CN102069357A

CN102069357A - 弹性支架数控加工方法

Info

Publication number: CN102069357A
Application number: CN 201010617555
Authority: CN
Inventors: 申坤; 李仁杰; 杜津贤; 郭拥军
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: CN102069357B

Abstract

弹性支架数控加工方法，(1)对待加工棒料按照弹性支架的设计图纸进行粗车；(2)对粗车后得到的工件进行时效处理，去除应力；(3)夹住工艺夹头，对经过步骤(2)处理后的工件进行数控精车，去除步骤(1)中所述的余量，并在外圆端面精镗出六个均布的铣工安装孔，加工完成后切段工艺夹头；(4)对步骤(3)处理后的工件进行高低温循环处理，稳定工件尺寸及进一步消除机加应力；(5)将步骤(4)处理后的工件安装在胎具上进行数控精铣，精铣过程中，切削深度不大于0.2mm，精铣余量不高于0.05mm，刀具直径小于Φ3，主轴转速高于5000r/min，进给速度小于250mm/min；(6)将工件从上述胎具上拆下，在普通精密车床上精车弹性支架空心轴的锥面。

Description

弹性支架数控加工方法

技术领域

本发明涉及一种弹性支架的数控加工方法，尤其是涉及高轨道卫星光学敏感器产品轴系组件实现长寿命、高可靠性能的关键方法。

背景技术

摆动式红外地球敏感器应用于高轨道卫星平台上的众多卫星，需求量大。轴系是该类型红外地球敏感器上的重要组成部分。提高轴系的长寿命、高可靠是五院“十五”可靠性增长项目。而弹性支架又是摆动式红外地球敏感器轴系组件中的重要零件，支撑摆镜，它的质量是能否实现整个红外地球敏感器实现长寿命、高可靠的关键。

1)弹性支架形状复杂，(如图1所示)，弹簧片厚度薄，易变形，关键尺寸即弹簧片的厚度的公差要求严格，尺寸控制比较难。

2)内外圆弧需要用非标准的成型铣刀加工出圆角，(如图2所示)，且要求内外圆弧处与平面平滑过渡。

3)由于弹性支架的需求量与日俱增，要进行批量生产，这就要求有稳定的工艺，有较高的合格率，且加工的零件尺寸一致性好。

弹性支架以往曾进行过多个回合的加工，一直是采用传统的手工加工方式。但由于受客观条件所限，加工出的零件，不论是合格率，还是质量都远远不能满足型号的需要。

1)传统加工尺寸控制不稳定，波动大，超差严重，合格率低。

我们曾对用传统方法加工的某批次弹性支架的弹簧片的厚度1、厚度2和厚度4(见表1)的123个计量结果进行了分析。

结果：X_max＝48mm，X_min＝35mm，极差R＝13mm，将数据分为14组，即k＝14mm，则组距h＝R/k＝13/14＝0.92≈1，因为最小测量单位是1，所以取界限值为0.5，将各计量数据对号入座，得各组尺寸频数分布表：

表1 传统加工方法某批次弹性支架关键尺寸频数分布表

分别按数据值和频数值比例画横坐标和纵坐标，画直方图，如图3所示，从图中可以看出，尺寸波动大，且有一大部分落在了公差范围外。经统计，合格尺寸约占66％。但综合考虑其它因素，则该批次合格率不足20％。

2)传统加工很难保证拐角处的壁厚要求，也很难保证内外圆弧处的平滑过渡。

3)传统加工受人为因素影响比较大，加工者的经验、身体状况、情绪等因素都会影响到加工的质量。由于弹性支架的尺寸精度要求高，加工者的注意力需要长时间保持高度集中，难免会产生疲劳。加上批量化的要求，很难保证尺寸的一致性和零件的合格率。

4)由于手动设备本身的局限性，加工时冷却不充分，加工产生的热量散不出去，造成加工应力比较大。因此工艺上需要进行多次的热处理以消除加工应力，这就造成了加工周期长，效率低，很难保证进度的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种弹性支架的数控加工方法，该方法能够保证弹性支架的合格率达到85％，并能够批量生产。

本发明的技术解决方案是：弹性支架数控加工方法，所述的弹性支架为一个圆环连接三个均布的异型弹簧片，中心处为空心轴，空心轴的上半部分为锥面；步骤如下：

(1)对待加工棒料按照弹性支架的设计图纸进行粗车，其中，外圆尺寸单边留0.5±0.1mm余量，轴向留0.75±0.05mm余量，留工艺夹头长度大于8mm，空心轴内孔留余量0.5±0.01mm；

