一種弱剛性工件反向分段加工方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種弱剛性工件反向分段加工方法及裝置，它是一種用于控制薄壁弱剛性零件加工過程殘余應力變形的方法及裝置，屬于機械加工技術領域。
【背景技術】
[0002]輕量化是現(xiàn)代航空航天機械制造領域的重要發(fā)展方向，飛機殼體中日益廣泛使用整體薄壁結(jié)構零件，如整體壁板、框架殼體、大梁、長桁。而航空發(fā)動機葉片和機匣則具有更小的剛性，加工過程容易發(fā)生材料內(nèi)部殘余應力釋放引起的變形和加工表面新產(chǎn)生的加工殘余應力產(chǎn)生的加工變形，這些變形導致加工精度難以得到有效的保障?；鸺椇托l(wèi)星中也需要采用大量弱剛性筒體零件，其尺寸巨大、變形控制更加困難。
[0003]零件的加工變形機理非常復雜，到目前為止還沒有形成系統(tǒng)的理論。通常的加工變形可分為彈性變形、殘余應力釋放變形、加工殘余應力變形、熱變形、安裝變形等。對于弱剛性零件，前三種變形都比較大，而殘余應力變形的控制和補償尤其困難，因為應力的大小和分布難以檢測和控制。在彈性變形控制方面，有人提出了多種增強工藝系統(tǒng)剛性的方法、減小切削力的方法和誤差補償?shù)姆椒?。對于殘余應力變形，目前提出的有消除應力的方法、控制加工順序的方?如對稱加工)、誤差補償?shù)姆椒ā⒖刂频毒吣p的方法等，這些方法具有一定的效果，但是對于極其復雜的加工過程，很難大幅度減少變形的數(shù)量，迫切需要一種能徹底或基本消除殘余應力對加工變形影響的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]1、目的:本發(fā)明的目的是提供一種弱剛性工件反向分段加工方法及裝置，它是一種非封閉工件(如葉片、螺旋槳、壁板等)的反向分段加工方法和與之相應的加工裝置(封閉工件是指筒形、球形等)，用于基本消除弱剛性零件的殘余應力變形。
[0005]2、技術方案:傳統(tǒng)的加工弱剛性零件的方法有兩大類:一類是采用雙端固定或多點壓緊確保其具有足夠的剛性，這種方法加工完成后由于材料的不均勻切除和表面積的差異導致夾具釋放后產(chǎn)生巨大的殘余應力變形。另一種方法是形如整體葉盤上的葉片的懸臂加工方式，這種葉片在加工時一般難以增加輔助支撐，因此通常只能在懸臂狀態(tài)進行加工，有時在其中填充樹脂以提高剛性，加工時的順序是從葉尖向葉根部位加工。但這種方案在加工到靠近葉根部位時下部的加工變形會導致已經(jīng)加工好的葉尖部位發(fā)生移動，因為殘余應力的釋放和新的加工應力的產(chǎn)生都會導致加工區(qū)域的變形。這樣好像是先將一棟樓房的樓頂先加工好然后再加工依次加工其以下的樓層，如果在加工下層的過程中發(fā)生變形，上面的樓層也發(fā)生變位，這相當于在上層樓層加工完成后又將其移動到新的位置，這從本質(zhì)上違背機械加工的基準重合原則?；鶞手睾显瓌t是指，零件加工時的定位基準和設計基準重合，這樣可以減小定位基準和設計基準不重合引起的加工精度的下降。弱剛性零件加工時其各部位的形狀和位置是隨著加工過程的進行而變化的，是時間的函數(shù)，因此不能夠把一個弱剛性零件看成一個零件，應該將其看成多個零件的組合，例如可以把弱剛性工件分解成很多段，每段具有相對好的剛性，相當于多層樓層。每層的設計基準都是地面層。如果中間某層發(fā)生變形，那么上面的樓層就發(fā)生移位，如果上面的樓層先加工好了，下面樓層的移動就使其實際基準發(fā)生了變化，這樣就無法保證基準與設計基準重合了。為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用逆向思維方法，改變其自頂向下的加工方式，采用自底向上的加工方式，前者可稱為正向分段加工方法，后者可稱為反向分段加工方法。具體做法是:將工件分成若干段，每段具有相對良好的剛性，工件可以采用一端固定的懸臂安裝方式，加工順序是從固定端向自由端逐段加工。加工過程可以對已經(jīng)加工好的段逐段通過夾具支撐提高剛度，也可以逐步將夾具移動到上一個已加工的段以提高剛度，加工過程中始終保持被加工部分處于懸臂狀態(tài)。對于比較大的工件，可以從中間向兩端逐段加工，這樣可以減小端部的加工余量要求，否則從一端加工到另一端需要很大的余量儲備。
[0006]I)綜上所述，本發(fā)明是一種弱剛性工件反向分段加工方法，該方法的具體步驟如下:
