CN112936021B - 一种薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备及方法，包括数控***、加工模块、空冷模块、测量模块、基座、真空吸盘、封闭门和加工舱，装备为立式五轴联动结构，经数控***集成与控制，使加工模块实现五轴联动加工，空冷模块和封闭门实现对加工舱降温恒温和加工位点冷却，测量模块实现加工过程在线跟踪监测表面质量和型面精度，真空吸盘实现工件夹装。本发明结合真空吸盘、空气主轴等实现薄壁大口径工件的稳定装夹与精密磨削；集成在线测量模块，实现工件一次装夹完成加工检测一体化工序；采用空冷模式，避免磨削热损伤工件及碳纤维材料怕湿加工等问题，最终实现薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件的高质高效磨削。

Description

一种薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备

技术领域

本发明涉及机械加工设备技术领域，尤其涉及一种薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备。

背景技术

碳纤维复合材料具有良好的物理性能和力学性能,在航空、航天等领域取得了广泛的应用，比如：战机机身、卫星天线反射面等。随着国家航天技术的发展，高性能零件与装备的研发十分迫切与必要，其中，薄壁大口径非球面碳纤维高性能零件，具有口径大、壁厚薄及材料硬脆且怕湿的特点，其在加工过程中存在加工易变形、开裂、分层等难题。目前该类零件研磨主要依赖人工，其抛光效率之低、研磨精度之差可见一斑，且研磨产生的粉尘不利于操作者身体健康，因此研究薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件高质高效加工装备十分必要。

薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件口径通常大于0.8m,型面较为复杂，普通磨床行程不够，且难以实现非球面结构件加工；此外该类零件壁厚非常薄，普通装夹变形大，加工过程中磨削力控制困难，易造成加工型面精度低；碳纤维复材通常由碳纤维和其他基材(如环氧树脂)结合而成，其密度低、耐热摩擦和热冲击，为典型的硬脆难加工材料，加工过程中极易开裂，且材料容易拉丝分层。为此本发明提供了一种薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备，满足大口径结构件加工要求，口径1.5～1.8m，克服该类结构件加工过程中因口径大、壁厚薄及材料硬脆且怕湿而造成的工件加工易变形、开裂、分层等问题，且在加工过程中通过红外热成像仪、激光跟踪仪和非接触式表面粗糙度仪检测模块实时在线跟踪监测表面质量和型面精度，以期实现其高质高效磨削。

本发明采用的技术手段如下：

一种薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备，包括数控***、加工模块、空冷模块、测量模块、基座、真空吸盘、封闭门和加工舱，所述加工模块、空冷模块、测量模块、基座、真空吸盘设置于加工舱的内部，所述封闭门用于保证工作状况下加工舱内部的密闭性，所述加工模块用于实现五轴联动加工，所述空冷模块用于保持加工舱降温恒温以及实现对加工位点冷却，所述真空吸盘用于实现工件夹装，所述测量模块用于实现加工过程在线跟踪监测表面质量和型面精度，所述数控***用于集成并控制各模块。

进一步地，所述加工模块包括Y轴位移机构、X轴位移机构、立轴***、摆动工作台、旋转工作台和所述真空吸盘，用于磨削工件的大孔隙率金属结合剂金刚石砂轮安装在所述立轴***的空气主轴上，所述立轴***能够在X轴位移机构的带动下进行X轴的位移，所述X轴位移机构能够在Y轴位移机构的带动下进行Y轴的位移，所述摆动工作台能够绕着X轴进行预设范围内的旋转，所述旋转工作台安装在所述摆动工作台上，所述旋转工作台能够绕着Z轴旋转，所述加工模块与数控***连接，通过数控***控制真空吸盘夹装工件和控制空气主轴驱动大孔隙率金属结合剂金刚石砂轮实现五轴联动磨削工件。

进一步地，所述Y轴位移机构包括两组平行设置于床身上的Y轴光杠、Y轴丝杠，Y轴光杠和Y轴丝杠上设置有Y轴进给机构，所述X轴位移机构包括X轴光杠和X轴丝杠，所述X轴光杠和X轴丝杠的端部分别连接在两侧的Y轴进给机构上。

进一步的，所述测量模块包括测量光杠、测量丝杠、若干四轴伸缩手臂和分别设置在各四轴伸缩手臂上的红外热成像仪、激光跟踪仪和非接触式表面粗糙度仪，所述四轴伸缩手臂连接在测量光杠、测量丝杠上，其具有沿着测量光杠X轴方向的平移自由度且自身具有X轴平移自由度、Z轴旋转自由度、X轴旋转自由度、Y轴伸缩平移自由度，且各个自由度的运动控制都集成在数控***中，加工过程中，在数控***的控制下红外热成像仪、激光跟踪仪和非接触式表面粗糙度仪同时对准加工位点进行在线实时测量，并测量值将实时反馈回数控***。

