CN103753124B - 大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法 - Google Patents

大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法，属于复杂结构件机械加工方法。所述大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法包括以下步骤步骤1，加工测量基准步骤；步骤2，毛坯的三维扫描及检测步骤；步骤3，自适应加工粗基准步骤；步骤4，粗加工外形步骤；步骤5，尺寸检测及三维扫描步骤；步骤6，热处理步骤；步骤7，三维扫描及检测步骤；步骤8，精加工基准步骤；步骤9，精加工外形步骤；步骤10，对壳体进行检测。本发明大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法可全面分析铸造尺寸精度及余量、快速确定加工基准、控制壁厚均匀性、加工变形小，能保证壳体质量，减少制造周期。

Description

大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法
技术领域
本发明涉及复杂结构件机械加工方法，特别涉及一种大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法。
背景技术
20世纪60年代世界各国开始研究应用钛合金精密铸造技术，经过几十年的研究和应用，证明钛合金铸件作为航空、航天构件是安全可靠的，其性能和可靠性可与塑性变形构件相媲美，有的已接近锻件，而制造成本、生产周期明显优于塑性变形构件。而且整体铸件消除了机械连结，减少了组件数量，减轻了结构件的重量，提高了结构的整体性。
随着我国航空航天产品的更新换代，对结构件整体性、壁厚、尺寸精度、材料性能等要求的不断提高，大型整体钛合金精密铸件的需求越来越大。为适应产品研制的需要，主要采用钛合金熔模铸造或石墨铸造后，对装配面、连接面等机械加工而成。
钛合金薄壁网格结构菱形舱段壳体具有以下特点：
（1）壳体外形尺寸大、网格结构、壁薄、刚性弱；
（2）舱段壳体尺寸协调关系多；
（3）壳体铸造存在变形和收缩，铸造后轮廓度、壁厚均匀性、加工余量等与理论状态有较大差异；
（4）铸造存在缺陷，采用了补焊处理；
（5）产品存在铸造应力、焊接应力、装夹应力和切削应力；
（6）加工余量不均匀。
薄壁网格系指壳体为空心网格结构，壁厚小于12mm，在本领域壳体菱形边外接圆直径大于Φ1200mm、高度大于1000mm被认为是大型壳体。
现有铸造钛合金薄壁网格结构菱形舱段壳体的加工步骤如下：
（1）划线协调铸件各面余量；
（2）粗加工端面；
（3）粗加工外形；
（4）检测各面壁厚；
（5）划线协调端面及外形余量；
（6）精加工端面及对接孔；
（7）精加工外形。
现有加工方法无法全面检测铸件尺寸，导致铸件质量、铸件余量不能有效评估；不能准确地实现全尺寸约束下的基准协调，导致产品加工基准难以确定；壁厚均匀性难以控制，产品刚性弱，加工易变形。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可全面分析铸造尺寸精度及余量、快速确定加工基准、控制壁厚均匀性、加工变形小，能保证壳体质量，减少制造周期的大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法，包括以下步骤：步骤1，加工测量基准，找平壳体后端面，加工见光，然后找正后端框菱形外侧四边，确定中心，粗加工菱形四边；步骤2，对加工后的壳体毛坯三维扫描及检测，根据已加工的端面及菱形四边确定检测坐标系，对壳体内、外形进行扫描；以壳体内形为基准，将壳体铸件模型与壳体扫描模型进行最佳拟合；步骤3，自适应加工粗基准，将壳体后端面朝上，找正检测坐标系，以最佳拟合确定的协调关系进行坐标系偏置，然后对壳体端面进行加工，确定粗加工基准；步骤4，根据粗加工基准粗加工壳体外形；步骤5，尺寸检测及三维扫描，采用常规方法检测粗加工后壳体尺寸，采用三维检测方法，检测形位公差；步骤6，对检测后的壳体进行热处理；步骤7，三维扫描与检测，检测热处理后的壳体外形轮廓度形位公差，与热处理前进行对比，扫描壳体内外形，分析内形各面余量；步骤8，精加工基准，根据壳体内形余量的均匀性协调精加工基准；步骤9，根据精加工基准精加工壳体外形；步骤10，对精加工后壳体进行检测，采用常规方法检测线性尺寸，采用三维检测方法检测形位公差。
