CN110919459A

CN110919459A - 一种夹紧力对薄壁件加工变形影响的检测方法

Info

Publication number: CN110919459A
Application number: CN201911238530.9A
Authority: CN
Inventors: 王奔; 赵明; 张亚飞; 刘娜; 王明海
Original assignee: Shenyang Aerospace University
Current assignee: Shenyang Aerospace University
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2039-12-06
Also published as: CN110919459B

Abstract

本发明公开了一种夹紧力对薄壁件加工变形影响的检测方法，包括一：计算夹紧力需满足的基本条件；二：选择不同夹紧力，开展在不同压紧力作用下的装夹；三：采用面支撑、四点夹紧的装夹方式，对薄板件铣削实验；四：采用压力传感器测量夹紧力，并记录铣削加工过程中夹紧力的变化；五：铣削完成后，使用三坐标测量机对已加工表面的平面度进行测量；六：通过对不同夹紧力时平面度值的对比分析，得到夹紧力对变形的影响规律，进而得到不同平面度要求时的夹紧力值。本发明通过不同夹紧力条件下的铣削试验，结合测量加工初始时的夹紧力及加工过程中夹紧力的变化，再通过表面平面度的测量得到不同薄壁件加工后的变形情况，得到夹紧力对平面度的影响规律。

Description

一种夹紧力对薄壁件加工变形影响的检测方法

技术领域

本发明属于加工变形技术领域，具体涉及一种夹紧力对薄壁件加工变形影响的检测方法。

背景技术

为保证飞行器结构件的结构性能需求，航空结构件均在保证结构强度等要求的前提下极力降低重量，因此航空结构件上通常为薄壁结构。随着航空结构件整体化的发展，结构件整体上呈现大型、薄壁、结构复杂的特点。大型、薄壁的特点，使得航空结构件在加工后极易产生加工变形。

对于大型薄壁结构件在夹具上的安装，其夹紧过程主要是依靠压板。结构件装夹过程中需要多个压板才能实现结构件的高可靠性装夹。采用压板时，压紧力是夹紧过程中的关键因素。

零件的壁厚或者板厚与轮廓尺寸之比小于1:20时称为薄壁零件或薄板零件。铝合金薄壁/薄板类零件具有比强度高、相对重量较轻等优点，在航空航天中大量使用，但因为其刚性差的特点而导致装夹及加工时易变形。

夹具在机械加工中保证工件在机床所占据的正确的位置，是工艺规划中一个重要因素，对操作安全及工件的加工精度有直接的影响。夹具应保证在整个加工过程中工件的稳定，由夹具引起的工件的加工误差是不可忽视的重要因素。夹紧元件对工件应当施加合适的夹紧力，当夹紧力施加不足时，工件在加工过程中产生小位移或振动，偏离原始装夹位置；当夹紧力施加过大时，夹紧力会导致工件从夹具拆卸后产生回弹变形，甚至在装夹过程中使工件产生变形。

目前，为了保证加工过程中工件的稳定性和可靠性，在不导致工件变形的前提下，通常采用较高的压紧力。然而，压紧力对工件变形具有重要影响，过大的压紧力可能导致工件加工后产生较严重的变形现象。因此，如何对薄壁件装夹过程中的夹紧力进行合理选择，是确定夹紧力的前提条件，而夹紧力对薄壁件加工变形影响的检测方法是急需解决的关键技术难题。

发明内容

针对目前薄壁件装夹过程中，产生最小加工变形时夹紧力范围难以确定的现状，克服现有技术的不足，本发明提出一种夹紧力对薄壁件加工变形影响的检测方法。本发明所采用的技术方案如下：

一种夹紧力对薄壁件加工变形影响的检测方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：计算薄壁件夹紧力需满足的基本条件；

步骤二：选择3-7个夹紧力，开展在不同压紧力作用下的装夹；

步骤三：采用面支撑、四点夹紧的装夹方式，对薄壁件进行铣削实验；

步骤四：采用压力传感器测量夹紧力，并记录铣削加工过程中夹紧力的变化；

步骤五：铣削完成后，使用三坐标测量机对已加工表面的平面度进行测量。测量方法是探针从开始铣削的位置沿走刀路径采集点，在每次走刀路径上采集数据点，通过最佳拟合平方法拟合出已加工表面的平面度；

