[發明專利]一種弱剛性工件反向分段加工方法及裝置

有效

• 申請號: 201510282078.1
• 申請日: 2015-05-28
• 公開（公告）號: CN104889706B
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 陳志同;于建華;寧濤;朱燏;張云
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B23P17/00
• 分類號: B23P17/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

技術領域

本發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

輕量化是現代航空航天機械制造領域的重要發展方向，飛機殼體中日益廣泛使用整體薄壁結構零件，如整體壁板、框架殼體、大梁、長桁。而航空發動機葉片和機匣則具有更小的剛性，加工過程容易發生材料內部殘余應力釋放引起的變形和加工表面新產生的加工殘余應力產生的加工變形，這些變形導致加工精度難以得到有效的保障。火箭、導彈和衛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。

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剛性的方法、減小切削力的方法和誤差補償的方法。對于殘余應力變形，目前提出的有消除應力的方法、控制加工順序的方法(如對稱加工)、誤差補償的方法、控制刀具磨損的方法等,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。

發明內容

1、目的：本發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。

2、技術方案：傳統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加工好的葉尖部位發生移動，因為殘余應力的釋放和新的加工應力的產生都會導致加工區域的變形。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生變形，上面的樓層也發生變位，這相當于在上層樓層加工完成后又將其移動到新的位置，這從本質上違背機械加工的基準重合原則。基準重合原則是指，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，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。如果中間某層發生變形，那么上面的樓層就發生移位，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。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。

1)綜上所述，本發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：

步驟一：確定分段方法和起始區域。根據開環薄壁件的結構形式、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)一端起步法：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的各段，直到將所有段加工完成。