(2)对粗车后得到的工件进行时效处理，去除应力；

(3)夹住工艺夹头，对经过步骤(2)处理后的工件进行数控精车，去除步骤(1)中所述的余量，并在外圆端面精镗出六个均布的铣工安装孔，加工完成后切段工艺夹头；

(4)对步骤(3)处理后的工件进行高低温循环处理，稳定工件尺寸及进一步消除机加应力；

(5)将步骤(4)处理后的工件安装在胎具上进行数控精铣，精铣时先采用内圆弧刀具铣弹性支架的弹簧片的内圆弧，然后采用外圆弧刀具铣削弹性支架的弹簧片的外圆弧，要求铣削过程中，对三个弹簧片循环进行铣削，并且刀具在每个弹簧片的铣削方向一致；最后铣去弹簧片之间的三个扇形区，采用尖角刀具去除铣削时产生的毛刺；

精铣过程中，切削深度不大于0.2mm，精铣余量不高于0.05mm，主轴转速高于5000r/min，进给速度小于250mm/min；

所述的胎具包括底座、安装片、组合压板，底座具有三角稳固支撑的结构，工件的六个铣工安装孔配装在安装片的中心安装孔上，安装片固定在底座上，组合压板外圈安装在安装片上，固定在外圈的楔形块将工件压紧；

所述的刀具采用成型刀具，包括内圆弧刀具、外圆弧刀具和尖角刀具，要求刀具圆角与弹性支架上弹簧片的内、外圆弧要求一致；

(6)将工件从上述胎具上拆下，在普通精密车床上精车弹性支架空心轴的锥面。

在所述步骤(5)中去除毛刺后，将工件卸下，检测弹簧片厚度，根据检测结果修正数控程序，控制刀具磨损对工件尺寸的影响。

所述步骤(2)时效处理为将工件放入电热鼓风干燥箱中，随干燥箱一起加热到190℃±5℃保温八小时，冷却至常温。

所述步骤(4)中的高低温循环处理过程如下：

第一步，在电热鼓风干燥箱中加热至140～160℃，保温2小时，将工件在空气中冷却至室温后，置于SLXII型深冷箱或自制液氮箱中降温，温度低于-180℃保温2小时，将工件至于空气中回温至室温；

第二步，将上述第一步重复执行一次；

第三步，将工件置于电热鼓风干燥箱中加热至140～160℃，保温4～6小时后，在空气中降温至室温。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明方法针对弹性支架形状复杂，弹簧片厚度薄，易变形，关键尺寸公差要求严格，尺寸控制比较难的技术难点，通过制定合理的数控加工工艺过程，使工件的薄壁处无变形，尺寸稳定，满足设计要求。设计实用的数控精铣的安装胎具，实现通过一次装夹，完成全部加工。

(2)采用本发明方法，弹性支架的加工合格率从不到20％，提高到95％，远远高于设定目标85％，说明此项技术的发明是非常成功的，可以保证型号任务对该零件的需求，为可靠性增长项目总目标的顺利完成做出了重要贡献。

附图说明

图1为零件结构和外形尺寸简图；

图2为内外圆弧说明图；

图3为传统加工方法某批次弹性支架计量报告分析结果直方图；

图4为本发明流程图；

图5为本发明实施例粗车示意图，5a为主视图，5b为5a的A-A剖视图；

图6为本发明实施例数控精车后工件示意图，6a为主视图，6b为6a的A-A剖视图；

图7为本发明高低温循环处理流程图；

图8为本发明加工三个弹簧片的刀具轨迹示意图；

图9为本发明胎具示意图；

图10为本发明实施例与现有技术弹簧片关键尺寸对比图。

具体实施方式

下面结合具体的例子对本方面进行详细说明，如图1所示，待加工的弹性支架，为硬铝合金的弹性零件。具体结构为一个Φ40厚2mm的圆环连接三个均布的厚度0.425mm的异型弹簧片，异型弹簧片具有如图2所示的多个内圆弧和外圆弧；中心处长为7mm的空心轴，空心轴的上半部分为15度的锥面；首先进行难点分析：

1)弹性支架形状复杂，弹簧片厚度薄，易变形，关键尺寸公差要求严格，尺寸控制比较难。

2)内外圆弧需要用非标准的成型铣刀加工出圆角，且要求内外圆弧处与平面平滑过渡。

3)由于弹性支架的需求量与日俱增，要进行批量生产，这就要求有稳定的工艺，有较高的合格率，且加工的零件尺寸一致性好。弹性支架以往曾进行过多个回合的加工，一直是采用传统的手工加工方式。但由于受客观条件所限，加工出的零件，不论是合格率，还是质量都远远不能满足型号的需要。

如图4所示，本发明弹性支架数控加工方法，具体步骤如下：

(1)对待加工棒料按照弹性支架的设计图纸进行粗车如图5所示，其中，外圆尺寸单边留0.5±0.1mm余量，轴向留0.75±0.05mm余量，留工艺夹头长度，直径15±0.1mm，内孔留余量0.5±0.01mm；