步骤六：通过对不同夹紧力时平面度值的对比分析，得到夹紧力对变形的影响规律，进而得到不同平面度要求时的夹紧力值。

所述薄壁件在装夹时应满足以下基本条件：

在铣削过程中应保证所述薄壁件在外力作用下力平衡、力矩平衡：∑F＝0 ∑M＝0；

为了保证薄壁件被完全固定，薄壁件在外力作用下与夹紧元件不能产生相对滑动，即薄壁件的装夹稳定性。所以，在夹紧元件与薄壁件的每个接触点处，夹具与薄壁件的法向接触力F_z与切向力F_x、F_y应满足库仑摩擦定律：|F_x|+|F_y|≤μF_z，其中μ为夹具与薄壁件的摩擦系数；

夹具与所述薄壁件的法向接触力必须是正值，并且法向接触力不能使薄壁件产生塑性变形：F_z≥0，F_z≤s_y·A，其中s_y为薄壁件材料的抗压屈服强度，A为夹紧元件与薄壁件的接触面积。

本发明的有益效果是：压紧力对薄壁件变形具有重要影响，过大的压紧力可能导致薄壁件加工后产生较严重的变形现象。因此，如何对薄壁件装夹过程中的夹紧力进行合理选择，是确定夹紧力的前提条件，而夹紧力对薄壁件加工变形影响的检测方法是急需解决的关键技术难题，本发明具有以下优势：(1)本发明为一种夹紧力对薄壁件加工变形影响的检测方法，在夹紧力需满足基本条件的前提下，选取不同夹紧力，进行不同夹紧力条件下的铣削试验，提高了试验的可靠性。(2)在薄壁件铣削加工过程中，通过压力传感器测量加工初始时的夹紧力及加工过程中夹紧力的变化，再通过表面平面度的测量得到不同薄壁件加工后的变形情况，进而得到夹紧力对平面度的影响规律，为薄壁件装夹过程中夹紧力的合理选择提供重要的检测依据，从而保障了飞行器结构服役的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明的加工现场示意图；

图2为本发明的走刀示意图；

图3为本发明的加工过程中各压板夹紧力变化图；图中：(a)压板初始夹紧力为300N夹紧力变化图；(b)压板初始夹紧力为400N夹紧力变化图；(c)压板初始夹紧力为500N夹紧力变化图；(d)压板初始夹紧力为600N夹紧力变化图；

图4为本发明的平面度测量示意图；

图5为本发明的已加工表面的平面度示意图；

图6为本发明中初始夹紧力为400N时铣削后表面图。

符号说明：1-主轴；2-压力传感器；3-压板一；4-压板二；5-压板三；6-压板四；7-刀柄；8-刀具；9-薄壁件；10-工作台。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明，结合附图对本发明进行进一步详细描述。

下面参照图1-6来描述根据本发明的实施例提供的一种夹紧力对薄壁件加工变形影响的检测方法。该方法包括如下步骤：

步骤一：计算薄壁件9夹紧力需满足的基本条件；

步骤三：采用面支撑、四点夹紧的装夹方式，对薄壁件9进行铣削实验；

步骤四：采用压力传感器2测量夹紧力，并记录铣削加工过程中夹紧力的变化；

本次试验使用的薄壁件9材料为铝合金7075-T651，尺寸为250mm×120mm×5mm。试验所使用的刀具8为4刃硬质合金立铣刀，刀具8直径16mm，螺旋角42°。

夹紧力测量采用压力传感器铣削加工完成后，使用海克斯康三坐标测量机测量铣削后薄壁件表面的平面度。铣削参数如表1所示。

表1立式加工中心铣削参数

如图1所示，本次试验铣削铝合金薄壁件9装夹方式采用面支撑、四点夹紧薄壁件9；其中压力传感器2位于压板与薄壁件9之间，对夹紧力进行测量。所测量的力为压板对薄壁件9施加的正压力。本文后续的夹紧力均指的正压力。

薄壁件9在装夹时应满足以下条件：

1)在铣削过程中应保证薄壁件9在外力作用下力平衡、力矩平衡，如公式(1)所示：

∑F＝0 ∑M＝0 (1)

2)为了保证薄壁件9被完全固定，薄壁件9在外力作用下与夹紧元件不能产生相对滑动，即薄壁件9的装夹稳定性。所以，在夹紧元件与薄壁件9的每个接触点处，夹具与薄壁件9的法向接触力F_z与切向力F_x、F_y应满足库仑摩擦定律：

|F_x|+|F_y|≤μF_z (2)

