立加工坐标原点；
②工装以精加工后平面A为定位基准，以第一面加工的粗、精铣基准孔15和精铣基准孔17定位，通过压紧螺栓9、压板10、双侧压紧压板11将毛料压紧在通用装夹平台20上；
③精加工第二面内形。
“A”字型铝合金整体结构梁模锻件数控加工工装包括工装底座4、支撑体5、压板支撑6、T型槽7、定位销8、螺栓9、单侧压紧压板10，双侧压紧压板11；支撑体5外形按零件外形设计，支撑体5与底座4通过焊接形式连接，压板支撑6与工装底座4通过T型槽7连接，T型槽7设置在压板支撑6底端，单侧压紧压板10和双侧压紧压板11通过螺栓拧紧的形式压紧零件，定位销8用于零件定位；螺栓9通过在粗铣基准孔16内拧紧的方式压紧零件。
本发明创造的优点：
本发明提出的方法可以实现“A”字型铝合金整体结构梁模锻件的优质高效加工，在零件装夹、基准确定、辅助工装设计、零件加工方案规划、基准修正、余量设置等方面提出了新的方法，形成了铝合金复杂整体结构梁模锻件加工的关键工艺技术方案，该数控加工方法可以有效的控制零件加工变形，提高了零件加工效率，同时，该方法对于其它结构特征的零件加工具有较大的借鉴作用。
附图说明
图1加工区域划分示意图
图2虎钳装夹示意图
图3压板装夹示意图
图4工装设计示意图主视图
图5工装设计示意图俯视图
图6工艺凸台示意图
图7工装高度示意图
图8第一面精加工加工工位示意图
图9第二面精加工装夹示意图
图中：1、粗加工优先去除区域；2、虎钳；3、侧面顶紧压板；4、工装底座；5、支撑体；6、压板支撑；7、T型槽；8、定位销；9、螺栓；10、压紧压板；11、双侧压紧压板；12、开叉处压紧凸台；13、台阶凸台；14、端头压紧凸台；15、粗、精铣基准孔；16、粗铣基准孔；17、精铣基准孔；18、机床主轴头；19、90°角度头；20、通用装夹平台
具体实施方式
1、修正定位平面
①装夹定位方式，方法一：通过虎钳夹紧侧面，如图2所示；方法二，通过机床平台平面定位，零件四周采用压板等辅助支撑挤住，确保模锻件毛料不受轴向力，如图3所示。
②自由状态下，加工图2中模锻件毛料A面、B面，去除模压边，平面见光即可。
2、通过划线或者应用样板在模锻件A面平面示出粗加工原点位置，如图5所示，用于机床建立粗加工坐标原点，注意协调零件粗加工余量。
3、粗加工
①加工基准确定：以修正后的平面B为定位基准，以步骤2中确定的粗加工原点位置作为加工坐标系基准。
②内外形余量设置：粗加工余量等于模锻件毛料外形最小余量。
③加工方案：分层均匀去除零件内外形毛料余量，去除毛料模压边，重点去除“A”字型开衩处余量，去除余量时应对称去除，避免单侧去除，如图1所示。
④铣半精加工基准孔：将粗加工基准15钻至φ10，钻另外一处φ10基准孔16，粗加工原点位置加工为粗、精铣基准孔15，钻另外一处粗铣基准孔16，两处φ10基准孔用于半精加工确定加工原点，如图5所示。
4、去除侧面顶紧压板，时效，毛料自由状态下时效5～10天。
5、修正定位平面
①自由状态下，修正模锻件A面、B面平面。
②装夹定位方式，如图3所示，通过机床平台平面定位，零件四周采用侧面顶紧压板等辅助支撑挤住，确保模锻件毛料不受轴向力，若毛料与平台间存在缝隙，可用铝箔塞紧。
6、半精加工内外形。
①余量设置：内外形均匀留4～5mm余量；
②加工过程：以步骤5修正后的平面A为定位基准，以步骤3中确定的两处φ10基准孔建立加工坐标系，加工B面内形。
以步骤5修正后的平面B为定位基准，以步骤3中确定的两处φ10基准孔建立加工坐标系，加工A面内形；
③加工辅助凸台，如图5所示，加工凸台12#用于后续精加工零件定位，加工台阶凸台13，用于精加工零件装夹压紧，加工凸台14用于后续装夹和定位。