进一步地，所述空冷模块包括空冷器、空冷枪和空冷压缩机，所述空冷器用于在加工前对封闭门关闭后的加工舱进行降温，所述空冷枪安装在空冷模块四轴伸缩手臂上，所述空冷模块四轴伸缩手臂能够在加工过程中沿着预设路径位移，所述空冷枪用于在加工过程中对准加工位点喷射冷气，持续对加工位点降温，所述空冷器还用于在加工过程中维持加工舱内温度，所述空冷压缩机用于为所述空冷器和空冷枪提供冷源。

本发明还公开了一种薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削方法，包括如下步骤：

步骤1、数控***控制真空吸盘对工件进行夹装和定位；

步骤2、数控***控制封闭门关闭，空冷压缩机启动，空冷器开始对加工舱降温，待红外热成像仪检测到加工舱内温度下降至加工要求所需温度时加工开始；

步骤3、加工开始时，数控***控制加工模块实现五轴联动磨削加工，同时数控***控制各个四轴伸缩手臂，使得空冷枪、红外热成像仪、激光跟踪仪和非接触式表面粗糙度仪同时对准加工位点，空冷枪喷射冷气，红外热成像仪、激光跟踪仪和非接触式表面粗糙度仪开始实时在线测量，并将测量值实时反馈回数控***；

步骤4、根据数控***接收到的型面精度与表面粗糙度测量值改进加工参数，以期实现高质高效磨削。

本发明采用立式磨削工艺，结合真空吸盘定位装夹工件，使工件处于自由夹紧状态，避免因夹紧过度产生变形；选用空气主轴，提高装备运行精度，通过多轴联动，实现非球型面磨削；采用大孔隙金属结合剂金刚石砂轮，克服碳纤维复材硬脆难加工困难，同时进行空冷，避免磨削加工时碳纤维复材开裂与分层问题；数控***将工艺参数控制、温度检测、在线加工精度检测模块集成一体，实现薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件的高质高效磨削。

本发明具有以下优点：

1.本发明提供了一种薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备及加工方法，替代了传统的研磨，提高了薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件的精密加工效率及加工质量。

2.本发明所述装备集成有空冷模块，红外热成像仪、激光跟踪仪及非接触式表面粗糙度仪测量模块，可实现工件加工过程恒温空冷，温度实时动态监测，加工型面精度与表面粗糙度在线测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中装置的三维总装局部结构示意图。

图2为本发明实施例中的加工模块示意图。

图3为本发明实施例中测量模块示意图。

图4为本发明实施例中空冷模块示意图。

图5为本发明实施例中立轴***示意图。

图6为本发明实施例中四轴伸缩手臂示意图。

图中：1、数控***；2、加工模块；3、空冷模块；4、测量模块；5、基座；6、真空吸盘；7、封闭门；8、工件；9、加工舱；21、Y轴光杠；22、Y轴进给机构；23、Y轴丝杠；24、床身；25、立轴***；251、立轴座；252、空气主轴；253、砂轮；26、X轴光杠；27、X轴丝杠；28、摆动工作台；29、旋转工作台；31、空冷器；32、空冷枪；33、空冷压缩机；41、测量光杠；42、测量丝杠；43、四轴伸缩手臂；44、红外热成像仪；45、激光跟踪仪；46、非接触式表面粗糙度仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一种薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备，包括数控***1、加工模块2、空冷模块3、测量模块4、基座5、真空吸盘6、封闭门7和加工舱9，所述加工模块2、空冷模块3、测量模块4、基座5、真空吸盘6设置于加工舱9的内部，所述封闭门7用于保证工作状况下加工舱9内部的密闭性，所述加工模块2用于实现五轴联动加工，所述空冷模块3用于保持加工舱9降温恒温以及实现对加工位点冷却，所述真空吸盘6用于实现工件8夹装，所述测量模块4用于实现加工过程在线跟踪监测表面质量和型面精度，所述数控***1用于集成并控制各模块。

