CN103639655B - 一种大曲率全型面薄壁件的制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种大曲率全型面薄壁件的制造工艺，以解决超复杂空间薄壁曲面的加工变形和振动问题。通过合理的工艺布局，采用分段逐层加工方式，选择合适的刀具与刀柄，设置每道工序的加工余量，安排自然时效时间，优化切削工艺参数和走刀策略，保证零件均匀的材料去除量，同时采用加装垫块定位和石膏填充法，解决零件加工中的装夹和振动问题，增加零件的加工刚性和装夹稳定性，控制零件加工过程中的变形，保证零件尺寸和精度。

Description

一种大曲率全型面薄壁件的制造工艺

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，特别涉及一种大曲率全型面薄壁件的制造工艺。

背景技术

加工零件为三角形整体结构的某飞机蛇形进气道唇口，属大曲率全型面薄壁结构件。零件形状复杂，曲率变化很大，内腔与筒体蒙皮、外腔与前机身多块外形蒙皮连接，结构上内腔、外腔均要加工出与蒙皮连接的下陷。内腔与筒体蒙皮、外腔与前机身外形蒙皮连接面均为空间曲面，加工定位困难，且型面凹槽深而狭窄，呈V形布局，凹槽开口角度约30°。唇口尺寸较大、刚性弱、壁厚仅为1.5mm，加工容易变形，外形公差及表面质量要求高，尺寸公差要求严格。对比飞机进气道唇口零件，本文所涉及的唇口零件具有特殊性：① 零件为大曲率全型面薄壁结构，型面均为空间曲面，壁厚均为1.5mm，一般飞机进气道唇口零件壁厚为2～3mm，外形一般为直纹面，变化曲率较小。② 零件型面无加强筋，刚性弱，一般飞机进气道唇口零件内侧均有筋条连接，刚性较强。③ 零件型面均为空间曲面，且壁薄，无定位基准，其复杂的形状无法采用真空吸咐装夹方式，一般飞机薄壁结构件有定位基准，或可采用真空吸咐方式装夹，保证最后一面薄壁的刚性。④ 零件壁厚均为1.5mm，型面有效深度达到196mm，型面深度与厚度之比达到126.7，飞机结构件曲面深度与高度之比一般为10 ～30。针对具有全型面、大曲率、大型薄壁、深而窄的腔体特征的唇口零件，无论是设计还是制造，在国内尚属首次，因此，大曲率全型面薄壁件的制造工艺在国内尚属首次实现，经查阅文献资料，国内未见相同公开研究文献报道。

加工该零件有以下三大难点：1）零件为复杂曲面薄壁件，型面深度与厚度之比高达126.7，加工中零件的变形难以控制；2）零件型面均为空间曲面，无装夹定位基准，零件定位装夹困难，加工时易产生振动；3）零件型面结构复杂，凹槽深而狭窄，零件工艺方案的制定、程序的编制、合理的切削方式难以定制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种大曲率全型面薄壁件的制造工艺，以解决超复杂空间薄壁曲面的加工变形和振动问题。通过合理的工艺布局，采用分段逐层加工方式，选择合适的刀具与刀柄，设置每道工序的加工余量，安排自然时效时间，优化切削工艺参数和走刀策略，保证零件均匀的材料去除量，同时采用加装垫块定位和石膏填充法，解决零件加工中的装夹和振动问题，增加零件的加工刚性和装夹稳定性，控制零件加工过程中的变形，保证零件尺寸和精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大曲率全型面薄壁件的制造工艺，它包括如下步骤：

1）外腔型面粗加工：

以内腔型面工艺凸台底面定位，螺钉装夹，采用三把不同悬长的刀具分三段粗加工外腔型面，刀具悬长递增，粗加工后零件预留5mm工艺余量，以保证内腔型面的加工刚性，并在工艺凸台表面铣出内腔型面加工基准面；

2）内腔型面粗加工：

零件翻面，以外腔型面粗加工铣出的基准面定位，螺钉装夹，采用三把不同悬长的刀具分三段粗加工内腔型面，刀具悬长递增，粗加工后零件预留3mm工艺余量，用于内腔型面的半精加工和精加工时的材料去除量；

