一种用于环形薄壁深腔加工的等刚度支承辅助装置及方法与流程

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种用于环形薄壁深腔加工的等刚度支承辅助装置及方法。
背景技术：
：在航天工业中，对薄壁结构的切削任务是至关重要的，尤其是环形薄壁深腔的切削一直是加工制造的难题。航天结构中环形薄壁深腔结构，如发动机的机匣等多内腔薄壁结构，为了减少加工及装配方式导致的误差累积影响组件的精度，现采用整体结构设计，一体式加工工艺，采用大悬伸的刀具，对机匣等内腔薄壁结构进行切削。多环形薄壁深腔壳体类零件具有材料切削性能差，系统刚性差，精度要求高的特点，环形薄壁深腔的加工存在着很大的难题，薄壁结构在加工中会产生变形、回弹等现象，存在让刀、振动等问题，导致工件变形，影响工件尺寸精度、切削表面质量和加工效率。针对内腔薄壁结构加工过程的加工变形、颤振等问题，国内外很多学者进行了相关研究。在优化加工工艺方面，于志勇等提出利用火花高效放电铣削以及电解加工等方式替代传统的多轴数控铣削工艺；Arnaud给出了保证精度和表面质量的最佳的切削环境参数；Campa提出了估计工件稳定域的方法来避免颤振；冯国袖等提出重视数控加工的离线编程环节，优化控制软件，缩短加工中修正与补偿的时间差；李山等提出结合数字化条件优化加工工艺路线，在数控编程等方面寻求加工难题的突破；李国明等提出根据内腔薄壁结构件的特征对加工工序重新划分，优化加工工艺。但是，单纯的对内腔薄壁结构加工工艺的优化是不能从根本上解决薄壁结构刚性差、易变形的难题的，况且所涉及的切削参数的调整过于复杂，无法掌握。在连续系统振动抑制方面，Kolluru提出了为工件粘贴被动阻尼，从而最小化加工振动的理论；Yang提出在工件表面附着涡流阻尼装置；Meriut提出为工件安装真空吸盘，减小加工变形；HamaedMoradi等提出利用可调减震器(TVA)，可抑制再生振动。但是，对于加工面为内腔薄壁结构来说，被动阻尼的安装位置不能精确确定，减震器等不易在内腔狭小空间中应用，因此这些方法与理论不适合多内腔薄壁结构。传统的内腔薄壁结构支承辅助存在明显的不足和局限性，已经无法适应现代高精度加工的要求。传统的内腔薄壁结构支承辅助方法有：1.内腔放置沙袋法；2.灌蜡法；3.贴减震橡胶带法等。为了增加机匣内叶片被加工时的刚性，最早采用的是内腔放置沙袋法支承辅助内腔，这种方法效率非常低，即使成本比较低，但支承效果并不是很理想，沙袋里的沙子不能夯实牢固从而始终保持支承状，沙袋容易松弛、变形，失去支承辅助的能力，因此，内腔放置沙袋的方法逐渐被淘汰。为了增加机匣内叶片被加工时的刚性，之后采用往机匣里灌蜡的方法固定内腔，即将固体状的蜡在高温下融化，倒入内腔中摇匀，使蜡均匀覆盖腔壁，起到固定内腔增加内腔的这种方法效率非常低，灌蜡、融蜡、清理残留蜡的时间较长、成本高，零件时有不合格发生，并且机匣内有少量蜡的残余物，影响质量，因此，灌蜡的方法逐渐被淘汰。为了增加机匣内叶片被加工时的刚性，再之后采用贴减震橡胶带的方法提高内腔的刚性和抗变形的能力，即减震橡胶带具有很强的弹性以及粘性，可以贴在内腔薄壁结构上，利用自身的张力拉紧薄壁，从而减弱颤振，减小加工变形，这种方法效率也非常低，对薄壁的表面清洁度要求较高，且减震橡胶带不可循环利用，资金消耗比较多。以上三种传统的内腔薄壁结构支承辅助方法各有利弊，但是存在普遍效率低，效果不理想的特点，现已被新兴的支承辅助技术所取代。现代的内腔薄壁结构支承辅助存在明显的不足和局限性，依然有待于改进。