如图2所示，本实施例中，所述加工模块2包括Y轴位移机构、X轴位移机构、立轴***25、摆动工作台28、旋转工作台29和所述真空吸盘6，如图5所示，所述立轴***25包括251立轴座251、空气主轴252和大孔隙率金属结合剂金刚石砂轮253。所述大孔隙率金属结合剂金刚石砂轮253安装于空气主轴252。所述空气主轴252安装于立轴座251，并可沿立轴座251的Z轴上下移动构成立轴***25的Z轴平移自由度，同时可沿立轴座251的Z轴旋转。所述立轴***25能够在X轴位移机构的带动下进行X轴的位移，所述X轴位移机构能够在Y轴位移机构的带动下进行Y轴的位移，所述摆动工作台28能够绕着X轴进行预设范围内的旋转，所述旋转工作台29安装在所述摆动工作台28上，所述旋转工作台29安装在基座5，能够绕着Z轴旋转，与空气主轴252联动实现轴联动机床的Z轴旋转自由度，具体地，摆动工作台28可绕X轴在-60°～+60°之间旋转，实现轴联动机床的X轴旋转自由度。所述真空吸盘6安装在旋转工作台29，并与旋转工作台29同轴，加工前通过真空吸盘6对工件8进行夹装和定位，真空吸盘6由数控***1控制。所述加工模块2与数控***1连接，通过数控***1控制真空吸盘6夹装工件8和控制空气主轴252驱动大孔隙率金属结合剂金刚石砂轮253实现五轴联动磨削工件。

具体地，所述Y轴位移机构包括两组平行设置于床身24上的Y轴光杠21、Y轴丝杠23，Y轴光杠21和Y轴丝杠23上设置有Y轴进给机构22，所述Y轴光杠21和Y轴丝杠23安装在床身24，与Y轴进给机构22共同构成25立轴***的Y轴平移自由度。所述X轴位移机构包括X轴光杠26和X轴丝杠27，所述X轴光杠26和X轴丝杠27的两端安装在Y轴进给机构22，与立轴***25共同构成立轴***25的X轴平移自由度。

如图3所示，所述测量模块包括测量光杠41、测量丝杠42、若干四轴伸缩手臂43和分别设置在各四轴伸缩手臂上的红外热成像仪44、激光跟踪仪45和非接触式表面粗糙度仪46，所述测量光杠41和测量丝杠42安装在床身24。所述四轴伸缩手臂连接在测量光杠41、测量丝杠42上，如图6所示，其具有沿着测量光杠X轴方向的平移自由度且自身具有X轴平移自由度、Z轴旋转自由度、X轴旋转自由度、Y轴伸缩平移自由度，且各个自由度的运动控制都集成在数控***1中，加工过程中，在数控***1的控制下各四轴伸缩手臂43按照指令，分别将红外热成像仪44、激光跟踪仪45和非接触式表面粗糙度仪46同时对准加工位点进行在线实时测量，红外热成像仪44检测加工位点温度和加工舱9内温度，激光跟踪仪45检测加工位点型面精度，非接触式表面粗糙度仪46检测加工位点表面粗糙度，测量值将实时反馈回数控***1。

如图4所示，所述空冷模块包括空冷器31、空冷枪32和空冷压缩机33，所述空冷器31用于在加工前对封闭门关闭后的加工舱9进行降温，所述空冷枪32安装在空冷模块四轴伸缩手臂上，空冷模块四轴伸缩手臂与上述四轴伸缩手臂结构相同，安装方式也相同，即其也可连接在测量光杠41、测量丝杠42上，所述空冷模块四轴伸缩手臂能够在加工过程中沿着预设路径位移，所述空冷枪32用于在加工过程中对准加工位点喷射冷气，持续对加工位点降温，所述空冷器31还用于在加工过程中维持加工舱9内温度，空冷器31和空冷枪32同时与空冷压缩机33通过管路相连，空冷压缩机33启动时可通过管路给空冷器31和空冷枪32提供0～-30℃的冷气。在加工前，封闭门7关闭，空冷压缩机33启动，空冷器31开始对加工舱9降温，待加工舱9内温度下降至加工要求所需温度时加工开始，加工舱9内温度可通过红外热成像仪44检测。加工开始时，在数控***1的控制下四轴伸缩手臂43带动空冷枪32对准加工位点喷射冷气，持续对加工位点降温，空冷器31同时维持加工舱9内温度。所述加工舱9具有密封性和保温性。

本发明的整体加工过程如下：

步骤1、数控***1控制真空吸盘6对工件8进行夹装和定位；

步骤2、数控***1控制封闭门7关闭，空冷压缩机33启动，空冷器31开始对加工舱9降温，待红外热成像仪44检测到加工舱9内温度下降至加工要求所需温度时加工开始；

步骤3、加工开始时，数控***1控制加工模块2实现五轴联动磨削加工，同时数控***1控制各个四轴伸缩手臂43，使得空冷枪32、红外热成像仪44、激光跟踪仪45和非接触式表面粗糙度仪46同时对准加工位点，空冷枪32喷射冷气，红外热成像仪44、激光跟踪仪45和非接触式表面粗糙度仪46开始实时在线测量，并将测量值实时反馈回数控***1；

