CN111195830B - 一种大型薄壁筒件数字化减薄加工方法 - Google Patents

一种大型薄壁筒件数字化减薄加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种大型薄壁筒件数字化减薄加工方法属于机械加工技术领域，涉及一种大型薄壁筒件数字化减薄加工方法。该方法首将大型薄壁筒件立式内撑装夹，利用线激光测量和超声测量装置，在机扫描测量筒件减薄区段的外廓和壁厚。再利用薄壁筒件外廓、壁厚实测数据，并考虑加工剩余壁厚要求，重新建立减薄区段的加工目标曲面，自动生成减薄加工代码。最后，数控机床检查完成大型薄壁筒件的减薄加工。该方法利用在机测得的零件外廓和壁厚数据，重新建立剩余壁厚关联的减薄加工目标曲面，生成减薄加工代码，有效实现了大型薄壁筒件减薄加工中的CAD、CAM与CNC的功能集成，减少了人工干预。实现了大型薄壁筒件的分区减薄加工、等壁厚或变壁厚可控加工。

Description

一种大型薄壁筒件数字化减薄加工方法
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，涉及一种大型薄壁筒件数字化减薄加工方法。
背景技术
大型薄壁筒件作为燃料存贮和结构承载的主要部件，广泛应用于航空航天装备。为保证轻量化和结构强度，薄壁筒件剩余壁厚可控减薄加工是核心难题。然而，薄壁筒件往往旋压成型，同时考虑装夹变形，其结构存在较大变形，按照原始设计尺寸进行加工，难以保证壁厚一致性。
目前，筒段减薄加工大多依靠工人经验，对工件进行对刀、粗加工、半精加工和精加工。每次走刀都采用手持测厚仪的方式进行多点测厚，手动修改数控加工代码，补偿每点厚度差值，自动化程度低且加工精度难保证。大尺寸、弱刚性大型筒形零件的高效、精密减薄加工对加工方法和装备的材料去除能力、精度保障机制提出了更高的要求。因此，亟需发展一种面向大型筒形薄壁零件的数字化减薄加工方法，满足大型筒形零件高精度、高性能制造的需求。
将轮廓、厚度等几何参数测量传感器集成至数控加工机床上，实现大型薄壁筒体的测量-加工一体化，以保证剩余壁厚可控加工，为大型薄壁筒件数字化减薄加工提供了可行方案。然而，现有的测量-加工一体化技术，在面向特定的被加工零件，仍需对特定参量的高效精密在机测量、点云数据快速融合处理、特定功能的加工***开发等方面进行深入研究。
大连理工大学在专利201810229225.9中公开了一种液体火箭发动机喷管冷却通道立式加工方法，喷管采用立式装夹，利用点激光传感器进行外廓测量并拟合实测轮廓曲面，根据加工要求槽宽与槽深自动生成加工代码，采用双铣头对称铣削喷管冷却通道，完成了测量加工一体化，可实现薄壁零件的等槽深加工。天津航天长征火箭制造有限公司在专利201410416853.3中公开了一种大型薄壁蒙皮自适应等壁厚铣削***及其加工方法，在五轴数控机床上使用激光和超声测量装置进行蒙皮表面轮廓和厚度测量，可实现蒙皮类薄壁件的等壁厚加工。
上述研究尚未提及面向大型薄壁筒件的数字化减薄加工方法。
发明内容
本发明主要解决的技术难题是克服现有加工方法的不足，面向大型筒形零件剩余壁厚可控的高效精密加工要求，发明一种大型薄壁筒件数字化减薄加工方法。加工机床为单立柱、单滑枕结构，工件立式装夹，保证了大型薄壁筒件数字化减薄加工的工艺可靠性。由数控机床带动激光扫描仪完成零件外廓形及壁厚的在机扫描测量，测量效率高、精度稳定。在具有开放式的数控平台上，利用在机测得的零件外廓和壁厚数据，重新建立剩余壁厚关联的减薄加工目标曲面，生成减薄加工G代码，有效实现了大型薄壁筒件减薄加工中的CAD、CAM与CNC的功能集成，减少了人工干预。可实现大型薄壁筒件的分区减薄加工或整体减薄加工，等壁厚或变壁厚可控加工。
本发明所采用的技术方案是一种大型薄壁筒件数字化减薄加工方法，该方法首先将大型薄壁筒件立式内撑装夹，利用线激光测量和超声测量装置，在机扫描测量筒件减薄区段的外廓和壁厚；再利用薄壁筒件外廓、壁厚实测数据，并考虑加工剩余壁厚要求，重新建立减薄区段的加工目标曲面，自动生成减薄加工G代码；最后，数控机床完成大型薄壁筒件的减薄加工。
方法的具体步骤如下：
第一步 薄壁筒件立式内撑装夹
