一種薄壁零件的銑削變形在線測(cè)量與補(bǔ)償加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄壁零件加工誤差測(cè)量與補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種薄壁零件的銑削變形在線測(cè)量與補(bǔ)償加工方法。
技術(shù)背景
[0002]在航空航天領(lǐng)域，為了減輕零部件的重量，通常設(shè)計(jì)成薄壁結(jié)構(gòu)，厚度在2mm以下，同時(shí)為提高比強(qiáng)度，一般選用性能優(yōu)越的鈦合金、航空鋁合金等作為關(guān)鍵零件和結(jié)構(gòu)件的材料，對(duì)零件最終的精度要求比較高，但這些材料在冷加工性能較差，刀具磨損嚴(yán)重，由于薄壁結(jié)構(gòu)剛性較弱，對(duì)切削力、機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差等十分敏感，特別是當(dāng)機(jī)床工作一定年限后，機(jī)床、夾具、工件組成的系統(tǒng)存在的加工誤差有所擴(kuò)大，使得薄壁零件的變形更加嚴(yán)重，傳統(tǒng)的加工手段無法滿足薄壁件加工需求，因此抑制難加工薄壁件在切削過程中變形是航空航天制造領(lǐng)域熱點(diǎn)問題。
[0003]實(shí)際銑削難加工薄壁零件時(shí)，為了盡可能減少工件的變形，通常從工藝的角度出發(fā)，選擇較慢的銑削速度，減小切削力，避免接近工件的共振頻率區(qū)域，同時(shí)為了增強(qiáng)加工過程中零件的剛性，采用分層環(huán)繞銑削，不同的區(qū)域采用不同的刀具以及切削速度。這些措施在一定程度上能夠減小薄壁件加工的變形，但是降低了零件加工的效率，同時(shí)需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)和分析總結(jié)，才能摸索出比較合適的工藝參數(shù)，實(shí)際加工過程中多次工藝參數(shù)的調(diào)整也為工人的操作帶來諸多不便。
[0004]隨著測(cè)量和加工新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，在抑制薄壁件變形的方法上有一些新方法，申請(qǐng)?zhí)枮?01210376274.1的中國(guó)專利申請(qǐng)文件中公開了一種曲面零件的形位誤差原位補(bǔ)償加工方法，利用機(jī)床接觸式測(cè)頭實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量，將實(shí)際加工偏差測(cè)量出來，利用完全鏡像的原理修改數(shù)控代碼。此方法主要針對(duì)常規(guī)厚度的曲面零件原位補(bǔ)償加工，對(duì)于厚度2mm以下的薄壁平面零件，這種測(cè)量后的補(bǔ)償加工效果不明顯，而且完全鏡像補(bǔ)償?shù)募庸し椒▽?duì)于薄壁零件來說可能帶來更大的變形。申請(qǐng)?zhí)枮?01210364066.X的中國(guó)專利申請(qǐng)中公開了一種薄壁葉片精密銑削加工變形補(bǔ)償方法，其基于三坐標(biāo)測(cè)量的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次迭代思想，解決葉片類零件精密加工的難題，但是該方法利用三坐標(biāo)的離線檢測(cè)手段，需要進(jìn)行二次裝夾，造成加工過程中斷，加工坐標(biāo)系丟失，同時(shí)多次迭代的方法是一個(gè)反復(fù)的過程，降低了加工的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種薄壁零件的銑削變形在線測(cè)量與補(bǔ)償加工方法，其通過獲取加工過程中零件的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，利用數(shù)字化建模、數(shù)控加工、離線檢測(cè)路徑規(guī)劃、點(diǎn)云擬合、加工代碼再生等過程，進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)性補(bǔ)償加工，達(dá)到難加工薄壁零在機(jī)測(cè)量、變形補(bǔ)償?shù)饶康模朔四壳半y加工薄壁平面零件加工過程中絕對(duì)尺寸偏差不可測(cè)的難題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體為:
[0007]一種薄壁零件的銑削變形在線測(cè)量與補(bǔ)償加工方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0008](I)建立薄壁零件的三維模型，并分別規(guī)劃工件粗加工、半精加工以及精加工的加工工藝參數(shù)，進(jìn)行加工仿真，然后將刀軌信息后置處理成數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床能夠識(shí)別的數(shù)控代碼；
[0009]在三維建模軟件中設(shè)計(jì)平面薄壁件的模型，并在數(shù)控加工模塊中進(jìn)行操作，分別規(guī)劃工件粗加工、半精加工、精加工的加工工藝參數(shù)，其中粗加工去除工件的大部分余量，半精加工與精加工的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的完全相同。在軟件環(huán)境下進(jìn)行加工仿真，在完全沒有碰撞和干涉的情況下，將刀軌信息后置處理成適合數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床能夠識(shí)別的數(shù)控代碼。
[0010](2)在薄壁零件的三維模型中進(jìn)行在機(jī)測(cè)量的點(diǎn)位位置規(guī)劃，并據(jù)此在薄壁零件表面從上到下依次提取多條線段，并從線段中提取測(cè)量的點(diǎn)位；
[0011 ] 在建模環(huán)境中，選取需要在機(jī)測(cè)量點(diǎn)位的平面，操作面抽取線段，選取線段提取測(cè)量的點(diǎn)位，最后導(dǎo)出點(diǎn)數(shù)據(jù)。
[0012](3)根據(jù)數(shù)控機(jī)床模型、實(shí)際測(cè)量所用的測(cè)頭和探針型號(hào)，以及獲得的點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量路徑規(guī)劃；
[0013]工件三維模型、點(diǎn)位數(shù)據(jù)先后分別導(dǎo)入到在機(jī)測(cè)量路徑規(guī)劃軟件中，兩者在此軟件中組成新的對(duì)應(yīng)關(guān)系與之前三維模型中建立的一致，通過中間路徑規(guī)劃，增加過渡點(diǎn)等手段是使測(cè)量仿真過程全局無干涉。最后將測(cè)量規(guī)劃的信息后置處理成機(jī)床能夠識(shí)別的數(shù)控測(cè)量循環(huán)代碼。
