薄壁回转体零件铣削加工方案.doc

2010年1月12日 薄壁回转体零件铣削加工方案 孙建立 20904163薄壁回转体零件铣削加工方案摘要:本文概括介绍了薄壁回转体零件加工的试行方案。薄壁零件有很大的应用空间，其性质决定了主要用于很重要的场合。尤其在航空工业，很多复杂重要的零件是薄壁的。薄壁零件的加工水平很大程度上影响了整体产品的优劣。本文研究的薄壁回转体零件更是薄壁零件中更加难以加工的一类零件。通过分析该类零件的具体特点、加工工艺流程以及当今相关先进设备及技术，综合设计出了一个试行加工方案。本文具体特点有如下几点：（1）分析零件特征，选取了合适的夹具，用来减小加工时的变形；（2）利用ANSYS有限元分析软件，建立铣削薄壁回转体零件的柔性模型，模拟加工过程，分析其变形情况和合适的切削参数；（3）充分利用我校研制成功的薄壁回转体几何尺寸检测设备，对加工零件进行测量，保证其形状及尺寸。关键词：薄壁回转体；有限元技术；尺寸检测引言薄壁回转体零件的加工一直是机械加工业的一个难点，一方面因为此类零件壁厚薄，刚度很差，加工过程中力变形、热变形比较严重；另一方面其结构又是回转体，加工和固定都有很大难度。所以此类零件的尺寸精度和形位精度非常难以达到加工要求，废品率高，生产效率很低。研究薄壁回转体零件的加工方案，提高加工精度，提高生产率，降低成本是一项具有很大实际意义的工作。由于要求用铣削加工，其特点为铣刀旋转而工件不动的加工工序。基于这一点，以及薄壁回转体零件自身易弯曲变形，不易夹固的特点，选择合适的铣刀来加工零件外表面。加工内表面时，采用真空吸附夹具、卡盘的卡爪夹持开缝夹套等来固定工件，减小其变形；加工外表面时，可用一辅助体置于零件内部来固定工件，防止其变形。通过进行动力学建模，应用有限元软件ANSYS对薄壁回转体工件进行了分析，数据分析得出在切削薄壁回转体时一定要根据其动力学特性来选择它的切削频率和切削厚度；一定要考虑其加工时的具体变形规律。测量方法采用我校专利技术等长点迹线钳式测量法，使用一台薄壁回转体几何尺寸检测设备，以解决薄壁回转体外廓形状及几何厚度精密测量的难题。一、零件特性分析及其夹固方法薄壁回转体零件，顾名思义，其既是薄壁零件，又是回转体零件。薄壁回转体零件很多是极其关键部件，其制造精度是整体机器性能的直接因素。兼和两种类型零件的特点，其加工难度更大。一般传统零件加工完以后，工件不取下即在机床上测量工件的内孔或外圆的径向跳动时，其测量的数值都很小，但是工件从机床上取下后，工件加工过的内孔或外圆就变形了，变成了如图1的形状。零件壁厚越薄，或夹紧力越大，其变形也就越大。对要求精度较高的零件，这样的变形就不能满足要求。为解决这种问题，我们采用非常规方法来减少夹持变形的方法，实际使用后，效果较好。图1 传统加工夹固变形当零件壁厚很薄，加工外表面时，不用卡爪夹持，可采用真空吸附夹具，其条件是零件没有通孔。夹具结构图如下图 2夹具结构图加工内表面时同样采用相同原理，只是由于外形不同而已。当零件有通孔时，需采用其他方法，如：加工外表面时，将工件放在开缝的夹套中，卡盘的卡爪夹持开缝夹套的外圆，工件不直接接触卡爪，通过夹套的变形来夹紧工件，这样工件的夹持变形可以减小。在可能的条件下，夹套的壁厚可以厚一点。如果加工零件的壁厚很小，可以将三爪改为如图2的摆动爪，仍然用开缝夹套夹持工件，夹持变形可进一步减小。如图3所示 加工内表面时，采用外形与零件内表面相同的辅助体来防止变形。二、当今薄壁回转体零件基本加工方法薄壁回转体零件的加工方法，最常用的主要有（1）采用简易的旋压工具，利用普通机床旋压加工薄壁且形状复杂的回转体工件；（2）车铣技术系，即用铣削和车削的复合运动共同完成回转体切削加工的切削方法。将三轴联动车铣头变二轴加转动联动车铣头。本文采用铣削加工，跟一般加工又有不同，要充分考虑铣削的特点来设计加工方案。铣削指使用旋转的多刃刀具切削工件，是高效率的加工方法。工作时刀具旋转，工件移动，工件也可以固定，但此时旋转的刀具还必须移动。铣削用的机床有卧式铣床或立式铣床，也有大型的龙门铣床。这些机床可以是普通机床，也可以是数控机床。本例最好采用先进的数控铣床，简单的也可在普通铣床上加工。三、加工总体方案（1）加工任务及所需软件和设备加工薄壁回转体零件；普通铣床（或数控铣床）；专用夹具及其辅助设施；ANSYS分析平台；测量装置（等长点迹线钳式测量法薄壁回转体几何尺寸检测设备）。（2）加工流程第一步：根据零件具体特点（薄壁、回转），利用ANAYS软件进行分析（不同厚度的模态分析、不同切削厚度时切削的谐响应分析），确定切削频率和切削厚度；建立零件柔性模型，进行模拟加工，分析其加工变形规律。 第二步：用选定夹持装置将工件固定与工作台上，按照要求进行铣削加工，整个铣削加工分多阶段进行，逐步降低进给量来增加加工精度；第三步：半精加工后对工件进行几何尺寸的测量，测量和加工配合进行，确保达到要求尺寸精度。 