先将线激光扫描测量装置5和超声测量装置3预置于支架4中，防止装夹过程中发生碰撞；将薄壁筒件6套装至专用内撑夹具上，完成立式装夹就位；使用压板14和锁紧螺母2压紧筒件顶部，并用回转工作台16夹紧弧形辅助护板15对筒件底部进行辅助支撑，提高整体刚度，完成薄壁筒件6的立式内撑装夹；
第二步 线激光扫描测量轨迹规划
规划薄壁筒件外廓的线激光扫描测量路径M1：
Figure BDA0002379596370000021
其中，
Figure BDA0002379596370000022
为第i条线激光测量线，r1为线激光测量线总条数。
每两条线激光测量线间隔均匀，设激光测量线间隔为d1，线激光扫描测量装置x轴量程为l1。需满足d1＜l1，且若将线激光测量线总条数r1减小1时，有d1＞l1，以保证最佳测量状态；
将线激光测量装置5安装于机床主轴18上，由机床控制线激光扫描测量装置5，使线激光测量中心线C移动至与第1条线激光测量线
Figure BDA0002379596370000031
起点。按照扫描方向的采样步长，线激光扫描测量装置5沿着第1条线激光测量线
Figure BDA0002379596370000032
测量得到其区域外廓数据D1：
Figure BDA0002379596370000033
其中，
Figure BDA0002379596370000034
为第1条线激光测量线第j个数据点，n1为第1条线激光测量线区域外廓所有测点数；
根据激光测量线间隔d1，回转工作台16转动分度角，使线激光测量中心线C移动至第2条线激光测量线
Figure BDA0002379596370000035
起点，进行第2条线激光测量线
Figure BDA0002379596370000036
区域轮廓测量，得到第2条线激光测量线
Figure BDA0002379596370000037
区域外廓数据D2。按照规划的扫描测量路径M1依次扫描测量，得到薄壁筒件外廓数据D；
第三步，薄壁筒件筒段壁厚超声测量
规划薄壁筒件壁厚超声测量路径M2：
Figure BDA0002379596370000038
其中，
Figure BDA0002379596370000039
为第i条超声测量线，r2为超声测量线总条数。
设超声测量线间隔为d2，超声测点密度为ρ1，并满足条件
Figure BDA00023795963700000310
将超声测量装置3安装于机床主轴18上，由机床控制超声测量装置3移动至第1条超声测量线
Figure BDA00023795963700000311
起点。耦合剂循环***提供洁净、压力稳定的耦合剂。根据超声测点密度ρ1，设置扫描方向的采样步长
Figure BDA00023795963700000312
超声测量装置3沿着第1条超声测量线
Figure BDA00023795963700000313
测量得到其对应的厚度数据T1：
Figure BDA00023795963700000314
其中，
Figure BDA00023795963700000315
为第1条线超声测量线第k个测量点，m1为第1条线超声测量线上的所有测点数；
根据超声测量线间隔d2，回转工作台16转动，使超声测量装置3移动至第2条超声测量线
Figure BDA00023795963700000316
起点，得到第2条超声测量线
Figure BDA00023795963700000317
厚度数据T2。按照规划的扫描测量路径M2依次扫描测量，得到薄壁筒件厚度数据T；
第四步 加工目标曲面建模
基于薄壁筒件外廓数据D，利用Shepard局部插值函数构造得到曲面模型，得到薄壁筒件外廓曲面S3；基于薄壁筒件厚度数据T，利用矩形拓扑方法，在薄壁筒件外廓曲面S3的法线方向构建壁厚，得到薄壁筒件内廓曲面S1。按照薄壁筒件剩余壁厚，在薄壁筒件内廓曲面S1的法线方向建立偏置曲面，得到加工目标曲面S2；
第五步 刀位规划得到加工代码
基于加工目标曲面S2，根据预设的减薄加工轨迹线总条数r3，以均匀转台角度截取外轮廓线，得到减薄加工轨迹M3：
Figure BDA0002379596370000041
对于第i条减薄加工轨迹线
Figure BDA0002379596370000042
按照加工步长L2均匀规划，得到第i条减薄加工轨迹的刀位点Pi：
Pi＝Pi j,j∈[1,L1/L2]}， (6)