步骤4、根据数控***1接收到的型面精度与表面粗糙度测量值改进加工参数，以期实现高质高效磨削。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备，其特征在于，包括数控***、加工模块、空冷模块、测量模块、基座、真空吸盘、封闭门和加工舱，所述加工模块、空冷模块、测量模块、基座、真空吸盘设置于加工舱的内部，所述封闭门用于保证工作状况下加工舱内部的密闭性，所述加工模块用于实现五轴联动加工，所述空冷模块用于保持加工舱降温恒温以及实现对加工位点冷却，所述真空吸盘用于实现工件夹装，所述测量模块用于实现加工过程在线跟踪监测表面质量和型面精度，所述数控***用于集成并控制各模块；待磨削薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件的口径大于0.8 m，材质为碳纤维复合材料；所述测量模块包括测量光杠、测量丝杠、若干四轴伸缩手臂和分别设置在各四轴伸缩手臂上的红外热成像仪、激光跟踪仪和非接触式表面粗糙度仪，所述四轴伸缩手臂连接在测量光杠、测量丝杠上，其具有沿着测量光杠X轴方向的平移自由度且自身具有X轴平移自由度、Z轴旋转自由度、X轴旋转自由度、Y轴伸缩平移自由度，且各个自由度的运动控制都集成在数控***中，加工过程中，在数控***的控制下红外热成像仪、激光跟踪仪和非接触式表面粗糙度仪同时对准加工位点进行在线实时测量，并测量值将实时反馈回数控***。

2.根据权利要求1所述的薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备，其特征在于，所述加工模块包括Y轴位移机构、X轴位移机构、立轴***、摆动工作台、旋转工作台和所述真空吸盘，用于磨削工件的大孔隙率金属结合剂金刚石砂轮安装在所述立轴***的空气主轴上，所述立轴***能够在X轴位移机构的带动下进行X轴的位移，所述X轴位移机构能够在Y轴位移机构的带动下进行Y轴的位移，所述摆动工作台能够绕着X轴进行预设范围内的旋转，所述旋转工作台安装在所述摆动工作台上，所述旋转工作台能够绕着Z轴旋转，所述加工模块与数控***连接，通过数控***控制真空吸盘夹装工件和控制空气主轴驱动大孔隙率金属结合剂金刚石砂轮实现五轴联动磨削工件。

3.根据权利要求2所述的薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备，其特征在于，所述Y轴位移机构包括两组平行设置于床身上的Y轴光杠、 Y轴丝杠，Y轴光杠和Y轴丝杠上设置有Y轴进给机构，所述X轴位移机构包括X轴光杠和 X轴丝杠，所述X轴光杠和 X轴丝杠的端部分别连接在两侧的Y轴进给机构上。

4.根据权利要求1所述的薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备，其特征在于，所述空冷模块包括空冷器、空冷枪和空冷压缩机，所述空冷器用于在加工前对封闭门关闭后的加工舱进行降温，所述空冷枪安装在空冷模块四轴伸缩手臂上，所述空冷模块四轴伸缩手臂能够在加工过程中沿着预设路径位移，所述空冷枪用于在加工过程中对准加工位点喷射冷气，持续对加工位点降温，所述空冷器还用于在加工过程中维持加工舱内温度，所述空冷压缩机用于为所述空冷器和空冷枪提供冷源。

5.一种采用权利要求1~4任一项所述薄壁大口径非球面碳纤维复材高性能零件磨削装备的磨削方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、数控***控制真空吸盘对工件进行夹装和定位；

步骤2、数控***控制封闭门关闭，空冷压缩机启动，空冷器开始对加工舱降温，待红外热成像仪检测到加工舱内温度下降至加工要求所需温度时加工开始；

步骤3、加工开始时，数控***控制加工模块实现五轴联动磨削加工，同时数控***控制各个四轴伸缩手臂，使得空冷枪、红外热成像仪、激光跟踪仪和非接触式表面粗糙度仪同时对准加工位点，空冷枪喷射冷气，红外热成像仪、激光跟踪仪和非接触式表面粗糙度仪开始实时在线测量，并将测量值实时反馈回数控***；

步骤4、根据数控***接收到的型面精度与表面粗糙度测量值改进加工参数，直至磨削成型。

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