3）自然时效：＞48小时，用于释放粗加工过程中因材料塑性变形和切削热引起的机加应力；

4）打平面消除变形，并扩、铰工艺孔：

打平面消除时效过程中的零件变形，并为后续半精加工、精加工内腔型面提供定位基准，扩铰工艺孔，保证工艺孔垂直度，利于确定精确的加工坐标系；

5）内腔型面半精和精加工：

a. 加工内腔外型面：分两段加工内腔外型面，每段先半精加工，然后精加工到位，半精加工后预留1mm工艺余量；

b. 加工内腔V型槽：采用两把不同悬长的刀具分三段半精加工、精加工内腔V型槽，逐段到位，刀具悬长递增，第一段每层加工后预留工艺余量安排为3mm→2.5mm→0mm，2.5mm的工艺余量保证了凹槽型面精加工到位时的加工刚性；第二段每层加工后预留工艺余量安排为3mm→2.5mm→0mm，第三段为内腔V型槽槽底，为了避免零件振动和因刀具太长引起刀具振动，选用小刀具与加长刀柄组合的方式分两层小切削加工到位，预留工艺余量安排为1mm → 0.4mm → 0mm；

c. 为降低刀具悬长和防止机床与零件干涉，工艺凸台四周铣成凹槽结构，将铣出三块垫块镶于工艺凸台凹槽处，在垫块上铣出外腔型面加工基准，垫块即可作为定位基准，在后续石膏填充法中起到了限制石膏流动的作用；

6）填充石膏：

在内腔腔体、内腔型面与垫块围成的腔体内填充呈流体状态石膏，待石膏凝固之后，修平石膏面，保证石膏面与垫块面齐平，石膏面和垫块面作为外腔型面加工基准，并解决外腔型面半精加工和精加工过程中零件的振动问题，提高零件的加工刚性；

7）外腔型面半精和精加工：

以石膏底面与垫块底面，螺钉装夹，防止加工时的振动，选用长径比≤5的刀具，分三段两层加工到位，半精加工后零件预留2.5mm工艺余量，然后精加工到位，并去除工艺补块，

8）钳工打光：修锉加工死角、打光内腔、外腔型面。

所述三把不同悬长的刀具的尺寸分别为Φ16R2、Φ12R6、20R3的刀具。

本发明的有益效果为：

本发明为大曲率全型面薄壁件的制造提供了一种工艺解决方案，石膏填充法和分段逐层加工方法增强了零件的装夹稳定性和加工刚性，有效控制了超复杂空间薄壁曲面的加工变形，解决了零件的装夹、定位难题，避免了大曲率全型面薄壁件加工过程中的振动问题，有效控制了零件加工过程中的变形，保证了零件尺寸和精度。在实际加工前，采用几何仿真技术对数控程序质量进行控制，有效检查刀具与机床或夹具之间的干涉、碰撞及过切或残留等情况，验证数控程序的正确性和合理性，有效控制数控程序质量。

附图说明

图1是本发明中大曲率全型面薄壁结构件局部截面示意图。

图中：1-外腔型面；2-内腔型面；3-内腔V型槽。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步说明，如附图1所示，本发明所涉及的大曲率全型面薄壁结构件由外腔型面1、内腔型面2和内腔V型槽3组成，型面均为空间曲面，最大开敞、无筋条支撑曲面面积达0.397m²，型面有效深度为196mm，型面凹槽深而狭窄，呈V形布局，凹槽开口角度约30°，深度为100mm。

本发明的一种大曲率全型面薄壁结构件的制造工艺，采用五座标高速铣进行外腔型面粗加工、内腔型面粗加工、内腔型面半精和精加工、外腔型面半精和精加工、钳工打光，采用加装垫块定位和石膏填充法进行装夹定位，其特征在于，其制造工艺流程为：