[0014](4)將工件毛坯安裝到數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)上，并利用步驟(I)中生成的數(shù)控代碼先進(jìn)tx粗加工，并粗加工完后更換刀具，進(jìn)彳丁半精加工；
[0015](5)將步驟(3)中生成的測(cè)量路徑導(dǎo)入機(jī)床中，把切削用的刀具更換成機(jī)床測(cè)頭，通過對(duì)刀，將測(cè)量坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系保持一致，然后進(jìn)行在機(jī)測(cè)量，獲取所有規(guī)劃的測(cè)量點(diǎn)位的坐標(biāo)值；
[0016](6)將獲得的測(cè)量點(diǎn)位的坐標(biāo)值與薄壁零件三維模型上對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出實(shí)際加工工件的每個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)與三維模型上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的偏差，以評(píng)估半精加工后平面的加工偏差；
[0017](7)根據(jù)上述加工偏差優(yōu)化加工軌跡，并據(jù)此進(jìn)行精加工軌跡規(guī)劃，得到最終的加工變形偏差及補(bǔ)償值，以進(jìn)行精加工；
[0018]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述的加工偏差為各點(diǎn)位的偏差的均值。
[0019]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述精加工過程采用與半精加工相同的刀具和加工參數(shù)。
[0020]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述步驟(7)中，通過設(shè)置一個(gè)與所述加工偏差反向的常量e和一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)變量λ，以λ.θ作為補(bǔ)償值進(jìn)行優(yōu)化。
[0021]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述步驟(5)-(7)可重復(fù)多次執(zhí)行，其中每次執(zhí)行中優(yōu)化時(shí)的補(bǔ)償系數(shù)λ不同，以得到不同的偏差曲線，進(jìn)而獲得最優(yōu)的補(bǔ)償值以及補(bǔ)償系數(shù)，以作為最終的加工變形偏差和補(bǔ)償值。
[0022]本發(fā)明的方法，通過在加工的機(jī)床上進(jìn)行在線測(cè)量，根據(jù)已有的變形分析結(jié)果，進(jìn)行預(yù)測(cè)性的補(bǔ)償加工，使最終加工出的平面薄壁件減小變形量，同時(shí)不降低太多加工效率。
[0023]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0024]I)本發(fā)明的方法利用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，避免了完全仿真預(yù)測(cè)的邊界條件不充足，經(jīng)過巧妙的半精加工與精加工設(shè)計(jì)，使用完全相同的加工參數(shù)，即只需用一組試驗(yàn)盡可能的實(shí)現(xiàn)最佳的補(bǔ)償效果。
[0025]2)本發(fā)明的方法能夠提高航空航天薄壁結(jié)構(gòu)件的加工精度，特別是對(duì)厚度為2mm以下的框梁壁板特征具有很好的變形抑制效果。
[0026]3)本發(fā)明的方法為薄壁平面件的在機(jī)測(cè)量提供了一種快捷的路徑規(guī)劃方法，結(jié)合三維軟件強(qiáng)大的模型編輯功能，結(jié)合現(xiàn)有商業(yè)測(cè)量路徑規(guī)劃軟件的避障優(yōu)勢(shì)，完成了有規(guī)律分布的大規(guī)模點(diǎn)的接觸式測(cè)量，提高了機(jī)床接觸式測(cè)量的效率。
【附圖說明】
[0027]圖1為按照本發(fā)明實(shí)施例的方法所應(yīng)用的薄壁件的加工變形模型示意圖；
[0028]圖2為按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的方法的流程圖；
[0029]圖3為按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的方法的在線測(cè)量測(cè)點(diǎn)分布圖；
[0030]圖4為按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的方法所應(yīng)用的薄壁件在半精加工后的偏差分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0032]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例以附圖2所示的薄壁懸臂結(jié)構(gòu)為例，但本發(fā)明的方法所加工的薄壁零件并不限于上述結(jié)構(gòu)以及其具體的尺寸。實(shí)際上，凡是具體薄壁結(jié)構(gòu)的零件本發(fā)明的方法均可適用。
[0033]本實(shí)施例對(duì)應(yīng)的薄壁懸臂結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸約為懸高30mm、厚0.7mm、寬40mm，薄壁毛坯材料為鈦合金TC4，材料硬度為HRC40，在MIKRON UCP800Duro五坐標(biāo)加工中心上加工，該機(jī)床采用Heidenhain iTNC530M數(shù)控系統(tǒng)，該機(jī)床XYZ軸定位精度0.006mm，重復(fù)定位精度0.004臟，加工刀具選用直徑10臟，刃長(zhǎng)25臟，長(zhǎng)度75mm，4刃的超細(xì)晶粒鎢鋼刀，測(cè)量設(shè)備采用雷尼紹機(jī)床測(cè)量系統(tǒng)，重復(fù)觸發(fā)精度I ym。
[0034]按照本發(fā)明實(shí)施例對(duì)該薄壁懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工的具體過程為:
[0035]步驟1:在三維建模軟件例如Unigraphics NX 7.5軟件中建立薄壁件的三維模型，在加工模塊