(2)对粗车后得到的工件进行时效处理，去除应力；具体为将工件放入电热鼓风干燥箱中，随干燥箱一起加热到190℃±5℃保温八小时，并冷却至常温；

(3)夹住工艺夹头，对经过步骤(2)处理后的工件进行数控精车，去除步骤(1)中所述的余量，并外圆端面精镗出六个均布的铣工安装孔，加工完成后切段工艺夹头，如图6所示；

(4)对步骤(3)处理后的工件进行高低温循环处理，稳定工件尺寸及进一步消除机加应力；具体如图7所示：

第二步，将上述第一步重复执行一次；

(5)将步骤(4)处理后的工件安装在胎具上进行数控精铣，精铣时先采用内圆弧刀具铣弹性支架的弹簧片的内圆弧，然后采用外圆弧刀具铣削弹性支架的弹簧片的外圆弧，要求铣削过程中，对三个弹簧片循环进行加工，以避免后面的加工影响到先前加工完成的尺寸，并要求刀具在每个弹簧片的切削方向一致，使三个弹簧片一致性得到提高，如图8所示；最后铣去弹簧片之间的三个扇形区，采用尖角刀具去除铣削时产生的毛刺；

本发明可以通过在CAD/CAM软件中创建弹性支架的三维模型，生成精铣过程中的数控程序，本例中通过UG软件优化刀具轨迹，保证三个弹簧片尺寸的一致性。

切削深度不大于0.2mm，精铣余量不高于0.05mm，主轴转速高于5000r/min，进给速度小于250mm/min；

本例中采用下表所示的参数进行精铣。

所述的胎具如图9所示：包括底座1、安装片2、组合压板3，底座1具有三角稳固支撑的结构，工件的六个铣工安装孔配装在安装片2的中心安装孔上，安装片2固定在底座1上，组合压板3外圈安装在安装片上，固定在外圈31的楔形块32将工件压紧；该胎具为分体式结构，以提高零件安装的方便性，而且若以后再投产，此胎具可重复使用。

所述的刀具采用成型刀具，包括内圆弧刀具、外圆弧刀具和尖角刀具，内圆弧刀具、外圆弧刀具要求刀具圆角与弹性支架上弹簧片的内、外圆弧要求一致。

在上述步骤(5)中去除毛刺后，将工件卸下，检测弹簧片厚度，根据检测结果修正数控程序，控制刀具磨损对工件尺寸的影响，保证下一个加工的工件合格。

(6)将工件从上述胎具上卸下，在普通精密车床上精车弹性支架空心轴的15度锥面。

实际加工过程中，在每件工件加工前根据前一件零件的测量数据判断该刀的磨损情况以及是否需要补偿。

加工结果：

共投产弹性支架21件，成品率为100％。按照上述工艺进行加工完成后，为检查实施效果和统计数据分布情况，除一件因自检出有一不合格尺寸，未送计量外，将其余的20件成品拿到计量部门进行计量，计量结果见表2。

表2 加工实测数据(单位：mm)

从表中可以看出，送检的20件弹性支架的弹簧片的厚度作为关键尺寸均在公差范围内，考虑到未送检的1件，零件合格率约为95％，高于先前设定的目标85％。为了与采用传统加工方法的情况进行比较，特绘制发明前后关键尺寸波动对比图，如图10所示，Tu为尺寸公差的上限值、Tm为尺寸理论值、Tl为尺寸公差的下限值，从图中可以看出，本发明相对现有技术，弹簧片的关键尺寸，即弹簧片的厚度波动较小，说明本发明加工方法能够有效控制关键尺寸的合格率，稳定性好。

此发明的成功开展，既保证了各型号任务的需求，又为此类零件的加工积累了宝贵的经验，对技术参与人员是个很好的锻炼，极大地提高了他们的技术水平。增强了相关技术领域的技术储备。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims

1.弹性支架数控加工方法，所述的弹性支架为一个圆环连接三个均布的异型弹簧片，中心处为空心轴，空心轴的上半部分为锥面；其特征在于步骤如下：

(2)对粗车后得到的工件进行时效处理，去除应力；

2.根据权利要求1所述的弹性支架数控加工方法，其特征在于：在所述步骤(5)中去除毛刺后，将工件卸下，检测弹簧片厚度，根据检测结果修正数控程序，控制刀具磨损对工件尺寸的影响。

3.根据权利要求1所述的弹性支架数控加工方法，其特征在于：所述步骤(2)时效处理为将工件放入电热鼓风干燥箱中，随干燥箱一起加热到190℃±5℃保温八小时，冷却至常温。

4.根据权利要求1所述的弹性支架数控加工方法，其特征在于所述步骤(4)中的高低温循环处理过程如下：

第二步，将上述第一步重复执行一次；