进一步地，步骤2包括：步骤2-1、以壳体已加工端面及菱形四边确定检测坐标系O1xyz，扫描壳体内外形；步骤2-2、以壳体内形为基准，将铸件模型与扫描模型进行最佳拟合，分析铸件内外形轮廓度及端面平面度；步骤2-3、检测壳体毛坯的缺量，加工余量分布情况；步骤2-4、在最佳拟合后，确定后端面、后端菱形中心与检测坐标系的位置关系。
进一步地，步骤3包括：步骤3-1、将壳体后端面朝上，找正后端面及已加工的菱形边，确定检测坐标系O1xyz；步骤3-2、以最佳拟合确定的协调关系进行坐标系偏置，确定实际加工坐标系O2xyz；步骤3-3、铣加工后端面，留余量2mm，并协调环向筋中心距前及后端面的距离；步骤3-4、铣加工后端内菱形边，单面留余量2mm；步骤3-5、加工后端面定位销孔，留余量2mm。
进一步地，步骤4包括：步骤4-1、以后端面及定位销孔定位，铣加工壳体前端面，留余量2mm；步骤4-2、铣削壳体外形，单边留余量不小于1.5mm。
进一步地，步骤5包括：步骤5-1、采用常规方法检测粗加工后壳体的尺寸；步骤5-2、采用三维检测方法，以后端面及定位销孔为基准检测壳体内、外形轮廓度等形位公差。
进一步地，步骤7包括：步骤7-1、以热处理后的壳体的后端面和销孔为基准检测外形轮廓度及形位公差，与壳体进行热处理前进行对比；步骤7-2、扫描壳体内外形，以后端面和销孔为基准将扫描模型与产品模型拟合，分析壳体内形各面余量。
进一步地，步骤8包括：步骤8-1、根据壳体内形各面余量判断内形余量的均匀性，加工后端面，去除余量，加工到设计尺寸；步骤8-2、加工后端面定位销孔和连接孔，至设计尺寸。
进一步地，步骤8包括：步骤8-3、根据壳体内形各面余量判断内形余量的均匀性，将三维扫描模型与产品模型以内形为基准重新拟合，确定拟合后坐标系的偏置量；步骤8-4、将加工程序进行坐标系偏置，加工后端面，去除余量，加工到设计尺寸；步骤8-5、加工后端内菱形边至设计尺寸；步骤86、加工后端面定位销孔和连接孔，至设计尺寸。
进一步地，步骤9包括：步骤9-1、以后端面和定位销孔为精加工基准定位，加工前端面及端面孔，至设计尺寸；步骤9-2、精加工壳体外形及下陷，至设计尺寸。
进一步地，步骤10包括：步骤10-1、采用常规方法检测精加工后壳体的线性尺寸；步骤10-2、以端面及销孔为基准，采用三维检测方法检测精加工后壳体内、外形轮廓度等形位公差。
本发明提供的一种大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法通过找平壳体后端面加工见光，然后找正后端框菱形外侧四边中心，粗加工菱形四边，确定检测基准；以壳体已加工端面及菱形四边确定检测坐标系，对加工后的壳体毛坯三维扫描及检测，然后以壳体内形为基准，将壳体铸件模型与壳体扫描模型进行最佳拟合；将壳体后端面朝上，找正检测坐标系，以最佳拟合确定的协调关系进行坐标系偏置，自适应加工壳体粗基准，然后根据粗基准粗加工壳体外形；对壳体进行尺寸检测及三维扫描，采用常规方法检测粗加工后壳体尺寸，采用三维检测方法检测形位公差；对检测后的壳体进行热处理，对热处理后的壳体进行三维扫描与检测，检测热处理后的壳体外形轮廓度形位公差，与热处理前进行对比，扫描壳体内外形，分析内形各面余量，根据壳体内形余量的均匀性协调精加工基准，根据精加工基准精加工壳体外形，加工完成后，对精加工后壳体进行检测，采用常规方法检测线性尺寸，采用三维检测方法检测形位公差，这样可全面分析铸造尺寸精度及余量、快速确定加工基准、控制壁厚均匀性、加工变形小，能保证壳体质量，减少制造周期。
附图说明
图1为本发明实施例提供的大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法。