[0007]步驟一:確定分段方法和起始區(qū)域。根據(jù)開環(huán)薄壁件的結(jié)構形式、余量大小、工件的變形大小和被加工部位的平整性確定其在夾具上的安裝方式和加工方式。具體方法為以下兩種:1)中間起步法:對于余量較小、比較平整的和尺寸較大的工件，可以以中部為最先加工段，加工完成后作為定位安裝面，兩端的部分可以分解成若干段進行順序加工，加工的順序是從鄰近中間的段開始逐步向端部的段延伸。加工時可以采用逐步移動固定面到上一個加工段的方法，也可以采用逐段固定和增加輔助支撐的方法，這樣可以保證下一段加工時具有良好的剛性。2) —端起步法:對于形狀復雜和余量足夠的工件，可以以一端定位并從定位部分開始逐步加工后續(xù)的各段，直到將所有段加工完成。
[0008]步驟二:確定增強工藝系統(tǒng)剛性的方法，可根據(jù)具體情況選擇下面三種方法之一:I)對于剛性足夠的工件，可以采用一端固定懸臂加工的方式，且在以后各段加工時不采取增強剛性的措施；2)對于余量較大、表面平整但是剛性較差的工件可以采取移動夾緊方法，當下一段加工好后將定位段移到該段，夾緊該段后繼續(xù)加工下一段，由于夾緊段離加工段的距離很近，因此剛性很好；3)對于余量較大但是剛性較差和不平整的工件可以采取逐段支撐的方法，當一個新的段加工好后立即采用夾具或澆鑄低熔點合金等方法在本段增加輔助支撐，確保下一個被加工段具有足夠剛性；
[0009]步驟三:確定臨界分段尺寸:通過實驗確定在最小切削深度情況下不同工件長度的變形量，確定變形量達到最小切削深度的工件長度，該長度可作為工件分段的長度極限，實際分段長度可以小于該長度。
[0010]步驟四:加工好起始位置的基準面或第一段，該部分用于將工件安裝在夾具上，對于工件的其余部分如果余量過大，也可以按照常規(guī)工藝將其大部分余量去除，僅保留在后續(xù)加工中大于最大變形量的余量即可；
[0011]步驟五:從定位段開始向兩端(中間起步法)或從定位段向另一端(一端起步法)逐段加工各段至設計尺寸。
[0012]2) 一種弱剛性工件反向分段加工裝置，其特征在于當工件剛性較差時可采用一種步進式輔助支撐裝置，該裝置由基座部分和與比工件分段數(shù)少的輔助支撐夾具模塊組成。其中基座與工件在加工前就通過工件的安裝基準聯(lián)接在一起；工件每加工完一段，輔助支撐夾具模塊就安裝一段，各夾具模塊之間及其與基座之間采用具有足夠剛性的螺紋連接或其它連接方式；夾具模塊和工件之間可通過澆注低熔點合金剛性連接，也可以采用輔助支撐點實現(xiàn)輔助支撐。所述的夾具基座部分可以通過螺釘或壓板連接在機床上或夾具底座上，每一個夾具模塊可由左支撐座和右支撐座組成，也可以采用一體化結(jié)構，左、右支撐座的底部與基座部分或者與上一個夾具模塊連接在一起；每個新加工的段與新增加的夾具模塊通過澆鑄低熔點合金剛性連接在一起，亦步亦趨地支撐起每個新加工的段。
[0013]其中，當工件剛性較差亦可采用一種移動夾緊裝置，該裝置包括在機床的水平回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺和尾座之間安裝一個搖籃式夾具，夾具上有對每段都可定位的定位元件，工件通過壓板等裝置固定在搖籃上。工件在加工時被分成若干段，當下一段被加工好后立即將其移動到搖籃上進行定位夾緊。這樣逐步移動定位面到新加工好的段和逐步加工下一段可以保證加工過程具有良好的剛性。此時工件的各段應具有平整的表面和易于被快速準確定位和壓緊。
[0014]3)優(yōu)點及功效:(I)利用反向分段加工方法解決原來自頂向下加工方法存在的基準變動加工原理錯誤，可大幅度提高加工精度，基本消除殘余應力變形對加工精度的影響；
(2)采用分段加工方法將每段的變形量控制在切削深度范圍內(nèi)，可確保加工過程可持續(xù)性，否則過大的變形將使加工過程難以完成；(3)無論殘余應力變形如何復雜，只要保留足夠的余量和合理分段總能保證加工出高精度零件，突破了目前的殘余應力變形控制重大難題。⑷采用逐段固化方法理論上可以實現(xiàn)無限長弱剛性零件的加工，這是一般加工方法無法實現(xiàn)的。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明開環(huán)薄壁件加工工藝方法流程框圖。
[0016]圖2是工件裝夾和分段示意圖。
[0017]圖3是基準傳遞機構分段固定示意圖。
[0018]圖4是中間裝夾分兩邊加工的示意圖。
[0019]標號說明:
[0020]I是基座，2是已加工段固定部分，3是薄壁件，4是壓緊螺釘M8，5是薄壁框件，6是帶軸夾具體，