CN109623265B - 一种复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法，其包括：根据大口盖几何参数，模拟展平，并计算出最小毛坯；根据大口盖的具体结构及尺寸，设计并制作热压成型所需的工装凹凸模具；采用合模热压成型的方法将大口盖热压成型；采用化学铣切的方法腐蚀加工大口盖内型面上的减重腔；根据大口盖的具体结构及尺寸，设计并制作大口盖机械加工所需的随形工装；采用随形工装装夹固定大口盖，并用固体石蜡填入大口盖与工装之间的间隙，使其粘合为一体；采用五轴数控加工中心将大口盖精加工成型。本发明有效控制并减小了大尺寸薄壁件机械加工过程中的振动与变形，明显提高了大口盖的型面和尺寸精度。
Description
技术领域
本发明属于机械与钣金加工技术领域，具体涉及一种复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法。
背景技术
目前，在航空航天领域，随着各类飞行器、弹体对机动性、负载能力的要求越来越高，其结构也对轻量化、高强度提出了更高的要求，大型复杂变厚度薄壁件越来越多的应用于航空航天领域，例如飞机机翼、机身壁板、变厚度蒙皮等。然而由于该类零件集合了大尺寸、薄壁、变厚度等诸多难点，加工过程中零件振动明显、变形较大，尺寸和型面精度均不易保证，一直困扰着其在航空航天领域的大规模推广应用。
现阶段该类零件在加工制造过程中，一部分采用先在平板状态下加工减重腔等特征，再利用传统的折弯或圈圆等冷成形手段加工而成，该方法由于零件尺寸较大且壁厚较薄，加工过程中零件由于应力释放变形较大，壁厚均匀性无法保证，且成型型面精度低，合格率较低；一部分采用先将零件弯曲成型，再用五轴数控加工中心加工减重腔等相关特征，数控加工难度大，并且薄壁零件由于变形无法和工装紧密贴合，加工过程中振动明显，变形较大，尺寸精度不易保证，严重影响了型号产品的进度。
发明内容
本发明是针对现有的复杂薄壁变厚度大口盖，由于其尺寸较大且壁厚较薄，在零件的加工过程中振动明显且变形较大的问题，提供了一种该类复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法，可有效解决薄壁大口盖在加工过程中振动明显、变形较大的问题，进一步提高大口盖的尺寸和型面精度。
本发明的复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法包括：步骤一，根据所需大口盖的具体结构，采集原始的几何参数，然后利用三维建模软件构建该大口盖的三维模型，并对其进行模拟展平，根据展平后的参数计算出能够包络该大口盖的最小毛坯尺寸；步骤二、根据大口盖的具体结构及尺寸，设计并制作热压成型所需的工装凹凸模具；步骤三、采用合模热压成型的方法制作大口盖粗胚；步骤四、采用化学铣切的方法腐蚀加工大口盖粗胚内型面上的减重腔；步骤五、根据大口盖的具体结构及尺寸，设计并制作大口盖机械加工所需的随形工装；步骤六、采用随形工装装夹固定大口盖，并用固体石蜡填入大口盖与工装之间的间隙，使其粘合为一体；步骤七、采用五轴数控加工中心将大口盖精加工成型。
优选所述步骤三中，根据零件的材料和厚度，合模热压时将温度控制在300～350℃之间，热压时上下模合模时间控制在30min。
优选所述步骤四中，首先将大口盖零件清洗除油，并在其内外表面涂覆能够抵抗腐蚀溶液作用的可剥性保护涂料，经室温固化后进行刻形，根据大口盖内型面上减重腔的位置和尺寸，将涂覆于减重腔部位的保护涂料刻形剥去，然后把大口盖零件浸入腐蚀溶液中，对裸露的减重腔表面进行腐蚀加工。
优选所述步骤六中，在大口盖与随形工装装夹之后，先通过电烤枪辅助加热的方式将固体石蜡软化，然后将软化的石蜡填入大口盖与工装之间预留的间隙，填满周圈一圈，待室温下石蜡固化之后将大口盖与随形工装粘合为一体。
优选所述步骤七中，利用UG8.0三维数控加工模块，对大口盖外形特征进行精加工编程，采用五轴数控加工中心精加工大口盖，保证相对应的尺寸精度。