图2为本发明实施例提供的铸造钛合金薄壁网格结构舱段壳体结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例提供的一种大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法，包括以下步骤：步骤1，加工测量基准，找平壳体后端面加工见光，见光面达80%即可，然后找正后端框菱形外侧四边，确定中心，粗加工菱形四边，各面见光80%即可。步骤2，对加工后的壳体毛坯三维扫描及检测，根据已加工端面及菱形四边确定检测坐标系，以壳体内形为基准，将壳体铸件模型与壳体扫描模型进行最佳拟合。其中三维扫描检测铸件质量，检测壳体铸件内、外形余量。步骤3，自适应加工粗基准，将壳体后端面朝上，找正检测坐标系，以最佳拟合确定的协调关系进行坐标系偏置，然后对壳体端面进行加工，确定粗加工基准。自适应加工是通过最佳拟合协调加工基准，确定加工坐标系。步骤4，根据粗加工基准粗加工壳体外形；步骤5，尺寸检测及三维扫描，采用常规方法检测粗加工后壳体线性尺寸，采用三维检测方法检测轮廓度及形位公差。步骤6，对检测后的壳体进行热处理。步骤7，三维扫描与检测，检测热处理后的壳体外形轮廓度及形位公差，与热处理前进行对比，扫描壳体内外形，分析内形各面余量。步骤8，精加工基准，根据壳体内形余量的均匀性协调加工精基准。步骤9，根据精加工基准精加工壳体外形。步骤10，对精加工后壳体进行检测，采用常规方法检测线性尺寸，采用三维检测方法检测轮廓度及形位公差。
步骤2包括：步骤2-1、以已加工的端面及菱形四边确定检测坐标系O1xyz，扫描壳体内外形；步骤2-2、以壳体内形为基准，将铸件模型与扫描模型进行最佳拟合，分析铸件内外形轮廓度及端面平面度；步骤2-3、检测壳体毛坯的缺量，加工余量分布情况；步骤2-4、在最佳拟合后，确定后端面、后端菱形中心与检测坐标系的位置关系。
步骤3包括：步骤3-1、将壳体后端面朝上，找正后端面及已加工的菱形边，确定检测坐标系O1xyz；步骤3-2、以三维扫描的最佳拟合确定的协调关系进行坐标系偏置，确定实际加工坐标系O2xyz；步骤3-3、铣加工后端面，留余量2mm，并协调环向筋中心距前及后端面的距离；步骤3-4、铣加工后端内菱形边，单面留余量2mm；步骤3-5、加工后端面定位销孔，留余量2mm。
步骤4包括：步骤4-1、以后端面及定位销孔定位，铣加工壳体前端面，留余量2mm；步骤4-2、铣削壳体外形，单边留余量不小于1.5mm。
步骤5包括：步骤5-1、采用常规方法检测粗加工后壳体的尺寸；步骤5-2、采用三维检测方法，以后端面及定位销孔为基准检测壳体内、外形轮廓度等形位公差。
步骤7包括：步骤7-1、以热处理后的壳体的后端面和销孔为基准检测外形轮廓度等形位公差，与壳体进行热处理前进行对比；步骤7-2、扫描壳体内外形，以后端面和销孔为基准将扫描模型与产品模型拟合，分析壳体内形各面余量。
步骤8包括：步骤8-1、根据壳体内形各面余量判断内形余量的均匀性，如果均匀，则加工后端面，去除余量，加工到设计尺寸；步骤8-2、加工后端面定位销孔和连接孔，至设计尺寸。
步骤8包括：步骤8-3、根据壳体内形各面余量判断内形余量的均匀性，如果不均匀，则将三维扫描模型与产品模型以内形为基准重新拟合，确定拟合后坐标系的偏置量；步骤8-4、将加工程序进行坐标系偏置，加工后端面，去除余量，加工到设计尺寸；步骤8-5、加工后端内菱形边至设计尺寸；步骤8-6、加工后端面定位销孔和连接孔，至设计尺寸。
步骤9包括：步骤9-1、以后端面和定位销孔为精加工基准定位，加工前端面及端面孔，至设计尺寸；步骤9-2、加工前端内菱形边至设计尺寸；步骤9-3、加工前端面销孔和连接孔，至设计尺寸；步骤9-4、精加工外形面及外形下陷。
步骤10包括：步骤10-1、采用常规方法检测精加工后壳体的线性尺寸；步骤10-2、以端面及销孔为基准，采用三维扫描方法检测精加工后壳体内、形轮廓度；步骤10-3、以后端面及销孔为基准，采用三坐标测量其它形位公差。
当使用本发明大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法时。
本发明的一个实施例，如图2所示，铸造钛合金薄壁网格结构舱段壳体1为薄壁菱形网格结构，毛坯由石墨型铸造而成。
壳体1理论高度应为1100mm，大端菱形长边尺寸为1348mm，小端菱形长边尺寸为1273mm，当对壳体1进行加工时，包括：
步骤1，加工测量基准步骤：
壳体1前端面定位，找平壳体1后端面，并将后端面加工见光，达80%见光面即可；找正后端框菱形外侧四边，确定中心，粗加工菱形四边，各面见光80%即可。
步骤2，壳体毛坯的三维扫描与检测步骤：
步骤2-1、以已加工的端面及菱形四边确定检测坐标系O1xyz，扫描壳体内外形；