其中，Pi j为第i条减薄加工轨迹的第j个刀位点，L1为减薄区段长度；进而，由刀位点信息生成第i条轨迹线加工代码Ci；按照加工轨迹和预设步长依次处理，得到薄壁筒件的减薄加工代码C；
第六步 薄壁筒件减薄加工
机床控制铣刀17移动至第1条减薄加工轨迹线
Figure BDA0002379596370000043
起点，执行第1条轨迹线加工代码C1；按照设定的加工轨迹，回转工作台16分度，依次执行所有薄壁筒件的减薄加工代码C，完成薄壁筒件减薄加工。
本发明的有益效果是机床采用单立柱、单滑枕结构，***简单、运动及定位精度高、控制可靠。工件立式装夹，保证了大型薄壁筒件数字化减薄加工的工艺可靠性。利用在机测得的零件外廓和壁厚数据，重新建立剩余壁厚关联的减薄加工目标曲面，生成减薄加工G代码，有效实现了大型薄壁筒件减薄加工中的CAD、CAM与CNC的功能集成，减少了人工干预。针对大型薄壁筒件尺寸大、刚度低等特点，可以有效实现大型薄壁筒件的分区减薄加工或整体减薄加工，等壁厚或变壁厚可控加工。本发明实现了测量加工一体化，在零件的一次装夹下完成外廓测量、壁厚测量与铣削减薄工作。对测量数据融合处理，重新生成减薄加工曲面，重新规划减薄加工轨迹并生成加工代码，可根据选用不同的测量与加工步长，权衡加工精度与加工效率。能够满足不同尺寸薄壁筒段的等壁厚或变壁厚可控加工，加工效率高、加工一致性好，很好地实现了大型薄壁筒件的高效、高精度减薄加工。
附图说明
附图1-大型薄壁筒件减薄加工方法全貌示意图，附图2-大型薄壁筒件数字化减薄加工方法流程图，附图3-线激光测量轨迹规划示意图，附图4-超声测量轨迹规划示意图，附图5-减薄加工轨迹规划示意图，其中：1-床身，2-锁紧螺母，3-超声测量装置，4-支架，5-线激光扫描测量装置，6-薄壁筒件，7-Z轴交流伺服电机，8-滑枕，9-Z轴导轨，10-立柱，11-Y轴导轨，12-Y轴滚珠丝杠，13-Y轴交流伺服电机，14-压板，15-弧形辅助护板，16-回转工作台，17-铣刀，18-机床主轴，X-机床X轴，Y-机床Y轴，B-机床B轴，C-线激光测量中心线，Μ1-线激光测量轨迹，
Figure BDA0002379596370000051
-第1条线激光测量线，D1-第1条线激光测量线区域外廓数据，Μ2-超声测量轨迹，Μ3-减薄加工轨迹，
附图6a)-薄壁筒件6结构示意图，附图6b)-附图6a)A-A剖视图。
其中，A-A-减薄带上某横截面，d-工件减薄带，S1-薄壁筒件6内轮廓曲面，S2-待加工曲面，S3-零件内轮廓曲面。
附图7a)-待加工曲面示意图，附图7b)-减薄加工刀位点生成示意图，
其中，S2-待加工曲面，
Figure BDA0002379596370000052
-第i条减薄加工轨迹线，L2-Y向加工步长，Pi 1-第i条减薄加工轨迹的第1个刀位点，Pi 2-第i条减薄加工轨迹的第2个刀位点，Pi 3为第i条减薄加工轨迹的第3个刀位点，Pi j-第i条减薄加工轨迹的第j个刀位点。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。
待加工薄壁筒件6，直径750～1000mm，减薄带宽300～400mm，毛坯壁厚8～12mm，剩余壁厚3～6mm；线激光扫描测量装置X轴量程为120mm；铣刀直径12mm。
加工方法流程图如图2所示，方法的具体步骤如下：
一、薄壁筒件立式内撑装夹
将线激光扫描测量装置5和超声测量装置3预置于支架4中，防止装夹过程中发生碰撞。将薄壁筒件6套装至专用内撑夹具上，完成立式装夹就位，控制专用内撑夹具，自动完成内撑装夹。使用压板14和锁紧螺母2对压紧筒件顶部，并用回转工作台16夹紧弧形辅助护板15对筒件底部进行辅助支撑，提高整体刚度，完成薄壁筒件6的立式内撑装夹，见图1。
二、线激光扫描测量轨迹规划
线激光测量线总条数r1＝15，采样步长为24°，得到薄壁筒件外廓的线激光扫描测量路径
Figure BDA0002379596370000061
将线激光测量装置5安装于机床主轴18上。由机床控制线激光扫描测量装置5，使线激光测量中心线C移动至与第1条线激光测量线
Figure BDA00023795963700000610
起点，见图3。调整线激光测量装置位姿，使测量激光线垂直于零件母线。设置扫描方向的采样步长为2mm，线激光扫描测量装置5沿着第1条线激光测量线
