飛機蒙皮鏡像銑削方法及裝備製造方法
2023-04-27 02:10:41
飛機蒙皮鏡像銑削方法及裝備製造方法
【專利摘要】一種飛機蒙皮鏡像銑削方法及裝備，其特徵是所述的裝備主要包括工具機主體框架、銑削裝置、立臥轉換裝置、耳片夾持裝置、柔性吸附裝置、頂撐裝置、檢測裝置及測厚裝置等。本發明通過立臥轉換裝置對蒙皮進行立式裝夾可以提高蒙皮件的裝夾效率，結合真空吸附裝置進一步提高蒙皮件的定位精度，避免重力造成的變形；基於雷射位移傳感器的在機檢測，可以在加工前檢測蒙皮零件的實際曲面，並根據實際裝夾狀態調整蒙皮加工刀軌，實現自適應的數控加工；頂撐裝置能夠在蒙皮銑削過程中，從反面對蒙皮零件進行支撐，避免加工顫振，提高加工的穩定性；加工過程中實現厚度在線監測，提供加工的厚度補償；集成化的控制系統保證工具機各單元的協同運作，避免幹涉。
【專利說明】飛機蒙皮鏡像銑削方法及裝備
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種機械加工技術，尤其是一種大型薄壁零件的銑削裝夾加工方法，具體地說是一種飛機蒙皮零件的鏡像銑削方法及數控銑削裝置。
【背景技術】
[0002]蒙皮零件既是飛機的外表零件，又是飛機的重要受力構件。蒙皮零件一般尺寸比較大，形狀比較複雜，且厚度薄剛性差。機身蒙皮形狀有單曲度的，但是多數呈雙曲度。機身頭部、尾部以及整流罩的蒙皮，形狀則更為複雜。飛機蒙皮零件厚度比較薄(一般在2 _?
4_左右)，根據受力情況，有些蒙皮零件可能是不等厚度的，有的蒙皮甚至是變截面的。為了減重，有的蒙皮零件在受力小的部位還要進行局部厚度的減薄加工。由於蒙皮是飛機的外表零件，所以蒙皮零件外形精確度要求比較高。在採取無餘量裝配方案情況下，蒙皮邊緣需直接加工至設計尺寸、交付時不留餘量，因此蒙皮邊緣切割也要求比較精確。同時,蒙皮開缺口的位置和缺口形狀也要求比較精確。在採取裝配孔裝配的情況下，裝配孔是零件的定位基準，所以蒙皮上的裝配孔位置精度要求比較高。而蒙皮本來就很薄，在蒙皮上再進行局部減薄加工，其減薄部位厚度公差控制要求亦比較嚴。
[0003]對於單曲率、薄壁蒙皮件，利用吸附裝置將蒙皮展開吸附在平板上，採用展開式數控銑的方式對蒙皮件進行數控銑削。隨著航空製造業的發展，蒙皮零件越發趨於複雜，多數雙曲，或者厚蒙皮，無法通過展開吸附進行數控銑削。對於不可展開的蒙皮零件，主要利用傳統電化學腐蝕的加工技術，對不加工區域貼上保護膜，將零件在電解質溶液中浸泡，通過控制時間對不可展開的零件進行化學銑削。但由於化學汙染、耗電量大和消耗鋁材無法回收等固有弊病而成為該行業的一項困擾，尤其是蒙皮存在不同加工厚度的時候，要分步加工，效率較低。對於加工新一代鋁鋰合金蒙皮來說，化銑還需採取防燃防爆的特別措施，從而增加了工藝複雜性、成本及安全風險。目前國家發展機械銑，然而機械銑依然無法代替化銑，因為機械銑只能對蒙皮曲面進行多點離散支承夾持。蒙皮是薄板零件，在刀具對夾持點之間的懸空區域，特別是較薄蒙皮施加切削力時，該部位蒙皮會不可避免地發生顫振，使銑切深度和表面粗糙度無法控制，達不到精度要求，無法完全替代化銑。
[0004]綜上所述，需要一種新的加工方法及裝備對複雜雙曲蒙皮進行數控加工，加工過程需要保證加工材料的去除速率及零件加工精度，並且滿足新一代綠色加工的背景。為了達到目標，提出了一種蒙皮鏡像銑削方法及裝備，採用立式夾持框架從周邊對被加工蒙皮進行固定，並通過隨動支撐頭對工件被加工部位進行支撐。支撐頭和刀具位於被加工工件兩側，成鏡像布局。支撐頭採用無劃痕設計，可在計算機控制下保持與工件曲面接觸並隨刀具運動，其位置和姿態與刀具位置姿態時刻成鏡像關係，從而實現對工件加工部位的高剛度支撐，同時銑削裝置的頂撐盤與頂撐裝置互相支撐，可以有效抑制顫振，保證加工順利進行。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對現有的飛機蒙皮由於剛性差難以進行銑削加工，精度難以保證的問題，發明一種隨動鏡像銑削加工方法，同時提供一套對應的銑削夾緊裝置。