四、加工具体方案设计此部分主要对加工过程中的ANSYS分析和几何形状的测量为重点。有限元ANSYS分析零件动力学特性1、根据给定具体零件，首先进行动力学建模，然后应用有限元软件ANSYS对薄壁回转体零件进行分析，主要有以下内容：（1）对不同厚度的零件进行模态分析，并详细分析薄壁回转体在不同厚度时的固有频率的变化关系以及它的合位移等值线图的变化；（2）进行薄壁回转体在不同厚度及不同切削厚度时切削的谐响应分析；（3）进行薄壁回转体在不同厚度及不同切削频率下的切削实验，从采集到的加速度数据分析固有频率对加工薄壁回转体的振动的影响。由模态分析得出，薄壁件的固有频率与工件的厚度关系最大，随着厚度的增大薄壁回转体的固有频率也随着增大，且增大很快，薄壁件的固有频率与工件的材料与薄壁件的长度也有很大关系。由模态分析得到的合位移等值线图看出，薄壁回转体的各阶的固有频率处的最大变形有很大区别。由谐响应分析可以看出随着切削频率的增大，薄壁回转体的振动位移的幅值也随着增大，在发生共振时共振区间很大，因此在切削时要远离它们的各阶固有频率。从谐响应和正交车铣实验数据分析得出在切削薄壁回转体时一定要根据其动力学特性来选择它的切削频率和切削厚度。如果进一步做更多分析，如用有限元分析研究铣削过程中薄壁件及刀具的倾斜机理，即通过建立受力模型、变形模型及数控补偿模型得到数控补偿方案，从而可以进一步保证薄壁件加工的精度要求。2、薄壁回转体几何尺寸测量薄壁回转体的测量是典型的高技术，为适应新时期远距离、电子化特征，提高高速飞行器的性能，研究解决相应的薄壁回转体测量技术，为薄壁回转体的制造提供数据依据，已成为科技现代化发展的迫切需要。对薄壁回转体几何测量的研究是一门集空气动力学和热力学，机械结构，天线技术与控制技术，新材料及其工艺技术，专门的检测设备等复杂技术于一体的边缘学科。本设计采用先进研究成果研制的测量装置来保证加工精度。等长点迹线钳式测量法，是我校的专利技术，根据此技术设计研制的薄壁回转体几何尺寸检测设备，解决了薄壁回转体外廓形及几何厚度精密测量的难题。在薄壁回转体几何尺寸检测方面，目前大体可以归纳为传统测量工具手工测量、三坐标测量机法和非接触三维测量技术等几种方式。薄壁回转体几何尺寸检测设备总体方案薄壁回转体几何尺寸检测设备的测量任务有如下特点：外廓形测量要求精度与几何厚的测量要求精度有一定差距，但是差距不是很大。虽然几何厚度测量精度要求很高，但是真正反映到设备定位精度要求远低于几何厚度的精度要求。而薄壁回转体外廓形的测量精度直接取决于设备的定位精度，在设备定位精度小于10prn时，对薄壁回转体几何厚度测量基本不造成任何影响。所以，本测量设备不采用粗、精分开的测量工位，使两种测量在一个工位完成。结合测量原理分析和测量任务分析，本测量系统提出了“一次定位，两种测量”的测量方法：即在将薄壁回转体一次装夹之后，便可以完成外廓形和几何厚度两种测量的测量方法。这种方法，不但提高了薄壁回转体几何参数的测量效率，也有效避免了两次装夹带入的定位误差。再结合测量专用夹具特点，确定薄壁回转体几何尺寸检测设备总体方案如下图所示。图4 薄壁回转体几何尺寸检测设备总体方案薄壁回转体几何参数测量设备采用三轴联动系统，水平轴为x轴，竖直轴为Z轴，均直线运动轴。薄壁回转体回转中心所在轴为C轴，为旋转轴，C轴旋向与X、z轴满足右手系规则。设备的机械部分设计为倒T字型结构。薄壁回转体测量专用夹具安装在设备工作台上，薄壁回转体固定在专用夹具内，大端向上。测量钳设计成可双向旋转式结构。在对薄壁回转体外轮廓行进行测量时，如图4中测量钳位置所示；当要对其几何厚度进行测量时，只需要将测量钳转动180，即可以进行法向几何厚度测量，如图5所示。此时测量钳按照规划好的等迹线轨迹运动，即可测得对应点的几何厚度值。图5 薄壁回转体法向几何厚度测量工位五、总结通过对各个加工环节的分析，对薄壁回转体零件的加工有了较好的控制，根据薄壁回转体零件自身的特点，在加工前预备阶段和加工过程中以及加工后的检验阶段，都采取了一定的措施来保证加工质量。其间采用的主要方法技术都是比较成熟的，预计可以达到预想的要求。具体实践的效果，例如具体实施操作、实际质量、时间、成本及操作难易程度等各方面，须进一步付诸实践来检验。参考文献：1 厉善元.薄壁回转体零件的旋压加工J. 模具工业, 2002：27-292 李旭. 薄壁回转体几何尺寸测量的数据可视化研究D. 大连：大连理工大学机械工程学院, 20083 武凯,何宁等.有限元技术在航空薄壁件立铣变形分析中的应用J. 应用科学学报, 2003，21（1）4 岳锡芬.减少回转体零件夹持变形的几种方法J. 机械工程师, 2005，（12）5 郑联语,汪叔淳.薄壁零件数控加工工艺质量改进方法J. 航空学报, 2004，22(5)6 赵长喜,刘景祥.大型薄壁密封舱体工装夹具的