④修正精加工基准孔，将两处φ10基准孔，即粗、精铣基准孔15和粗铣基准孔16扩至φ14，用于后续加工坐标原点的确定。
7、重复步骤4。
8、重复步骤5。
9、重复步骤6，其中步骤6中的步骤④内容更改为，加工两处φ20基准孔，即粗、精铣基准孔15和精铣基准孔17，用于后续精加工坐标原点的确定。
10、精加工第一面内外形
①应用如图4所示工装装夹零件，定位平面为B面平面，工装高度为H,H＝机床主轴头最大外廓尺寸/2+100，将零件抬高，便于在步骤②中机床摆90°高效加工外侧半封闭槽腔。
②加工坐标原点的确认，以步骤8中修正的平面B为定位平面，通过两处销钉8定位零件，以步骤9中修正的两处φ20为基准孔建立精加工坐标原点。
③精加工方案：如图5所示，加工零件内形时，拧紧螺栓9，压紧两端头压板及4处压板支撑6上的压板，移除内形4处压板；
加工零件外外形时，移除4处压板支撑6上的压板，压紧内形4处压板。
加工零件外侧半封闭槽腔时，机床主轴头18可摆角90°，实现外侧半封闭槽腔高效精准加工。
加工零件内侧半封闭槽腔时，机床可安装90°角度头19辅助加工，实现内侧半封闭槽腔的高效精准加工。
④加工第二面基准
第一面内外形加工完成后，将开叉处压紧凸台12和端头压紧凸台14上粗、精铣基准孔15和精铣基准孔17扩大至φ25,用于确定第二面加工基准。
11、精加工第二面内外形
①加工坐标原点的确认，以第一面精加工的两处φ25基准孔建立加工坐标原点。
②零件装夹如图8所示，工装以精加工后平面A为定位基准，以第一面加工的两处φ25粗、精铣基准孔15和精铣基准孔17定位，通过压紧螺栓9、压板10、双侧压板11将毛料压紧在通用装夹平台20上。
③精加工第二面内形。

Claims (3)

1.“A”字型铝合金整体结构梁模锻件数控加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)加工区域划分：确定影响零件变形较大的粗铣优先除去区域(1)毛料余量，在粗加工时，首先将区域粗铣优先除去区域(1)内的余量去除；粗加工去除余量时，均匀对称去除零件内外形余量；
(2)毛料基准平面的加工：无轴向装夹力加工基准平面，在粗-半精-精加工基准平面修正过程中，通过虎钳夹紧(2)或用侧面顶紧压板(3)挤压的形式固定零件，进行平面修正，实现轴向无装夹力修正平面；
(3)设计粗加工、半精加工、精加工的坐标原点：通过划线建立粗加工坐标原点，通过零件中轴线上的两个孔建立半精-精加工原点，第一面精加工过程中铣出第二面精加工原点，通过互为基准的形式确定精加工基准；
(4)在粗加工、半精加工、精加工之间安排时效工序，去除零件内部残余应力，减少加工过程中残余应力引起的加工变形；
(5)用零件精加工装夹工装对零件装夹定位；
(6)毛料装夹压紧：在毛料上增加工艺余量形成开叉处工艺凸台(12)、台阶凸台(13)、端头工艺凸台(14)和压紧螺栓孔，通过螺栓压紧、凸台压紧和压板压紧的形式进行零件装夹，避免在复杂多工位零件加工时的刀具与压板干涉情况的发生；通过应用90°角度头拓展机床加工维度，实现内形半封闭槽腔的加工。
2.根据权利要求1所述的“A”字型铝合金整体结构梁模锻件数控加工方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、修正定位平面
①装夹定位方式，方法一：通过虎钳夹紧零件侧面；方法二，通过机床平台平面定位，零件四周采用侧面顶紧压板(3)挤住，确保模锻件毛料不受轴向力；
②自由状态下，加工模锻件毛料A面、B面，去除模压边，平面见光即可；
步骤2、通过划线或者应用样板在模锻件A面平面示出粗加工原点位置，用于机床建立粗加工坐标原点，注意协调零件粗加工余量；
步骤3、粗加工