[0006]本發明的技術方案之一是:
一種飛機蒙皮鏡像銑削方法，其特徵是它包括以下步驟:
首先，將立臥轉換裝置水平置於裝夾區域，根據蒙皮實際尺寸調整裝置間距及耳片裝置位置，對蒙皮進行機外裝夾；
其次，利用立臥轉換裝置將蒙皮進行立臥轉換，使蒙皮處於豎直狀態，並移動到加工位置；
第三，根據蒙皮零件的剛性選取適當的真空吸附排架進行輔助定位與吸附；
第四，在機檢測蒙皮零件實際外形，根據實際檢測結果判斷是否調整加工刀軌；
第五，分區域加工，加工過程中至少有一個主軸用於蒙皮加工區域的銑削操作；至少一個頂撐部件支撐蒙皮件加工面的反面；用於加工的加工主軸需要保證其加工刀具法向垂直於零件表面，同時頂撐裝置保證垂直於蒙皮零件表面用來支撐反面，使工具機上的銑削裝置與頂撐頭形成隨動的鏡像加工；加工的同時，對蒙皮件進行實時厚度監測，計算厚度補償值，實現實時的厚度補償；加工後的退刀操作要關閉頂撐頭的隨動，避免出現加工事故。
[0007]所述的分區域加工，指當蒙皮由耳片裝夾及多排架真空吸附共同定位時，排架會影響頂撐裝置的移動區域，因此需要結合蒙皮實際尺寸進行區域劃分。每個加工區域通過排架的移動吸附定位，進行鏡像銑削。加工過程保證頂撐頭與排架的距離，避免碰撞。在區域變換的真空排架移動過程中，至少保證2個排架固定，保證零件在工具機上的定位精度，其他排架根據加工區域進行X向調整，因此排架數量不得少於3個。
[0008]所述的頂撐裝置包括移動導軌、立柱及可至少五坐標移動的機架；在加工過程中，頂撐裝置要在銑削裝置的頂撐盤所在的對應區域的法向上提供一個反向支撐力，並且保證頂撐裝置與加工刀具周圍的滾珠相頂，同步運動，形成鏡像；頂撐頭採用頂撐面板，面板上以一圈滾珠的形式支撐在蒙皮背面；滾珠支撐可以減少支撐頭對零件表面的劃傷，尤其是減少對鏡面蒙皮的損傷。
[0009]本發明的技術方案之二是:
一種飛機蒙皮鏡像銑削裝備，其特徵是它包括:
一工具機主體框架1、該主體框架I安裝有底座6上，用於安裝銑削所需的各個裝置；
一立臥轉換裝置2，該立臥轉換裝置用於將蒙皮在水平狀態完成裝夾，然後轉換成垂直狀態以便於立式加工，完成裝夾和轉換的立臥轉換裝置能沿工具機底部的導軌移動到加工位置；立臥轉換裝置包含可交換夾持框，導軌，可移動橫梁，轉動軸，可伸縮旋轉耳片及電機等部件。採用一端固定，一端可沿導軌調節的柔性裝置，適應於不同尺寸的蒙皮零件，主要夾持蒙皮上下兩端；可交換夾持框指立臥轉換裝置的主框架裝置，是一種可交換裝置，實現機外裝夾，裝夾後運送到立臥轉換裝置進行裝配；
一柔性真空吸附裝置3，它用於將蒙皮進行輔助加工定位，補充立臥轉換裝置2對蒙皮裝夾強度的不足，確保移動到加工工位的蒙皮在一個加工周期內保持夾緊狀態以便於銑刀的正常加工，同時防止加工中顫振現象的發生；柔性真空吸附裝置主要包含排架、吸附杆、可旋轉真空吸盤。排架用於保證吸附裝置沿X方向的移動。工具機真空吸附裝置至少保證3個排架，且排架之間需要協同運動避免幹涉。吸附杆可以隨著排架沿X向移動，每個排架上至少5個的吸附杆，並可以協同在Y向移動，同時每個吸附杆在Z向上可以自由伸縮。吸附杆上裝有真空吸盤，可任意方向旋轉，柔性吸附蒙皮零件。