优选所述大口盖的材质为5A06铝合金板材。
优选所述大口盖展平状态的长宽厚尺寸分别为1600×750×3mm。
优选所述大口盖的大面壁厚为3mm，内型面上分布的减重腔壁厚为1.5mm。
本发明与现有技术相比的有益成果是：
面对复杂薄壁变厚度大口盖成型型面精度差、加工过程中振动明显、易变形的难题，本发明可有效控制大口盖加工过程中的振动和变形量，提高大口盖的型面和尺寸精度。
首先，采用合模热压成型的方法将大口盖热压成型，相较于传统的钣金折弯圈圆冷成型，大幅提高了大口盖的型面精度。
其次，利用化学铣切的方法腐蚀加工大口盖内型面上分布的减重腔等特征，相较于传统的数控铣削加工方法，有效的解决了大尺寸薄板在加工过程中由于应力释放导致的翘曲变形、壁厚不均的难题，有效保证了减重腔壁厚的均匀性、减小了大口盖的变形量。
然后是采用随形工装固定装夹大口盖，并将经加热软化后的石蜡填入大口盖与随形工装之间预留的间隙，待室温下石蜡固化后将大口盖与随形工装粘合为一体，有效解决了大口盖在五轴数控加工过程中振动明显的问题。
最后按设计图纸要求采用五轴数控加工中心将大口盖精加工成型，大幅提高了大口盖的尺寸精度。
附图说明
图1为复杂薄壁变厚度大口盖结构示意图。
图2为复杂薄壁变厚度大口盖展平结构示意图。
图3为大口盖合模热压成型凹凸模结构示意图。
图4为采用固体石蜡粘合大口盖与随形工装示意图。
图5为大口盖五轴加工装夹固定结构示意图。
具体实施方式
本发明所选试验零件为某型飞行器搭接段大口盖，该零件材料为5A06铝合金板材，产品结构为带复杂内腔的大型薄壁变厚度零件，其减重腔壁厚为1.5mm，大口盖大面壁厚为3mm，展平状态的长宽厚尺寸分别为1600×750×3mm，如图1、图2所示。具体实施方式如下：
(1)采集原始大口盖的几何参数，利用UG8.0三维建模软件构建该大口盖的三维模型，并对其进行模拟展平，然后根据展平后的参数计算出能够包络该零件的最小毛坯尺寸。
原理：根据所需大口盖的具体结构和尺寸，以及平板钣金折弯与圈圆的特性，选取合理的板材延伸率、补偿系数等一系列几何参数，合理计算大口盖中轴线的周长，然后利用UG钣金模块将大口盖的三维模型展开为其在平板下的状态，并计算出最小的毛坯尺寸。
(2)采用合模热压成型的工艺方法将大口盖热压成型。
根据大口盖的具体结构和尺寸，设计并制作热压成型所需的工装模具，包括上下模(即凹模和凸模)，然后采用合模热压成型的方法将大口盖热压成型。且为了防止大口盖在合模热压过程中发生位移，需预先在模具和大口盖上加工定位销和定位孔，如图3所示。
关键点：注意合模热压时对温度的控制，根据零件的材料和厚度，本试验炉温控制在300～350℃之间，热压时上下模合模时间控制在30min左右。
(3)采用化学铣切的方法腐蚀加工大口盖内型面上的减重腔等特征。
首先将大口盖零件清洗除油，并在其内外表面涂覆能够抵抗腐蚀溶液作用的可剥性保护涂料，经室温固化后进行刻形，根据大口盖内型面上减重腔的位置和尺寸，将涂覆于减重腔部位的保护涂料刻形剥去，然后把大口盖零件浸入腐蚀溶液中，对裸露的减重腔表面进行腐蚀加工。
关键点：需根据零件的材料选取合适的腐蚀溶液和保护涂料，本试验腐蚀溶液选取以氢氧化钠为主要成分的碱性腐蚀溶液，可剥性保护涂料选取氯丁橡胶、丁基橡胶、聚氯乙烯等配制而成。通过调整腐蚀溶液的成分、浓度、工作温度和零件浸没的时间来控制加工深度、速率以及加工后的表面质量，本试验单向腐蚀加工速率控制在约30μm/min。
(4)采用随形工装装夹固定大口盖，并用固体石蜡填入大口盖与工装之间的间隙，使其粘合为一体。
根据大口盖的具体结构及尺寸，设计并制作大口盖机械加工所需的随形工装，并在大口盖与随形工装装夹之后，先通过电烤枪辅助加热的方式将固体石蜡软化，然后将软化的石蜡填入大口盖与工装之间预留的间隙，填满周圈一圈，待室温下石蜡固化之后将大口盖与随形工装粘合为一体，如图4所示。
关键点：首先将大口盖放在随形工装外型面上，由于大口盖尺寸大且壁厚薄，其实际型面和理论型面存在一定的变形，因此大口盖与随形工装无法完全贴合，通过电烤枪辅助加热固体石蜡，然后将软化的石蜡填入工装上预留的一圈凹槽，在室温下待石蜡固化，即将大口盖和随形工装紧密粘合为一体，最后再用随形工装配套的压板将大口盖压紧固定。
