CN111515622B - 一种大面积薄壁金属曲面零件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积薄壁金属曲面零件的制造方法，属于精密加工技术领域。包括设置预设构型、制作工装、加工环形零件粗胚、加工测厚孔和加工薄壁环形零件步骤，在过程中采用了探针法来监控壁厚尺寸，采用了反修正模型加工曲线的方法进行数控加工。本发明方法提高了大面积薄壁金属曲面零件制造的可行性，克服了传统加工方法中不能直观获得厚度数据和曲面加工准确性的困难，提高了加工效率和成功率，有效的保证了曲面精度，具有很强的可操作性，是对现有技术的一个重要改进。

Description

一种大面积薄壁金属曲面零件的制造方法

技术领域

本发明专利涉及金属材料的精密加工技术领域，特别是指一种大面积薄壁金属曲面零件的制造方法。

背景技术

在机械设备制造领域，大型的金属薄壁曲面零件经常被应用在重要的部位，如飞行器外形件，雷达天线的反射面等。该类零件因为具有面积大、壁薄、曲面外形的特点从而存在着较大的加工难度。加工难度主要体现在两点，第一是难以保证壁厚的正确和一致性，这是因为厚度尺寸不能被实时的直观测量，加工存在盲目性。第二是难以保证曲面的型面精度。在加工过程中，曲面成型最后的精加工阶段，需要分成几个步骤循序进行，但每一步骤的加工是否正确，缺乏直观的评估方法，也导致了加工的盲目性。传统的加工方法，采用理论数据曲线，一层一层的去量加工，对于大面积的零件具有耗用加工工时过长的缺点，并且这种加工方法只能一定程度上降低加工应力变形，而不能消除其余降低精度因素。加工过程的精度损失是由于刀具磨损、机床精度以及加工应力变形等多因素综合作用的结果，是不可避免的。但这个误差是有一定规律的，可以用来修正加工数据。总之，加工过程中既要保证尺寸的正确，又要兼顾曲面精度，不当的加工方法很容易造成局部过厚重量超标，或过薄导致破坏失稳。

公开号为CN104511754A的中国专利公开了“薄壁曲面类零件的加工方法”，属于飞机数控加工技术，该方法提供一种薄壁曲面类零件的加工方法，包括：在加工完成的零件的曲面上铺上软质皮垫；在铺好皮垫的已加工完成的零件一面区域内灌上石膏；待到石膏硬化匀称后，在数控机床上对灌石膏的区域进行超平加工，保证石膏超平区域与工装的底面一平。该方法利用固化的石膏抵抗加工应力从而防止加工变形，但是由于石膏的弹性模量远小于金属材料的弹性模量，另外石膏不具有金属的弹性和塑形，这两个因素降低了固化石膏防止加工变形的能力。另外，该方法不能有效检测大面积薄壁件的壁厚，从而不适宜于大面积薄壁金属曲面零件的加工。

发明内容

本发明提出了一种大面积薄壁金属曲面零件的制造方法，具有精度高、可操作性强的特点。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

1.一种大面积薄壁金属曲面零件的制造方法，包括以下步骤：

S1.绘制金属曲面的理想曲面构型，并在理想曲面的基础上增加厚度获得金属曲面的基础构型；

S2.根据理想曲面构型的大小制作环形卡箍；

S3.按照基础构型加工出圆形的零件粗胚料；

S4.加工测厚孔：

S4.1将零件粗胚料卡入环形卡箍中进行固定；

S4.2以零件粗胚料的中心为圆心，预设多个同心的环线，相邻环线之间的间距均相等；

S4.3以零件粗胚料的中心为起点预设多条辐向线，相邻辐向线之间的夹角均相等；

S4.4以辐向线与环线的交叉点作为测量点位，在每个测量点位处开设测厚孔；

S5.加工薄壁环形零件：

S5.1以零件粗胚料的任意一侧面作为精度表面，以零件粗胚料的另一侧面作为次等表面，对零件粗胚料的次等表面进行加工，直至符合理想曲面构型；

S5.2次等表面加工完毕后，对零件粗胚料的精度表面进行多次加工，每次加工完毕后对每个测厚孔的孔深进行测量，直至精度表面的构型符合理想曲面构型。

进一步的，所述步骤S3后，还要对零件粗胚料进行去应力处理，去应力方式为采用热处理或高频振动。

从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：

1、本发明所提供技术方案实现了大面积薄壁金属曲面零件的高精度制造，有效的保证了曲面精度，具有很强的可操作性。

2、本发明克服了传统加工方法中不能直观获得厚度数据和曲面加工准确性的困难，提高了加工效率和成功率。

附图说明

图1为本发明实施例中回转形薄壁曲面零件的主视图。

图2为本发明实施例中回转形薄壁曲面零件的环形卡箍示意图。

图3为本发明实施例中测厚孔的分布示意图。

图4为本发明实施例中反修正模型的原理示意图。

附图标记说明：

精度表面1、次等表面2、环形卡箍3、测厚孔4、理论数据曲线6、反修正模型加工曲线7、测量数据拟合曲线5。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面根据附图1-4对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。

一种大面积薄壁金属曲面零件的制造方法，如图1所示，该零件具有的精度表面1和内凹的次等表面2。该曲面零件的制造过程包括以下步骤：

S1、预设构型，首先预设绘制金属曲面的构型，按照预设的金属曲面的构型对胚料表面加工，加工完毕后扫描胚料表面的构型，将预设的绘制金属曲面的构型与胚料表面的构型进行对比，根据加工误差修正预设绘制金属曲面的构型得到新的加工曲面构型，新的加工曲面构型为理想曲面构型，并在理想曲面的基础上增加厚度获得金属曲面的基础构型；