[0010]一頂撐裝置4，它用於將向加工部位施加一個法向力，以緊頂加工部位防止加工變更的發生，並能隨加工刀具的移動而移動，始終與加工刀具主軸形成鏡像關係；所述的頂撐裝置包括移動導軌，立柱及可至少五坐標移動的裝置。在加工過程中，頂撐裝置要在銑削裝置的頂撐盤所在的對應區域的法向上提供一個反向支撐力，並且保證頂撐裝置與加工刀具周圍的滾珠相頂，同步運動，形成鏡像。頂撐頭採用頂撐面板，面板上以一圈滾珠的形式支撐在零件背面。滾珠支撐可以減少支撐頭對零件表面的劃傷，尤其是減少對鏡面蒙皮的損傷；
一銑削裝置5，它用於對加工區域進行銑削、鑽削加工，它能自動調整刀具主軸與蒙皮加工面法向平行，加工刀具能在銑削裝置5的帶動下作XYZ三個方向的移動；
一在線檢測裝置，它利用雷射位移傳感器，按照檢測軌跡快速掃描零件實際輪廓，將掃描結果進行數據處理，剔除波紋位置的尖點，擬合出光滑曲面，與理論零件外形比對，自動計算刀軌偏差，根據蒙皮件實際外形調整刀軌；
一測厚裝置；它採用在工具機主軸以及頂撐裝置上同時裝上雷射位移傳感器，通過工具機上加工主軸與頂撐裝置間實際距離，以及通過雷射位移傳感器分別得到的主軸與頂撐裝置到零件表面的實際距離，計算出蒙皮零件的實際厚度，實現自適應加工；或者在頂撐裝置的頂撐面板上安裝超聲測厚裝置，以水作為介質，將超聲波信號打到蒙皮件反面，通過信號衰減計算零件加工位置的實際厚度，實現厚度監測。厚度監測是採用在工具機主軸以及頂撐裝置上同時裝上雷射位移傳感器，通過工具機上主軸與頂撐裝置間實際距離，以及通過雷射位移傳感器分別得到的主軸與頂撐裝置到零件表面的實際距離，計算出蒙皮零件的實際厚度，實現自適應加工；或者在頂撐裝置的頂撐面板上安裝超聲測厚裝置，以水作為介質，將超聲波信號打到蒙皮件反面，通過信號衰減計算零件加工位置的實際厚度，實現厚度監測、計算厚度補償值，採用雷射位移傳感器測厚時，由於加工工況複雜，切削屑會影響雷射位移傳感器厚度監測的精度，因此需要採用多雷射位移傳感器，計算出蒙皮最薄距離，同時採用數據處理的方式，至少取4次以上的數據計算作為一次刀具補償，避免隨機誤差引起加工問題；對於超聲測厚裝置，由於蒙皮是曲率零件，測厚的數據存在一定誤差，需要採取多點計算平均值進行厚度補償，同時由於超聲測厚需要一定的測厚範圍以及信號的穩定，因此需要蒙皮數控銑削的刀軌採用特殊刀軌，特殊刀軌指等步距，無交叉，無殘留，刀軸沿曲面法向的中途無抬刀刀軌。由於蒙皮屬於曲率零件，在加工過程中一定存在階差。一旦刀軌出現交叉或者距離較近的情況，超聲測厚裝置會監測到加工帶來的階差，會出現監測信號紊亂的現象。為避免過切、欠切等加工問題造成不可挽回的損失，工具機應採取停機處理。
[0011]所述的立臥轉換裝置2包括立臥轉換裝置Y向移動導軌19，立臥轉換裝置的轉動軸20、橫梁移動電機21、立臥轉換整體框架22、耳片夾持裝置23、可移動橫梁24、橫梁移動導軌25和立臥轉換裝置與導軌間的轉接杆26，立臥轉換整體框架22呈U形結構，它的兩邊通過立臥轉換裝置的轉動軸20鉸裝在立臥轉換裝置與導軌間的轉接杆26的上端，立臥轉換裝置與導軌間的轉接杆26的下端安裝在立臥轉換裝置Y向移動導軌19上並能在其上作Y向移動，U形立臥轉換整體框架22的開口端安裝有能在橫梁移動電機21的帶動下沿U形立臥轉換整體框架22兩側移動的可移動橫梁24，在U形立臥轉換整體框架22的底部橫梁和開口端的可移動橫梁24上均安裝有用於夾持飛機蒙皮的耳片夾持裝置23 ;所述的立臥轉換整體框架22是一個可交換裝置，能實現機外裝夾，裝夾後運送到立臥轉換裝置進行裝配，也可裝夾後在其它需要加工的工位進行加工。
