一种舱体内腔弧面机器人铣削加工方法与流程

本发明涉及一种舱体内腔弧面机器人铣削加工方法，属于机械制造技术领域。

背景技术：

舱体零件内腔包含了凸台、圆弧、盲孔、通孔、螺纹孔、安装平面、加强筋等多种结构特征，且不同结构特征之间存在边界交叉干涉等情况。同时由于舱体零件的直径较小，且内腔结构特征复杂和干涉，造成内腔加工空间受限，普通数控机床加工主轴尺寸过大，难以深入舱体内腔，且难以快速开展多种结构特征的加工。此外，舱体零件壁厚最小仅3mm，属于典型弱刚性零件。薄壁特征的存在进一步降低了零件的刚性，提高了零件的装夹难度。铸造镁合金材料导致舱体内腔表面存在硬化层，对切削加工刀具的冲击极大。因此，舱体零件加工过程存在众多难题，包括加工过程易产生变形和切削颤振，刀具易产生大面积微崩刃，耐用度低，从而造成舱体内腔的加工尺寸精度和加工表面粗糙度等指标的控制难度较大。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种舱体内腔弧面机器人铣削加工方法，从加工壁厚余量计算、铣削刀具结构设计、弧面加工路径定义、铣削加工参数优选方面，解决舱体内腔弧面加工尺寸精度和加工表面质量控制、加工变形控制、加工效率提升等问题。

本发明的技术解决方案是：一种舱体内腔弧面机器人铣削加工方法，包括如下步骤：

获取舱体内腔结构特征实际尺寸，并与舱体内腔结构特征理论尺寸进行对比，计算内腔弧面的加工余量；

确定机器人铣削加工刀具的结构；

选取走刀路径和铣削加工参数；

根据加工余量和铣削加工参数，使用确定的机器人铣削加工刀具，按选取的走刀路径铣削加工舱体内腔弧面，完成舱体内腔弧面机器人铣削加工。

进一步地，所述获取舱体内腔结构特征实际尺寸的方法为：使用激光线性扫描的方法获得舱体内腔结构特征的点云数据，对点云数据进行去噪和边界缝合算法处理，获得舱体内腔结构特征的实际尺寸。

进一步地，所述机器人铣削加工刀具的结构包括刃部结构与柄部装夹结构。

进一步地，所述刃部结构包括：刃数为4刃，刃径为16mm，周向前角为15～18°，第一周向后角为12～15°，螺旋角为30～35°；刃口采用喷丸强化处理；刃口采用热丝cvd方法制备的金刚石涂层或者pvd方法制备的tialn涂层。

进一步地，所述柄部装夹结构包括：柄径为16mm，距离刀具柄部端面为7.5mm；且为缩颈结构，缩颈长为40.8mm，缩颈处直径为15.5mm。

进一步地，所述铣削加工舱体内腔弧面的方法为：舱体沿着顺时针进行转动，沿着平形舱体内腔圆弧的弧线方向，按所述走刀路径铣削加工舱体内腔弧面。

进一步地，所述走刀路径为之字形。

进一步地，所述铣削加工舱体内腔弧面的过程中，刀具切入点选用插铣入刀的加工方法，舱去除体内腔弧面材料时选用方肩铣削的加工方法。

进一步地，插铣入刀加工过程中，加工主轴转速为3500～4000r/min，轴向进给速度为20～30mm/min；方肩铣削加工过程中，加工主轴转速为3500～4000r/min，径向进给速度为300～500mm/min，径向切削宽度为8～14mm，最大切削深度为4mm。

进一步地，所述舱体的材料为铸造镁合金。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的舱体内腔弧面机器人铣削加工方法，整体工艺路线包括舱体内腔弧面加工壁厚余量的快速计算、机器人铣削加工专用刀具结构设计、舱体内腔弧面铣削加工走刀路径与加工方法选用和铣削加工参数的优选。本发明可以实现在采用机器人加工的方法下，铸造镁合金材料舱体内腔弧面的高效加工，加工主轴转速可以达到4000r/min，切削深度达到4mm，加工壁厚尺寸精度达到±0.25mm，加工表面粗糙度达到ra3.2um，是一种高效、低成本的镁合金舱体内腔弧面机器人加工方法。

(2)测量设备方面，本发明采用手持式关节臂激光线扫仪器或者机器人关节臂激光线扫仪器，测量获得舱体内腔的结构特征，即保证测量尺寸精度可以达到0.1～0.2mm，也获得较高的测量效率。

(3)加工设备方面，本发明采用机器人关节臂与加工电主轴的组合方案，加工电主轴安装于机器人关节臂末端，保证加工过程中具有较高的刚性，同时获得六轴的运动自由度。

(4)加工工具方面，本发明使用直径16mm的四刃平头立铣刀和圆角立铣刀加工舱体内腔圆弧结构特征，保证刀具能够避免产生大面积微崩刃，并获得较长的刀具耐用度。

(5)加工路径方面，本发明为实现内腔圆弧结构特征的加工，需要沿着平形舱体内腔圆弧的弧线方向，选用之字形的走刀路径方法，以获得良好的加工表面质量。对于四刃平头立铣刀，选用弧面边缘点插铣入刀和大切宽小切深的方肩铣削加工方法，对于圆角立铣刀，选用沿着弧面边缘线方肩铣削的加工方法。