1）外腔型面粗加工：

以内腔型面工艺凸台底面定位，螺钉装夹，采用三把不同悬长的刀具分三段粗加工外腔型面，刀具悬长递增，粗加工后零件预留5mm工艺余量，以保证内腔型面的加工刚性，并在工艺凸台表面铣出内腔型面加工基准面。

2）内腔型面粗加工：

零件翻面，以外腔型面粗加工铣出的基准面定位，螺钉装夹，采用三把不同悬长的刀具分三段粗加工内腔型面，刀具悬长递增，粗加工后零件预留3mm工艺余量，用于内腔型面的半精加工和精加工时的材料去除量。

3）自然时效：＞48小时，用于释放粗加工过程中因材料塑性变形和切削热引起的机加应力。

4）打平面消除变形，并扩、铰工艺孔：

打平面消除时效过程中的零件变形，并为后续半精加工、精加工内腔型面提供定位基准。扩铰工艺孔，保证工艺孔垂直度，利于确定精确的加工坐标系。

5）内腔型面半精和精加工：

a. 加工内腔外型面：分两段加工内腔外型面，每段先半精加工，然后精加工到位，半精加工后预留1mm工艺余量。

b. 加工内腔V型槽：采用两把不同悬长的刀具分三段半精加工、精加工内腔V型槽，逐段到位，刀具悬长递增，第一段每层加工后预留工艺余量安排为3mm→2.5mm→0mm，2.5mm的工艺余量保证了凹槽型面精加工到位时的加工刚性；第二段每层加工后预留工艺余量安排为3mm→2.5mm→0mm。第三段为内腔V型槽槽底，为了避免零件振动和因刀具太长引起刀具振动，选用小刀具与加长刀柄组合的方式分两层小切削加工到位，预留工艺余量安排为1mm→0.4mm→0mm。

c. 为降低刀具悬长和防止机床与零件干涉，工艺凸台四周铣成凹槽结构。将铣出三块垫块镶于工艺凸台凹槽处，在垫块上铣出外腔型面加工基准，垫块即可作为定位基准，在后续石膏填充法中起到了限制石膏流动的作用。

6）填充石膏：

在内腔腔体、内腔型面与垫块围成的腔体内填充呈流体状态石膏，待石膏凝固之后，修平石膏面，保证石膏面与垫块面齐平，石膏面和垫块面作为外腔型面加工基准，并解决外腔型面半精加工和精加工过程中零件的振动问题，提高零件的加工刚性。

7）外腔型面半精和精加工：

以石膏底面与垫块底面，螺钉装夹，防止加工时的振动，选用长径比≤5的刀具，分三段两层加工到位，半精加工后零件预留2.5mm工艺余量，然后精加工到位，并去除工艺补块。