如2011年07月申请的，申请公布号是CN102248380A的发明专利提出了柔性支承法进行内腔薄壁结构的支承辅助。本发明公开了一种柔性支承法，是用磁性微小颗粒装在一个比已加工薄壁通道大一些的软布袋中，将软布袋置于已加工内腔中，用手按实并封好口；给磁性颗粒施加一个外磁场，使其相互吸在一起，加工时起到支承作用，加工完成后再施加一个相反方向的外磁场，使磁性颗粒失去磁性，从而可以取出支承物。虽然柔性支承法中，磁粒可以在磁场中相互作用，形成刚性支承，提高了加工过程中薄壁结构的刚度，但是并不能避免颤振的产生；并且此发明无法保证环形布囊内所有的磁粒均无缝隙贴紧在一起，因此无法实现等刚度支承；此发明要求加工环境必须有可以产生特殊方向的均匀磁场，使得此发明的应用场所受限；此发明所需的产生磁场的设备不易自行搭建，需通过购置的方式实现，这加大了生产的资金投入，影响了生产利润。如2012年03月申请的，申请公布号是CN102691740A的发明专利提出了利用弹性支承总成进行内腔薄壁件的支承辅助。本发明公开了一种弹性支承总成，包括弹性橡胶体、以及分别安装在弹性橡胶体高度方向两端的支承板组件，弹性橡胶体内置空腔，其至少包括围设在其周缘的侧壁，该侧壁上形成一向外侧折弯的凸起部，弹性橡胶体不同的径向截面所截取的侧壁半径由凸起部开始向弹性橡胶体的两端逐渐减小。虽然本发明的弹性支承总成结构合理，受力比较均匀，受力时形变与其轴向一致，不会发生横向的偏摆，在使用时，不需要持续的进行充气，生产和使用成本较低。但是此弹性支承的结构复杂，零部件较多，不易批量生产；此结构中含有近90度的折弯结构，在正常工作期间折弯处应力集中最为明显，所以折弯结构是此发明的结构中最薄弱也是最容易破损的部位；又因为此发明采用的填充介质是空气，空气的等压强效应作用在内壁，此折弯处承受着剪切应力和拉应力合力最大，进一步导致此弹性支承的寿命大大缩短。并且，此发明支承平面的水平度是通过对橡胶结构尺寸的精密要求保证的，所以结构尺寸的的高精度要求必然会导致产品的加工难度增加抑或是加工不合格率升高。如2014年11月申请的，申请公布号是CN104440153A的发明专利提出了利用加工阻尼装置进行内腔薄壁件的支承辅助。本发明提供了一种机匣内叶片加工阻尼装置。选取特殊牌号(不易被切削液破坏结构，可反复多次使用)的塑胶体，将塑胶体按薄壁结构的形状加工成一种塑胶阻尼装置，将阻尼装置将80％-100％的薄壁结构包住，把需要加工的位置留出，每个阻尼装置之间通过弹性涨紧或者安装销钉确保稳定；利用此发明的机匣内叶片加工阻尼装置来产生阻尼无需对机匣及其内部结构进行清洗，且环保无污染，大大减低了机匣的生产制造成本，提高了机匣成品的合格率。但是，由于此发明的阻尼装置的应用前提是机匣需要打定位孔，且定位孔的精度要求高，加大了机匣机械加工过程中工序的复杂性，对于工人的技术水平要求相当的高，劳动强度比较大，容易出错。并且每个工件都需要进行预处理打定位孔，大幅度增加了工作量，同时也增加了工人的工作强度，降低了加工效率，导致加工误差变大且不可控，加工表面质量以及加工精度得不到保证。阻尼装置的安装过程比较繁琐，影响加工效率；阻尼装置的加工成型仍需要较高的精度，阻尼装置与薄壁的安装与拆卸的难易程度取决于阻尼装置的加工质量，因此注定阻尼装置与薄壁会出现过紧，过松，正好三种情况，可能会给加工带来不可避免的难题。如2015年11月申请的，申请公布号是CN105290836A的发明专利提出了利用上下挡环夹持弹性橡胶圈进行内腔薄壁件的支承辅助。