步骤2-2、以壳体内形为基准，将铸件模型与扫描模型进行最佳拟合，分析铸件内外形轮廓度、端面平面度等；
步骤2-3、检测毛坯是否缺量，加工余量分布情况；
步骤2-4、在最佳拟合后，确定后端面、后端菱形中心与原检测坐标系的位置关系。
步骤3，自适应加工粗基准步骤：
步骤3-1、壳体前端面定位，找正后端面及已加工的菱形边，确定坐标系O1xyz；
步骤3-2、以最佳拟合确定的协调关系进行坐标系偏置，确定实际加工坐标系O2xyz；
步骤3-3、铣加工后端面，留余量2mm，并协调环向筋中心距前、后端面的距离，保证加工后轴向尺寸各有2mm余量；
步骤3-4、铣加工后端内菱形边，单面留余量2mm；
步骤3-5、加工后端面定位销孔，留余量2mm。
步骤4，粗加工外形步骤：
步骤4-1、根据测得的加工粗基准，上工装，以后端面及销孔定位，铣加工壳体前端面，留余量2mm；
步骤4-2、铣削壳体外形，单边留余量2mm。
步骤5，尺寸检测及三维扫描步骤：
步骤5-1、采用常规方法检测各线性尺寸；
步骤5-2、采用三维检测方法，以后端面及销孔为基准检测壳体内、外形轮廓度等形位公差。
步骤6，热处理步骤：采用真空退火，消除应力，产品变形控制在1mm以内。
步骤7，三维扫描与检测步骤：
步骤7-1、以后端面和销孔为基准检测外形轮廓度等形位公差，与热处理前进行对比；
步骤7-2、扫描壳体内外形，以后端面和销孔为基准拟合，分析内形各面余量。
步骤8，精加工基准步骤：
根据壳体1内形各面余量判断内形余量的均匀性，
当内形余量均匀时，采用：
步骤8-1、根据壳体内形各面余量判断内形余量的均匀性，如果均匀，则加工后端面，去除余量，加工到设计尺寸；
步骤8-2、加工后端面定位销孔和连接孔，至设计尺寸；
当内形余量不均匀时采用：
步骤8-3、将三维扫描的模型与产品模型以内形为基准重新拟合，确定拟合后坐标系的偏置量；
步骤8-4、以前端面定位，找正后端面及中心确定坐标系，运用拟合后的结果进行坐标系偏置，加工后端面至设计尺寸；
步骤8-5、加工后端内菱形边至设计尺寸；
步骤8-6、加工后端面销孔和连接孔，至设计尺寸。
步骤9，精加工外形步骤：
步骤9-1、根据精加工基准上工装，以后端面和销孔定位，加工前端面，保证高度尺寸至设计尺寸；
步骤9-2、加工前端内菱形边至设计尺寸；
步骤9-3、加工前端面销孔和连接孔，至设计尺寸；
步骤9-4、精加工外形面及外形下陷。
步骤10，检测步骤：
步骤101、采用常规方法检测线性尺寸；
步骤10-2、以后端面及销孔为基准，采用三维扫描检测产品内外形轮廓度；
步骤10-3、以后端面及销孔为基准，采用三坐标测量其它形位公差。
本发明提供的一种大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法通过找平壳体后端面加工见光，然后找正后端框菱形外侧四边中心，粗加工菱形四边，确定检测基准；以壳体已加工端面及菱形四边确定检测坐标系，对加工后的壳体毛坯三维扫描及检测，然后以壳体内形为基准，将壳体铸件模型与壳体扫描模型进行最佳拟合；将壳体后端面朝上，找正检测坐标系，以最佳拟合确定的协调关系进行坐标系偏置，自适应加工壳体粗基准，然后根据粗基准粗加工壳体外形；对壳体进行尺寸检测及三维扫描，采用常规方法检测粗加工后壳体尺寸，采用三维检测方法检测形位公差；对检测后的壳体进行热处理，对热处理后的壳体进行三维扫描与检测，检测热处理后的壳体外形轮廓度形位公差，与热处理前进行对比，扫描壳体内外形，分析内形各面余量，根据壳体内形余量的均匀性协调精加工基准，根据精加工基准精加工壳体外形，加工完成后，对精加工后壳体进行检测，采用常规方法检测线性尺寸，采用三维检测方法检测形位公差，这样可全面分析铸造尺寸精度及余量、快速确定加工基准、控制壁厚均匀性、加工变形小，能保证壳体质量，减少制造周期。