8）钳工打光：修锉加工死角、打光内腔、外腔型面。

所述零件特征为大曲率全型面薄壁件。

具体参数如下：

1）型面粗加工：

使用机床：五座标高速数控铣床；

使用刀具：不同悬长的三把Φ20R3整体硬质合金铣刀；

加工参数：切深1~3mm；切宽8~12mm；零件留余量5mm；

机床转速：15000rpm～18000rpm；

切削速度：6000～10000mmpm。

2）内腔V形槽粗加工：

使用机床：五座标高速数控铣床；

使用刀具：Φ16R2和Φ12R6整体硬质合金铣刀；

加工参数：切深1~1.5mm；切宽5~8mm；内腔V形槽槽底留余量1mm，其余3mm；

机床转速：12000rpm～18000rpm；

切削速度：3000～6000mmpm。

3）型面半精加工：

使用机床：五座标高速数控铣床；

使用刀具：Φ20R3整体硬质合金铣刀；

加工参数：切深1mm；切宽1mm；零件留余量1mm；

机床转速：16000rpm～18000rpm；

切削速度：6000～8000mmpm。

4）内腔V形槽半精加工：

使用机床：五座标高速数控铣床；

使用刀具：两把Φ12R6不同悬长整体硬质合金铣刀；

加工参数：切深0.8~1mm；切宽0.5~0.6mm； V形槽槽底留余量0.4mm，其余2.5mm；

机床转速：12000rpm～15000rpm；

切削速度：3000～4000mmpm。

5）型面精加工：

使用机床：五座标高速数控铣床；

使用刀具：Φ20R3整体硬质合金铣刀；

加工参数：切深0.4mm；切宽0.5mm；

机床转速：15000rpm～16000rpm；

切削速度：6000～8000mmpm。

6）内腔V形槽精加工：

使用机床：五座标高速数控铣床；

使用刀具：两把Φ12R6不同悬长整体硬质合金铣刀；

加工参数：切深0.4mm；切宽0.4～0.6mm；

机床转速：12000rpm～15000rpm；

切削速度：3000～4000mmpm。

以上制造工艺，用于加工大曲率全型面薄壁类零件，可以增强零件装夹稳定性和加工刚性，有效控制零件变形，保证零件尺寸及精度。

Claims (2)

1.一种大曲率全型面薄壁件的制造工艺，其特征在于它包括如下步骤：

1）外腔型面粗加工 ：

以内腔型面工艺凸台底面定位，螺钉装夹，采用三把不同悬长的刀具分三段粗加工外腔型面，刀具悬长递增，粗加工后零件预留 5mm 工艺余量，以保证内腔型面的加工刚性，并在工艺凸台表面铣出内腔型面加工基准面 ；

2）内腔型面粗加工 ：

零件翻面，以外腔型面粗加工铣出的基准面定位，螺钉装夹，采用三把不同悬长的刀具分三段粗加工内腔型面，刀具悬长递增，粗加工后零件预留 3mm 工艺余量，用于内腔型面的半精加工和精加工时的材料去除量 ；

3）自然时效 ：＞ 48小时，用于释放粗加工过程中因材料塑性变形和切削热引起的机加应力 ；

4）打平面消除变形，并扩、铰工艺孔：

打平面消除时效过程中的零件变形，并为后续半精加工、精加工内腔型面提供定位基准，扩铰工艺孔，保证工艺孔垂直度，利于确定精确的加工坐标系 ；

5）内腔型面半精和精加工 ：

a. 加工内腔外型面 ：分两段加工内腔外型面，每段先半精加工，然后精加工到位，半精加工后预留 1mm 工艺余量 ；

b. 加工内腔V型槽 ：采用两把不同悬长的刀具分三段半精加工、精加工内腔V型槽，逐段到位，刀具悬长递增，第一段每层加工后预留工艺余量安排为3mm→2.5mm→0mm，2.5mm的工艺余量保证了凹槽型面精加工到位时的加工刚性 ；第二段每层加工后预留工艺余量安排为3mm→2.5mm→0mm，第三段为内腔V型槽槽底，为了避免零件振动和因刀具太长引起刀具振动，选用小刀具与加长刀柄组合的方式分两层小切削加工到位，预留工艺余量安排为1mm → 0.4mm → 0mm；

c. 为降低刀具悬长和防止机床与零件干涉，工艺凸台四周铣成凹槽结构，将铣出三块垫块镶于工艺凸台凹槽处，在垫块上铣出外腔型面加工基准，垫块即可作为定位基准，在后续石膏填充法中起到了限制石膏流动的作用 ；

6）填充石膏 ：

在内腔腔体、内腔型面与垫块围成的腔体内填充呈流体状态石膏，待石膏凝固之后，修平石膏面，保证石膏面与垫块面齐平，石膏面和垫块面作为外腔型面加工基准，并解决外腔型面半精加工和精加工过程中零件的振动问题，提高零件的加工刚性；

7）外腔型面半精和精加工 ：

以石膏底面与垫块底面，螺钉装夹，防止加工时的振动，选用长径比≤ 5 的刀具，分三段两层加工到位，半精加工后零件预留 2.5mm 工艺余量，然后精加工到位，并去除工艺补块，

8）钳工打光 ：修锉加工死角、打光内腔、外腔型面。

2.根据权利要求 1 所述的大曲率全型面薄壁件的制造工艺，其特征在于 ：所述三把不同悬长的刀具的尺寸为Φ20R3 的刀具。