本发明公开一种狭窄空间大悬伸机匣零件加工过程中的支承辅助装置以及配合支承辅助使用的夹具，包括底板、支座、支承环、导块、下支板、上盖板、压盖、O形圈、螺钉、压缩弹簧，所述底板上设置支座，支座上固定设置支承环，支承环上设置导块，导块上设置弹簧孔，所述弹簧孔内设置弹簧，弹簧的一端固定在支承环上；导块上方设置压盖，压盖上方设置下支板和上盖板，上盖板和下支板间设置O型圈，压盖和下支板间设置螺钉，然后在被加工薄壁结构另一面对应部位增加径向及轴向支承辅助，采用上下挡环夹持弹性橡胶圈的方式作支承。本发明可提高系统刚性，消除加工振动，实现组件加工，满足设计及装配要求，减少组件超差情况的发生，保证发动机及时顺利交付。但是，此发明需要特定的夹具共同配合才能发挥作用，且夹具的组件较多，结构复杂，调试不易，不适合大批量生产；弹性橡胶圈尺寸固定，所应用的内腔的尺寸固定，因此弹性橡胶圈不能灵活的适应各种内腔，应用范围非常窄。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于环形薄壁深腔加工的等刚度支承辅助装置及方法，在加工过程中由于气体支承囊的作用，可以同等程度的增加薄壁结构各部分的刚性；由于刚度差没变，但是随着刚度的增大，缩小了薄壁结构各部分的刚度的比值，使刚度的变化趋于平缓，因此实现了被加工工件的刚度场的重分布，减小了薄壁结构的加工变形，降低了加工中的颤振；同时解决了在狭窄空间难以支承的难题，并且不会造成环形薄壁深腔的附加变形；进而解决了环形薄壁深腔在切削过程中因刚性弱而造成的加工变形大和加工表面质量难以保证等难题。为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种用于环形薄壁深腔加工的等刚度支承辅助装置，包括支承囊、胶管、气压控制阀和气泵，所述的支承囊的外侧壁上设有气嘴，所述的气嘴上设有充气头，所述的气嘴通过充气头连接胶管的一端，所述的胶管的另一端与气泵相连，所述的胶管上靠近气泵的一侧设有气压控制阀。所述的气压控制阀可实现自主设定合适的上限气压值，当支承囊内填充介质的压强达到设定的气压上限，气压控制阀的阀门关闭，实现每次对支承囊的填充均为等压强的填充。在环形薄壁深腔加工的过程中，利用支承囊在填充介质作用下的自身承受压强时的膨胀，对弱刚性零件实现等刚度支承。进一步的，所述的支承囊为环形支承囊，内部为等厚度环形空腔。进一步的，所述的支承囊的中间为中空结构，为刀具预留出运动和进给空间，方便刀具进行深腔的切削加工，进一步的，所述的支承囊材料为丁基橡胶，支承囊为环形囊状，可以使支承囊在支承内腔的同时，还能为刀具、刀杆等预留出工作空间，利于刀具对内腔的加工。并且支承囊可以加工成各种型号，自成一个系列，适配于各个尺寸的内腔薄壁结构。进一步的，所述的气嘴采用美式气嘴，所述的美式气嘴与美式充气头配合；利用气压逆向封闭原理，主要靠支承囊内压顶力锁死，耐高压、漏气线性较陡，即气压不够时漏气更快，并且气嘴充气流量大，配备美式充气头，充气的效率非常高。进一步的，所述的美式充气头为螺纹式充气头，使用充气头时只需将充气头与气嘴的螺纹相配合，由于是螺纹固定，如果是高压胎使用这种气嘴可以承受更大的回流气压，气嘴不会被气压顶脱。进一步的，所述的胶管为内壁耐高压胶管。进一步的，所述的气泵作为支承囊充气的动力源，内部设有填充介质，所述的填充介质为气体。气泵在充入和排出填充介质时均可以提供动力，缩短过程时间，提高工作效率。