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种大型铸造钛合金菱形舱段壳体加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，加工测量基准，找平壳体后端面，加工见光，然后找正后端框菱形外侧四边，确定中心，粗加工菱形四边；步骤2，对加工后的壳体毛坯三维扫描及检测，根据已加工的端面及菱形四边确定检测坐标系，对壳体内、外形进行扫描；以壳体内形为基准，将壳体铸件模型与壳体扫描模型进行最佳拟合；步骤3，自适应加工粗基准，将壳体后端面朝上，找正检测坐标系，以最佳拟合确定的协调关系进行坐标系偏置，然后对壳体端面进行加工，确定粗加工基准，所述自适应加工是通过最佳拟合协调加工基准，确定加工坐标系；步骤4，根据粗加工基准粗加工壳体外形；步骤5，尺寸检测及三维扫描，采用常规方法检测粗加工后壳体尺寸，采用三维检测方法，检测形位公差；步骤6，对检测后的壳体进行热处理；步骤7，三维扫描与检测，检测热处理后的壳体外形轮廓度形位公差，与热处理前进行对比，扫描壳体内外形，分析内形各面余量；步骤8，精加工基准，根据壳体内形余量的均匀性协调精加工基准；步骤9，根据精加工基准精加工壳体外形；步骤10，对精加工后壳体进行检测，采用常规方法检测线性尺寸，采用三维检测方法检测形位公差。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于：步骤2包括：步骤2-1、以已加工端面及菱形四边确定检测坐标系O1xyz，扫描壳体内外形；步骤2-2、以壳体内形为基准，将铸件模型与扫描模型进行最佳拟合，分析铸件内外形轮廓度及端面平面度；步骤2-3、检测壳体毛坯的缺量，加工余量分布情况；步骤2-4、在最佳拟合后，确定后端面、后端菱形中心与检测坐标系的位置关系。
3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于：步骤3包括：步骤3-1、将壳体后端面朝上，找正后端面及已加工的菱形边，确定检测坐标系O1xyz；步骤3-2、以最佳拟合确定的协调关系进行坐标系偏置，确定实际加工坐标系O2xyz；步骤3-3、铣加工后端面，留余量2mm，并协调环向筋中心距前及后端面的距离；步骤3-4、铣加工后端内菱形边，单面留余量2mm；步骤3-5、加工后端面定位销孔，留余量2mm。
4.根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于：步骤4包括：步骤4-1、以后端面及定位销孔定位，铣加工壳体前端面，留余量2mm；步骤4-2、铣削壳体外形，单边留余量不小于1.5mm。
5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于：步骤5包括：步骤5-1、采用常规方法检测粗加工后壳体的尺寸；步骤5-2、采用三维检测方法，以后端面及定位销孔为基准检测壳体内、外形轮廓度形位公差。
6.根据权利要求5所述的加工方法，其特征在于：步骤7包括：步骤7-1、以热处理后的壳体的后端面和销孔为基准检测外形轮廓度及形位公差，与壳体进行热处理前进行对比；步骤7-2、扫描壳体内外形，以后端面和销孔为基准将扫描模型与产品模型拟合，分析壳体内形各面余量。
7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于：步骤8包括：步骤8-1、根据壳体内形各面余量判断内形余量的均匀性，加工后端面，去除余量，加工到设计尺寸；步骤8-2、加工后端面定位销孔和连接孔，至设计尺寸。
8.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于：步骤8包括：步骤8-3、根据壳体内形各面余量判断内形余量的均匀性，将三维扫描模型与产品模型以内形为基准重新拟合，确定拟合后坐标系的偏置量；步骤8-4、将加工程序进行坐标系偏置，加工后端面，去除余量，加工到设计尺寸；步骤8-5、加工后端内菱形边至设计尺寸；步骤8-6、加工后端面定位销孔和连接孔，至设计尺寸。
9.根据权利要求7或8所述的加工方法，其特征在于：步骤9包括：步骤9-1、以后端面和定位销孔为精加工基准定位，加工前端面及端面孔，至设计尺寸；步骤9-2、加工前端内菱形边至设计尺寸；步骤9-3、加工前端面销孔和连接孔，至设计尺寸；步骤9-4、精加工外形面及外形下陷。
10.根据权利要求9所述的加工方法，其特征在于：步骤10包括：步骤10-1、采用常规方法检测精加工后壳体的线性尺寸；步骤10-2、以端面及销孔为基准，采用三维扫描检测方法检测精加工后壳体内、外形轮廓度；步骤10-3、以后端面及销孔为基准，采用三坐标测量其它形位公差。
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