(5)采用五轴数控加工中心将大口盖精加工成型。
利用UG8.0三维数控加工模块，对大口盖外形特征进行精加工编程，采用五轴数控加工中心精加工大口盖，保证相对应的尺寸精度，如图5所示。
本发明提供的大型复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法，能够有效保证大口盖壁厚的均匀性，提高大口盖的尺寸精度和型面精度。目前，本发明的方法已经应用于实际生产中解决实际问题，具有很强的应用前景。
Claims (8)
1.一种复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法，其特征在于，包括：
步骤一、根据所需大口盖的具体结构，采集原始的几何参数，然后利用三维建模软件构建该大口盖的三维模型，并对其进行模拟展平，根据展平后的参数计算出能够包络该大口盖的最小毛坯尺寸；
步骤二、根据大口盖的具体结构及尺寸，设计并制作热压成型所需的工装凹凸模具；
步骤三、采用合模热压成型的方法制作大口盖粗胚，为了防止大口盖在合模热压过程中发生位移，预先在模具和大口盖上加工有定位销和定位孔；
步骤四、采用化学铣切的方法腐蚀加工大口盖粗胚内型面上的减重腔；
步骤五、根据大口盖的具体结构及尺寸，设计并制作大口盖机械加工所需的随形工装；
步骤六、在工装上预留有一圈凹槽，采用随形工装装夹固定大口盖，并用固体石蜡填入大口盖与工装之间的间隙，填满周圈一圈，使其粘合为一体；
步骤七、采用五轴数控加工中心将大口盖精加工成型。
2.根据权利要求1所述的复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法，其特征在于：所述步骤三中，根据零件的材料和厚度，合模热压时将温度控制在300～350℃之间，热压时上下模合模时间控制在30min。
3.根据权利要求1所述的复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法，其特征在于：所述步骤四中，首先将大口盖零件清洗除油，并在其内外表面涂覆能够抵抗腐蚀溶液作用的可剥性保护涂料，经室温固化后进行刻形，根据大口盖内型面上减重腔的位置和尺寸，将涂覆于减重腔部位的保护涂料刻形剥去，然后把大口盖零件浸入腐蚀溶液中，对裸露的减重腔表面进行腐蚀加工。
4.根据权利要求1所述的复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法，其特征在于：所述步骤六中，在大口盖与随形工装装夹之后，先通过电烤枪辅助加热的方式将固体石蜡软化，然后将软化的石蜡填入大口盖与工装之间预留的间隙，填满周圈一圈，待室温下石蜡固化之后将大口盖与随形工装粘合为一体。
5.根据权利要求1所述的复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法，其特征在于：所述步骤七中，利用UG8.0三维数控加工模块，对大口盖外形特征进行精加工编程，采用五轴数控加工中心精加工大口盖。
6.根据权利要求1所述的复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法，其特征在于：所述大口盖的材质为5A06铝合金板材。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法，其特征在于：所述大口盖展平状态的长宽厚尺寸为1600×750×3mm。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的复杂薄壁变厚度大口盖的精确加工方法，其特征在于：所述大口盖的大面壁厚为3mm，内型面上分布的减重腔壁厚为1.5mm。
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