(6)加工参数优选方面，本发明针对舱体内腔弧面铣削加工选用的四刃平头立铣刀和圆角立铣刀，为获得高的材料去除效率，同时控制切削弧区温度，防止切屑燃烧，选用了较高的加工主轴转速和较大的进给速度。

基于以上方法，本发明解决了铸造镁合金舱体内腔弧面加工刀具易产生大面积微崩刃和耐用度低，加工效率低、加工尺寸精度和加工表面粗糙度保证等技术难题。

附图说明

图1为本发明舱体内腔弧面机器人铣削加工的流程示意图；

图2为本发明机器人铣削加工专用刀具结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的舱体内腔弧面机器人铣削加工方法作进一步详细说明。根据下面说明书和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图1为本发明实施例提供的舱体内腔弧面机器人铣削加工方法的步骤流程示意图。参照图1，提供一种舱体内腔弧面机器人铣削加工方法，包括以下步骤：

10.加工壁厚余量计算；

20.铣削刀具结构设计；

30.弧面加工路径定义；

40.铣削加工参数优选。

在本发明实施例中，在10中，采用激光线扫的方法扫描获得舱体内腔结构特征实际尺寸，并与舱体内腔结构特征理论尺寸进行对比，计算获得内腔弧面的加工余量。在20中，设计了机器人铣削加工专用刀具，包括刀具刃部结构设计与柄部装夹结构设计。在30中，铣削加工舱体内腔弧面，沿着平形舱体内腔圆弧的弧线方向，选用之字形的走刀路径，加工方法包括插铣和大切宽方肩铣两种方法。在40中，针对插铣入刀和大切宽的方肩铣削加工方法，对加工主轴转速、铣削深度、进给速度和铣削宽度均进行了优化选择。

图2为本发明实施例中机器人铣削加工专用刀具结构示意图。参照图2，使用硬质合金平头铣刀加工舱体内腔弧面结构特征，保证加工尺寸精度，并获得较高的刀具耐用度。

实施例

在本发明实施例中，舱体内腔最小直径φ450mm，外圆最大直径φ700(0-0.2)mm，高度500±0.05mm，内腔弧面最薄壁厚4(-0.2-1.0)mm，零件材料为铸造镁合金，要求加工表面不得有凹坑、凸台等缺陷。具体的工艺流程如下：

1)加工壁厚余量计算

使用激光线性扫描的方法获得舱体内腔结构特征的点云数据，对点云数据进行去噪和边界缝合等算法处理，获得舱体内腔结构特征的实际尺寸，并与舱体内腔结构特征理论尺寸进行对比，从而计算获得内腔各个弧面的加工余量尺寸信息。

2)铣削刀具结构设计

①铣削加工刀具刃口结构设计，刀具刃数为4刃，刃径16mm，周向前角15～18°，第一周向后角12～15°，螺旋角30～35°；刃口采用喷丸强化处理；

②铣削加工刀具刃口采用热丝cvd方法制备的金刚石涂层或者pvd方法制备的tialn涂层；

③铣削加工刀具柄部结构设计，柄径16mm，距离铣刀柄部端面7.5mm处，面向机器人关节末端的加工主轴装夹需求，设计缩颈结构，缩颈长40.8mm，缩颈处直径15.5mm。

3)弧面加工路径定义

①铣削加工舱体内腔弧面，舱体沿着顺时针进行转动，沿着平形舱体内腔圆弧的弧线方向，选用之字形的走刀路径；

②机器人铣削过程中，刀具切入点选用插铣入刀的加工方法；

③机器人铣削过程中，舱体内腔弧面大面积材料去除选用大切宽方肩铣削的加工方法。

4)铣削加工参数优选

①机器人插铣加工过程中，加工主轴转速3500～4000r/min，轴向进给速度20～30mm/min；

②机器人方肩铣削过程中，加工主轴转速3500～4000r/min，径向进给速度300～500mm/min，径向切削宽度8～14mm，最大切削深度4mm。

通过采用本方法实现的舱体内腔弧面机器人铣削加工工艺，在铸造镁合金舱体零件的实际加工中得到了应用，零件的尺寸精度、形位公差、表面质量要求等得到了有效保证，经过检验后各项指标满足设计要求。通过本方法，解决了薄壁舱体零件加工壁厚控制难题，采用加工壁厚非接触式测量与加工余量计算，机器人铣削加工刀具结构优化设计，内腔弧面加工路径定义和铣削加工参数优化的综合方法，能够保证舱体零件加工壁厚尺寸精度达到±0.25mm，加工表面粗糙度达到ra3.2um。在解决了以上工艺方法技术难题基础上，本方法为实现舱体内腔弧面加工提供了一种解决方法和思路。

本发明提供的舱体内腔弧面机器人铣削加工方法，整体工艺路线包括舱体内腔弧面加工壁厚余量的快速计算、机器人铣削加工专用刀具结构设计、舱体内腔弧面铣削加工走刀路径与加工方法选用和铣削加工参数的优选。本发明可以实现在采用机器人加工的方法下，铸造镁合金材料舱体内腔弧面的高效加工，加工主轴转速可以达到4000r/min，切削深度达到4mm，加工壁厚尺寸精度达到±0.25mm，加工表面粗糙度达到ra3.2um，是一种高效、低成本的镁合金舱体内腔弧面机器人加工方法。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。