一种用于环形薄壁深腔加工的等刚度支承辅助方法，包括以下步骤：步骤1初始状态下，将与环形薄壁深腔结构对应型号的支承囊在未充气状态下放置在内腔结构中；步骤2设置气压控制阀的气压值，一般将气压值设定在20kPa，如果薄壁内腔厚度过于小，可选择以上设定值的1/2～2/3为宜；步骤3通过充气头与气嘴的螺纹配合，使气嘴与充气头密封连接，利用气泵将作为填充介质的气体压入支承囊中，直到气压控制阀截断通路，旋出充气头对内腔薄壁结构进行切削加工；步骤4铣削过程中，环形支承囊的中空结构为刀具预留出运动和进给空间，方便刀具进行深腔的切削加工；铣削时，由于支承囊的作用为内腔提供等刚度支承，使内腔壁受支承力均匀，增大了薄壁的整体的刚度，并且可以抵消一部分的动态切削力，因此不会因局部的加工而产生加工变形；又由于支承囊的作用为内腔提供等刚度支承，缩小了各个部分的刚度的比值，使单位面积内刚度的变化曲线趋于平缓，减少了加工中的颤振；步骤5切削结束后，支承囊的气嘴上连接上充气头，用气泵将填充介质抽出至囊干瘪，使支承囊顺利的从内腔薄壁结构中取出来。因此，可以有效地减小内腔薄壁结构的加工变形，有效地抑制薄壁结构切削中的振动，减小加工噪音，降低加工误差，保证高的表面加工质量和高的加工精度。本发明的有益效果：1、设计新颖，结构简单、牢固，生产方便，使用便利，支承效果好；2、解决了由于薄壁结构之间的空间狭小，无法采用刚性支承的难题，并且不会造成环形薄壁深腔的附加变形；环形结构刀具和刀杆本发明可直接应用于航天发动机机匣的生产实际，只需要通过外接管子通过填充介质提供压强即可；3、本发明采用气体作为支承囊的填充介质，可对机匣提供等刚度支承，即一方面在加工过程中由于气体支承囊的作用，可以同等程度的增加薄壁结构各部分的刚性；另一方面，由于刚度差没变，但是随着各内腔部分刚度的增大，缩小了薄壁结构各部分的刚度的比值，使刚度的变化曲线趋于平缓，使薄壁深腔受支承力均匀，因此减小薄壁结构的加工变形，降低了加工中的颤振，直接降低加工噪音，减少了加工误差，提高了加工精度；4、无论是机械加工，还是加工完成拆卸支承囊，都非常的简单易操作，只需将作为填充介质的气体压进和抽出支承囊即可；本发明已系列化，在机械加工的匹配应用中对工人的操作无特殊要求，可快速的被广大工人所掌握。附图说明图1为本发明的三维模型示意图；图2为本发明的应用剖面示意图；其中，1-支承囊，2-气嘴，3-充气头，4-胶管，5-气压控制阀，6-气泵，7-内腔薄壁结构，8-环形深腔面I，9-环形深腔面II。具体实施方式下面结合附图对本发明进行详细说明：实施例1：如图1所示，一种用于环形薄壁深腔加工的等刚度支承辅助装置，包括支承囊1、胶管4、气压控制阀5和气泵6，所述的支承囊1的外侧壁上设有气嘴2，所述的气嘴2上设有充气头3，所述的气嘴2通过充气头3连接胶管4的一端，所述的胶管4的另一端与气泵6相连，所述的胶管4上靠近气泵6的一侧设有气压控制阀5。所述的气压控制阀5可实现自主设定合适的上限气压值，当支承囊1内填充介质的压强达到设定的气压上限，气压控制阀5的阀门关闭，实现每次对支承囊1的填充均为等压强的填充。在环形薄壁深腔加工的过程中，利用支承囊1在填充介质作用下的自身承受压强时的膨胀，对弱刚性零件实现等刚度支承。进一步的，所述的支承囊1为环形支承囊，内部为等厚度环形空腔。进一步的，所述的支承囊1的中间为中空结构，为刀具预留出运动和进给空间，方便刀具进行深腔的切削加工。进一步的，所述的支承囊1的材料为丁基橡胶，支承囊1为环形囊状，可以使支承囊1在支承内腔的同时，还能为刀具、刀杆等预留出工作空间，利于刀具对内腔的加工。并且支承囊1可以加工成各种型号，自成一个系列，适配于各个尺寸的内腔薄壁结构。进一步的，所述的气嘴2采用美式气嘴，所述的美式气嘴与美式充气头配合；利用气压逆向封闭原理，主要靠支承囊内压顶力锁死，耐高压、漏气线性较陡，即气压不够时漏气更快，并且气嘴充气流量大，配备美式充气头，充气的效率非常高。