Figure BDA0002379596370000062
测量得到其区域外廓数据
Figure BDA0002379596370000063
转台16转动，按照规划的扫描测量路径M1依次扫描测量，得到薄壁筒件外廓数据D。
三、薄壁筒件筒段壁厚超声测量
取超声测点密度ρ1＝1/16，Y向采样步长4mm，超声测量线间隔d2＝4mm。规划得到薄壁筒件壁厚超声测量路径
Figure BDA0002379596370000064
将转台16调整回初始状态。将超声测量装置3安装于机床主轴18上。机床控制超声测量装置3移动至第1条超声测量线
Figure BDA0002379596370000065
起点，见图4。超声测量装置3沿着第1条超声测量线
Figure BDA0002379596370000066
测量得到其对应的厚度数据
Figure BDA0002379596370000067
根据超声测量线间隔d2，转台16转动，按照规划的扫描测量路径M2依次扫描测量，得到薄壁筒件厚度数据T。
四、加工目标曲面建模
基于薄壁筒件外廓数据D，利用Shepard局部插值函数构造得到曲面模型，得到薄壁筒件外廓曲面S3。基于薄壁筒件厚度数据T，利用矩形拓扑方法，在薄壁筒件外廓曲面S3的法线方向构建壁厚，得到薄壁筒件内廓曲面S1。按照剩余壁厚要求，在薄壁筒件内廓曲面S1的法线方向建立偏置曲面，得到加工目标曲面S2，见图6。
五、刀位规划得到加工代码
取减薄加工轨迹线总条数r3＝360，在构建的待加工曲面S2中，以角度1°截取外轮廓线，得到减薄加工轨迹
Figure BDA0002379596370000068
对于第i条减薄加工轨迹线
Figure BDA0002379596370000069
设置加工步长4mm，从顶点开始每隔加工步长L2截取一个刀位点，得到第i条减薄加工轨迹刀位点信息Pi＝Pi j,j∈[1,60]}。进而，由刀位点信息生成第i条轨迹线加工代码Ci。按照加工轨迹和预设步长依次处理，得到薄壁筒件的减薄加工代码C，见图7。
六、薄壁筒件减薄加工
将回转工作台16调整回初始状态，设置旋转步长为1°。机床控制铣刀17移动至第1条减薄加工轨迹线
Figure BDA0002379596370000071
起点，执行第1条轨迹线加工代码C1。按照设定的加工轨迹，回转工作台16分度，依次执行所有薄壁筒件的减薄加工代码C，完成薄壁筒件减薄加工，如图5所示。
七、加工完成后，移动铣刀17至安全位置。松开锁紧螺母2，旋转回转工作台松开弧形辅助护板15，取下压板14，卸下工件6，完成整个大型筒形零件的减薄加工。
本发明实现了测量加工一体化，在零件的一次装夹下完成外廓测量、壁厚测量与铣削减薄工作。该方法能够满足不同尺寸薄壁筒段的等壁厚或变壁厚可控加工，加工效率高、加工一致性好，很好地实现了大型薄壁筒件的高效、高精度减薄加工。

Claims (1)

1.一种大型薄壁筒件数字化减薄加工方法，该方法首先将大型薄壁筒件立式内撑装夹，利用线激光测量和超声测量装置，在机扫描测量筒件减薄区段的外廓和壁厚；再利用薄壁筒件外廓、壁厚实测数据，并考虑加工剩余壁厚要求，重新建立减薄区段的加工目标曲面，自动生成减薄加工G代码；最后，数控机床完成大型薄壁筒件的减薄加工；方法的具体步骤如下：
第一步 薄壁筒件立式内撑装夹
先将线激光扫描测量装置(5)和超声测量装置(3)预置于支架(4)中，防止装夹过程中发生碰撞；将薄壁筒件(6)套装至专用内撑夹具上，完成立式装夹就位；使用压板(14)和锁紧螺母(2)压紧筒件顶部，并用回转工作台(16)夹紧弧形辅助护板(15)对筒件底部进行辅助支撑，提高整体刚度，完成薄壁筒件(6)的立式内撑装夹；
第二步 线激光扫描测量轨迹规划
规划薄壁筒件外廓的线激光扫描测量路径M1：
Figure FDA0002379596360000011
其中，
Figure FDA0002379596360000012
为第i条线激光测量线，r1为线激光测量线总条数；
每两条线激光测量线间隔均匀，设激光测量线间隔为d1，线激光扫描测量装置x轴量程为l1；需满足d1＜l1，且若将线激光测量线总条数r1减小1时，有d1＞l1，以保证最佳测量状态；