其中μ为夹具与薄壁件9的摩擦系数。

3)另外，夹具与薄壁件9的法向接触力必须是正值，并且法向接触力不能使薄壁件9产生塑性变形：

F_z≥0，F_z≤s_y·A (3)

其中s_y为薄壁件9材料的抗压屈服强度，A为夹紧元件与薄壁件9的接触面积

压力传感器2的材料为45#钢，薄壁件9材料为7075铝合金，两种材料的摩擦系数为0.17。薄壁件9材料的抗压屈服强度为503MPa，压力传感器直径为25mm。因此，根据公式(1)、(2)、(3)计算出压板对薄壁件9施加的正压力应满足140N≤F≤246KN。在满足以上条件的基础上，选取四个力作为夹紧力，分别为300N，400N，500N，600N。分四次铣削，每次铣削加工时，对四个压板施加相同的力。第一次施加的力为300N，第二次为400N，以次类推。每次铣削加工进行三次走刀。如图2所示，其中数字代表四个压板压紧位置，对应四个压板的编号，箭头代表进给方向。

利用压力传感器2测量压板对薄壁件9的正压力，并通过相应数据显示软件显示并记录夹紧力。在薄壁件9铣削加工过程中，由压力传感器2记录的四个压板对薄壁件9的夹紧力变化，如图3所示，为加工过程中各个压板夹紧力的变化曲线。

铣削完成后，使用三坐标测量机对已加工表面的平面度进行测量。测量方法是探针从开始铣削的位置沿走刀路径采集点，测量示意图如图4所示，在每次走刀路径上采集20个点，共采集60个点，通过最佳拟合平方法拟合出已加工表面的平面度。

如图5所示，为本次试验平面度的测量结果。随着初始夹紧力的增大，铣削后表面的平面度呈现先增大后减小再增大的趋势，平面度最小值位于初始夹紧力为500N时。

如图6所示，利用Matlab R2014a对采集的60个点进行拟合，得出平面轮廓。初始夹紧力为400N时铣削后表面轮廓图，薄壁件9铣削后平面呈现“凸”字形状，颜色分布呈现出渐变分布，中间附近颜色较浅，越趋于两端，颜色分布越深。夹紧力由于在薄壁件9的两端施加的夹紧力在加工过程中上下波动，在每次走刀时，从铣削开始到结束时，夹紧力先减小再增大，即薄壁件9两端的夹紧力大，薄壁件9中间附近夹紧力变小，从而导致在切削过程中薄壁件9两端产生“过切”现象，产生较大的变形，影响加工精度。

Claims

1.一种夹紧力对薄壁件加工变形影响的检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1.1.计算薄壁件(9)夹紧力需满足的基本条件；

1.2.选择不同夹紧力，开展在不同压紧力作用下的装夹；

1.3.采用面支撑、四点夹紧的装夹方式，对薄壁件(9)进行铣削实验；

1.4.采用压力传感器(2)测量夹紧力，并记录铣削加工过程中夹紧力的变化；

1.5.铣削完成后，使用三坐标测量机对已加工表面的平面度进行测量，测量方法是探针从开始铣削的位置沿走刀路径采集点，在每次走刀路径上采集数据点，通过最佳拟合平方法拟合出已加工表面的平面度；

1.6.通过对不同夹紧力时平面度值的对比分析，得到夹紧力对变形的影响规律，进而得到不同平面度要求时的夹紧力值。

2.根据权利要求1所述一种夹紧力对薄壁件加工变形影响的检测方法，其特征在于，所述薄壁件(9)在装夹时应满足以下基本条件：

2.1.在铣削过程中应保证所述薄壁件(9)在外力作用下力平衡、力矩平衡：∑F-0 ∑M-0；

2.2.为了保证薄壁件(9)被完全固定，所述薄壁件(9)在外力作用下与夹紧元件不能产生相对滑动，即薄壁件(9)的装夹稳定性，在夹紧元件与薄壁件(9)的每个接触点处，夹具与薄壁件(9)的法向接触力F_z与切向力F_x、F_y应满足库仑摩擦定律：|F_x|+|F_y|≤μF_z，其中μ为夹具与薄壁件(9)的摩擦系数；

2.3.夹具与所述薄壁件(9)的法向接触力必须是正值，并且法向接触力不能使薄壁件(9)产生塑性变形：F_x≥0，F_z≤s_y·A，其中s_y为薄壁件(9)材料的抗压屈服强度，A为夹紧元件与薄壁件(9)的接触面积。