进一步的，所述的美式充气头为螺纹式充气头，使用充气头时只需将充气头与气嘴的螺纹相配合，由于是螺纹固定，如果是高压胎使用这种气嘴可以承受更大的回流气压，气嘴不会被气压顶脱。进一步的，所述的胶管4为内壁耐高压胶管。进一步的，所述的气泵6作为支承囊充气的动力源，内部设有填充介质，所述的填充介质为气体，如空气。气泵6在充入和排出填充介质时均可以提供动力，缩短过程时间，提高工作效率。如图2所示，支承囊1与上、下内腔薄壁各处等面积接触，从而为每部分提供相同的刚度，避免因提供支承刚度不均带来的附加变形；在一次支承辅助状态下，待加工面可以为环形深腔面I8和环形深腔面II9两个环形深腔面，这样一次支承可以加工2个环形深腔面，缩短了加工辅助时间，提高了加工效率。一种用于环形薄壁深腔加工的等刚度支承辅助方法，包括以下步骤：步骤1初始状态下，将与环形薄壁深腔结构对应型号的支承囊1在未充气状态下放置在内腔结构中；步骤2设置气压控制阀5的气压值上限，一般将气压值设定在为20kPa，如果薄壁内腔厚度过于小，可选择以上设定值的1/2～2/3为宜；步骤3通过充气头3与气嘴2的螺纹配合，使气嘴2与充气头3密封连接，利用气泵6将作为填充介质的气体压入支承囊中，直到气压控制阀截断通路；旋出充气头3对内腔薄壁结构进行切削加工；步骤4铣削过程中，环形支承囊的中空结构为刀具预留出运动和进给空间，方便刀具进行深腔的切削加工；铣削时，由于支承囊1的作用为内腔提供等刚度支承，使内腔壁受支承力均匀，增大了薄壁的整体的刚度，并且可以抵消一部分的动态切削力，因此不会因局部的加工而产生加工变形；又由于支承囊的作用为内腔提供等刚度支承，缩小了各个部分的刚度的比值，使单位面积内刚度的变化曲线趋于平缓，减少了加工中的颤振；步骤5切削结束后，支承囊1的气嘴2上连接上充气头3，用气泵6将填充介质抽出至囊干瘪，使支承囊1顺利的从内腔薄壁结构中取出来。因此，可以有效地减小内腔薄壁结构的加工变形，有效地抑制薄壁结构切削中的振动，减小加工噪音，降低加工误差，保证高的表面加工质量和高的加工精度。实施例2：如表1所示能够更好的说明本发明的等刚度支承效果。表1本发明作用前后内腔各处刚度的比值变化规律内腔位置1处内腔位置2处位置1、2处刚度比值支承前的刚度ABA/B支承装置提供的刚度CC-支承后的刚度(A+C)(B+C)(A+C)/(B+C)为上表1中的A、B、C三个未知数赋相应的特殊值，令A＝8×105N/m，B＝4×105N/m，C＝3×105N/m，即见下表2：表2本发明作用前后内腔各处刚度的比值变化规律的应用实例内腔位置1处内腔位置2处位置1、2处刚度比值支承前的刚度(N/m)8×1054×1058/4＝2支承装置提供的刚度(N/m)3×1053×105-支承后的刚度(N/m)(8+3)×105＝11×105(4+3)×105＝7×10511/7≈1.57由上表2中知，位置1/2处的刚度比值由支承前的刚度比值2减小到支承后的刚度比值1.57，即内腔各处刚度的同等程度增大以及刚度比值减小，刚度变化曲线趋于平缓，从而本发明实现了对环形薄壁深腔的等刚度支承和刚度场重分布。本发明可用于航天，化工，水利，电力等行业的环形薄壁深腔的加工，尤其对于飞机、船舶、精密机械装备等的轻量化加工、噪声、稳定性和可靠性要求高等的行业领域，有十分广阔的推广应用前景。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。当前第1页1 2 3