将线激光扫描 测量装置(5)安装于机床主轴(18)上，由机床控制线激光扫描测量装置(5)，使线激光测量中心线C移动至与第1条线激光测量线
Figure FDA0002379596360000013
起点；按照扫描方向的采样步长，线激光扫描测量装置(5)沿着第1条线激光测量线
Figure FDA0002379596360000014
测量得到其区域外廓数据D1：：
Figure FDA0002379596360000015
其中，
Figure FDA0002379596360000016
为第1条线激光测量线第j个数据点，n1为第1条线激光测量线区域外廓所有测点数；
根据激光测量线间隔d1，回转工作台(16)转动分度角，使线激光测量中心线C移动至第2条线激光测量线
Figure FDA0002379596360000017
起点，进行第2条线激光测量线
Figure FDA0002379596360000018
区域轮廓测量，得到第2条线激光测量线
Figure FDA0002379596360000019
区域外廓数据D2；按照规划的扫描测量路径M1依次扫描测量，得到薄壁筒件外廓数据D；
第三步，薄壁筒件筒段壁厚超声测量
规划薄壁筒件壁厚超声测量路径M2：
Figure FDA0002379596360000021
其中，
Figure FDA0002379596360000022
为第i条超声测量线，r2为超声测量线总条数；
设超声测量线间隔为d2，超声测点密度为ρ1，并满足条件
Figure FDA0002379596360000023
将超声测量装置(3)安装于机床主轴(18)上，由机床控制超声测量装置(3)移动至第1条超声测量线
Figure FDA0002379596360000024
起点；耦合剂循环***提供洁净、压力稳定的耦合剂；根据超声测点密度ρ1，设置扫描方向的采样步长
Figure FDA0002379596360000025
超声测量装置(3)沿着第1条超声测量线
Figure FDA0002379596360000026
测量得到其对应的厚度数据T1：
Figure FDA0002379596360000027
其中，
Figure FDA0002379596360000028
为第1条线超声测量线第k个测量点，m1为第1条线超声测量线上的所有测点数；
根据超声测量线间隔d2，回转工作台(16)转动，使超声测量装置(3)移动至第2条超声测量线
Figure FDA0002379596360000029
起点，得到第2条超声测量线
Figure FDA00023795963600000210
厚度数据T2；按照规划的扫描测量路径M2依次扫描测量，得到薄壁筒件厚度数据T；
第四步 加工目标曲面建模
基于薄壁筒件外廓数据D，利用Shepard局部插值函数构造得到曲面模型，得到薄壁筒件外廓曲面S3；基于薄壁筒件厚度数据T，利用矩形拓扑方法，在薄壁筒件外廓曲面S3的法线方向构建壁厚，得到薄壁筒件内廓曲面S1；按照薄壁筒件剩余壁厚，在薄壁筒件内廓曲面S1的法线方向建立偏置曲面，得到加工目标曲面S2；
第五步 刀位规划得到加工代码
基于加工目标曲面S2，根据预设的减薄加工轨迹线总条数r3，以均匀转台角度截取外轮廓线，得到减薄加工轨迹M3：
Figure FDA00023795963600000211
对于第i条减薄加工轨迹线
Figure FDA00023795963600000212
按照加工步长L2均匀规划，得到第i条减薄加工轨迹的刀位点Pi：
Figure FDA00023795963600000213
其中，
Figure FDA00023795963600000214
为第i条减薄加工轨迹的第j个刀位点，L1为减薄区段长度；进而，由刀位点信息生成第i条轨迹线加工代码Ci；按照加工轨迹和预设步长依次处理，得到薄壁筒件的减薄加工代码C；
第六步 薄壁筒件减薄加工
机床控制铣刀(17)移动至第1条减薄加工轨迹线
Figure FDA0002379596360000031
起点，执行第1条轨迹线加工代码C1；按照设定的加工轨迹，回转工作台(16)分度，依次执行所有薄壁筒件的减薄加工代码C，完成薄壁筒件减薄加工。
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