S2.制作工装，设置均匀合理的曲面外环形卡箍3。所述的环形卡箍设置于曲面精度表面1以外，设置位置要求均匀合理，不干涉数控机床对曲面的加工，待加工完成后需要去除。环形卡箍设置于同一平面内，如图2所示。

S3、加工环形零件粗胚，将环形零件粗胚按照基础构型进行加工，获得零件粗胚料

S4、曲面零件的粗加工和加工测厚孔。对零件所有表面（包含外凸的精度表面1和内凹的次等表面2）进行初次加工，去除大部分加工余量。为了实时监测曲面厚度，采用了探针法。探针法是首先在曲面上基本均匀且有规律的加工出测厚孔4，通过L形的探针插入孔中勾住孔壁以确定并监测曲面零件厚度。测厚孔4直径尽量要小，一般选择φ1至φ2左右。测厚孔的分布如图3所示；

测厚孔4的制作过程为：

S4.1将零件粗胚料卡入环形夹具中进行固定；

S4.2以零件粗胚料的中心为圆心，预设多个同心的环线，相邻环线之间的间距均相等；

S4.3以零件粗胚料的中心为起点预设多条辐向线，相邻辐向线之间的夹角均相等；

S4.4以辐向线与环线的交叉点作为测量点位，在每个测量点位处开设测厚孔；

S5、去应力处理。采用热处理或振动时效等方式去除零件粗胚料的加工应力，减小后续加工中产生的应力变形。

S6、精加工零件次等表面2。

S6.1以零件粗胚料的任意一侧面作为精度表面，以零件粗胚料的另一侧面作为次等表面，对零件粗胚料的次等表面进行加工，直至符合理想曲面构型；

S6.2次等表面加工完毕后，对零件粗胚料的精度表面进行多次加工，每次加工完毕后对每个测厚孔的孔深进行测量，直至精度表面的构型符合理想曲面构型。

S7、精加工零件精度表面1,零件精度表面1在实际使用中用于迎抗风阻或反射信号，需要很高的曲面精度和表面质量，选择最后加工完成。此次加工需要将加工余量按照递减原则分成几次进行加工，不可一次加工完成。

每一次的精加工都需要严格监控加工情况。包括采用步骤S4中方法测量剩余厚度，判断厚度的均匀性。

为了减少加工次数，缩短加工周期，该步骤中采用了反修正模型曲线的加工方法。所述的反修正模型曲线的加工方法，是在加工中通过提前评估加工误差，并将加工误差预先补偿到加工程序中，从而加工效率和加工精度得以提高的方法。具体方法是这样的，首先用理论数据曲线6进行第一次加工（注意选择较小的吃刀量），加工完成后采用高精度测量设备采集加工面的点位信息，并通过软件合成一条曲线代表实际的加工表面，该曲线为测量数据拟合曲线5。在一个坐标系中将两条曲线进行对比会发现并不重合，差别部分即为实际和理论的加工误差。加工误差综合反映了刀具磨损、机床传动丝杠游隙产生的本身误差，以及加工应力变形等影响因素。利用加工误差反向修正数据模型，即将理论曲线预先抵消一部分的加工误差，从而生成了新的加工数据曲线，即为反修正模型加工曲线7。按照新的加工曲线进行加工，使得加工程序修正的结果可以预测，甚至达到程序修正一次到位的效果。该方法原理如图4所示。

S8、检测零件，确认合格。加工完成后从外形尺寸、面型精度、重量等方面注意检测，确认零件质量。所述的面型精度的测量主要是通过数字近景测量设备采集精度表面1的数据并和理论模型对比进行，也可以采用激光跟踪仪、三坐标等其他设备完成；厚度数值采用探针法通过测厚孔测得。

S9、去除环形卡箍，完成零件。

本发明方法大大地提高了大面积薄壁金属曲面零件制造的可行性，克服了传统加工方法中不能直观获得厚度数据和曲面加工准确性的困难，提高了加工效率和成功率，有效的保证了曲面精度，具有很强的可操作性，是对现有技术的一个重要改进。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。

出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。

总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种大面积薄壁金属曲面零件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.绘制金属曲面的理想曲面构型，并在理想曲面的基础上增加厚度获得金属曲面的基础构型；

S2.根据理想曲面构型的大小制作环形卡箍；

S3.按照基础构型加工出圆形的零件粗胚料；

S4.加工测厚孔：

S4.1将零件粗胚料卡入环形卡箍中进行固定；

S4.2以零件粗胚料的中心为圆心，预设多个同心的环线，相邻环线之间的间距均相等；

S4.3以零件粗胚料的中心为起点预设多条辐向线，相邻辐向线之间的夹角均相等；

S4.4以辐向线与环线的交叉点作为测量点位，在每个测量点位处开设测厚孔，测厚孔的直径为φ1至φ2；

S4.5在测厚孔内设置L形的探针，使探针勾住孔壁以确定并监测曲面零件厚度；

S5加工薄壁环形零件：

S5.1以零件粗胚料的任意一侧面作为精度表面（1），以零件粗胚料的另一侧面作为次等表面（2），对零件粗胚料的次等表面进行加工，直至符合理想曲面构型；

S5.2次等表面加工完毕后，采用反修正模型曲线对零件粗胚料的精度表面进行多次加工，每次加工完毕后，通过探针对每个测厚孔（4）的孔深进行测量，直至精度表面的构型符合理想曲面构型；所述反修正模型曲线是指将测量数据拟合曲线和理论数据曲线之间的误差反向叠加到理论数据曲线上所生成的曲线。

2.根据权利要求书1所述的一种大面积薄壁金属曲面零件的制造方法，其特征在于，所述步骤S3后，还要对环形零件粗胚料进行去应力处理，去应力方式为采用热处理或高频振动。

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