①加工基准确定：以修正后的平面B为定位基准，以步骤2中确定的粗加工原点位置作为加工坐标系基准；
②内外形余量设置：粗加工余量等于模锻件毛料外形最小余量；
③加工方案：分层均匀去除零件内外形毛料余量，去除毛料模压边，重点去除“A”字型开衩处余量，去除余量时应对称去除，避免单侧去除；
④铣半精加工基准孔：粗加工原点位置加工为粗、精铣基准孔(15)，钻另外一处粗铣基准孔(16)，两处基准孔用于半精加工确定加工原点；
步骤4、去除侧面顶紧压板(3)，安排时效；
步骤5、修正定位平面
①自由状态下，修正模锻件A面、B面平面；
②装夹定位方式，通过机床平台平面定位，零件四周采用侧面顶紧压板(3)挤住，确保模锻件毛料不受轴向力；
步骤6、半精加工内外形；
①余量设置：内外形均匀留余量；
②加工过程：以步骤5修正后的平面A为定位基准，以步骤3中确定的两处基准孔建立加工坐标系，加工B面内形；
以步骤5修正后的平面B为定位基准，以步骤3中确定的两处基准孔建立加工坐标系，加工A面内形；
③加工辅助凸台，加工开叉处压紧凸台(12)用于后续精加工零件定位，加工台阶凸台(13)，用于精加工零件装夹压紧，加工端头压紧凸台(14)用于后续装夹和定位；
④修正精加工基准孔，将两处粗、精铣基准孔(15)和粗铣基准孔(16)扩大，用于后续加工坐标原点的确定；
步骤7、重复步骤4；
步骤8、重复步骤5；
步骤9、重复步骤6，其中步骤6中的步骤④内容更改为，加工粗、精铣基准孔(15)和精铣基准孔(17)，用于后续精加工坐标原点的确定；
步骤10、精加工第一面内外形
①应用精加工工装装夹零件，定位平面为B面平面，工装高度为H，H＝(机床主轴头最大外廓尺寸/2)+100，将零件抬高，便于在步骤②中机床摆90°高效加工外侧半封闭槽腔；
②加工坐标原点的确认，以步骤8中修正的平面B为定位平面，通过两处定位销(8)定位零件，以步骤9中修正的两处基准孔建立精加工坐标原点；
③精加工方案：加工零件内形时，拧紧压紧螺栓(9)，压紧两端头压板及4处压板支撑(6)上的压板，移除内形4处压板；
加工零件外外形时，移除4处压板支撑(6)上的压板，压紧内形4处压板；
加工零件外侧半封闭槽腔时，机床主轴头(18)可摆角90°，实现外侧半封闭槽腔高效精准加工；
加工零件内侧半封闭槽腔时，机床可安装90°角度头(19)辅助加工，实现内侧半封闭槽腔的高效精准加工；
④加工第二面基准
第一面内外形加工完成后，将开叉处压紧凸台(12)和端头压紧凸台(14)上粗、精铣基准孔(15)和精铣基准孔(17)扩大，用于确定第二面加工基准；
步骤11、精加工第二面内外形
①加工坐标原点的确认，以第一面精加工的两处基准孔建立加工坐标原点；
②工装以精加工后平面A为定位基准，以第一面加工的粗、精铣基准孔(15)和精铣基准孔(17)定位，通过压紧螺栓(9)、压板(10)、双侧压紧压板(11)将毛料压紧在通用装夹平台(20)上；
③精加工第二面内形。
3.所述的“A”字型铝合金整体结构梁模锻件数控加工工装，其特征在于，用于实现权利要求1或2任一所述的加工方法，所述的“A”字型铝合金整体结构梁模锻件数控加工工装包括工装底座(4)、支撑体(5)、压板支撑(6)、T型槽(7)、定位销(8)、螺栓(9)、单侧压紧压板(10)，双侧压紧压板(11)；支撑体(5)外形按零件外形设计，支撑体(5)与底座(4)通过焊接形式连接，压板支撑(6)与工装底座(4)通过T型槽(7)连接，T型槽(7)设置在压板支撑(6)底端，单侧压紧压板(10)和双侧压紧压板(11)通过螺栓拧紧的形式压紧零件，定位销(8)用于零件定位；螺栓(9)通过在粗铣基准孔(16)内拧紧的方式压紧零件。
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