[0012]所述的耳片夾持裝置23包括夾持裝置X向移動導軌27、夾持裝置固定杆28、旋轉式伸縮杆29、保證鉚釘夾片可以任意角度旋轉的轉接銷30和蒙皮定位裝置31，夾持裝置X向移動導軌27位於U形立臥轉換整體框架22的底部橫梁上，夾持裝置固定杆28安裝在夾持裝置X向移動導軌27中並能在其中移動，旋轉式伸縮杆29的下端可轉動地插裝在夾持裝置固定杆28中，一端用於夾緊蒙皮的蒙皮定位裝置31的另一端鉸裝在旋轉式伸縮杆29的上端的轉接銷30上。耳片夾持裝置包括移動導軌，夾持裝置固定杆，旋轉式伸縮杆，轉接銷等。移動導軌可以保證耳片自由在立臥轉換裝置上X向移動，可調節夾持的密度。可旋式伸縮杆，可以旋轉任意角度，同時轉接銷保證耳片至少A方向90度擺動，與蒙皮零件用鉚釘在任意方向上夾持定位；
所述的柔性真空吸附裝置3主要包含吸附杆Y向移動履帶32、可Z向伸縮的伸縮杆33、吸附杆轉接頭34、可任意方向45度擺角的真空吸盤35和抽真空孔36，吸附杆Y向移動履帶32安裝在排架9並能帶動可Z向伸縮的伸縮杆33在排架9上沿Y向上下移動，排架9能在工具機主體框架I沿排架移動導軌18作X方向的移動，可Z向伸縮的伸縮杆33能帶動吸附杆轉接頭34作Z方向移動，可旋轉真空吸盤。排架用於保證吸附裝置沿X方向的移動。工具機真空吸附裝置至少保證3個排架，且排架之間需要協同運動避免幹涉。吸附杆可以隨著排架沿X向移動，可任意方向45度擺角的真空吸盤35安裝在吸附杆轉接頭34上，可任意方向45度擺角的真空吸盤35上設有能將蒙皮吸住的抽真空孔36。
[0013]利用柔性真空吸附裝置3進行輔助定位，在蒙皮零件剛性較差的情況下，單獨的耳片裝夾容易在加工過程中造成蒙皮變形，因此需要真空吸附裝置輔助定位。當吸附定位採用多排架共同定位蒙皮件時，為避免幹涉需要分區域加工。
[0014]所述的分區域加工是指當蒙皮由耳片裝夾及多排架真空吸附共同定位時，排架會影響頂撐裝置的移動區域，因此需要結合蒙皮實際尺寸進行區域劃分；每個加工區域通過排架的移動吸附定位，進行鏡像銑削；加工過程保證頂撐頭與排架的距離，避免碰撞，在區域變換的真空排架移動過程中，至少保證2個排架固定，保證零件在工具機上的定位精度，其他排架根據加工區域進行X向調整，排架9的數量至少為3個。
[0015]所述的銑削裝置4包括主軸立柱10、加工主軸11、加工主軸Y向移動導軌37、銑削裝置C軸轉動軸38、銑削裝置C軸隨動裝置39、銑削裝置A軸轉動軸40、A軸固定裝置41、裝有雷射位移傳感器的主軸夾緊裝置42，銑削裝置頂撐裝置43、頂撐滾珠44和加工刀具45，移動導軌，加工主軸11安裝在加工主軸Y向移動導軌37上，加工主軸Y向移動導軌37在主軸立柱10上的Z向移動導軌上，主軸立柱10能在工具機主軸X向上移動導軌8和下移動導軌9上作X向的左右移動，銑削裝置C軸轉動軸38與加工主軸11相連，銑削裝置C軸隨動裝置39安裝在銑削裝置C軸轉動軸38上，銑削裝置A軸轉動軸40安裝在銑削裝置C軸隨動裝置39上，A軸固定裝置41安裝在銑削裝置A軸轉動軸40上，裝有雷射位移傳感器的主軸夾緊裝置42和銑削裝置頂撐裝置43安裝在A軸固定裝置41上，頂撐滾珠44和加工刀具45安裝在銑削裝置頂撐裝置43上，頂撐滾珠44用於壓緊蒙皮。同時考慮了刀具周邊區域已加工和待加工區域厚度不一致，刀具周邊的頂撐滾珠採用內部彈簧的結構，能在厚度方向上微量調節，避免劃傷零件。
[0016]所述的頂撐裝置5包括頂撐滾珠46、裝有雷射位移傳感器的頂撐軸47、頂撐主軸A軸旋轉軸48、頂撐主軸C軸旋轉軸49和頂撐軸Y向移動導軌50，頂撐滾珠46安裝在裝有雷射位移傳感器的頂撐軸47上，裝有雷射位移傳感器的頂撐軸47安裝在頂撐主軸A軸旋轉軸48上，頂撐主軸A軸旋轉軸48安裝在頂撐主軸C軸旋轉軸49上，頂撐主軸C軸旋轉軸49安裝在頂撐軸Y向移動導軌50上，頂撐軸Y向移動導軌50安裝在頂撐沿Z軸方向的導軌17上，頂撐沿Z軸方向的導軌17安裝在頂撐立柱13上，頂撐立柱13的上下兩端分別與支架頂撐軸沿X方向移動的下導軌14和上導軌15上。
[0017]本發明的有益效果是:
1、本發明通過立臥轉換裝置裝夾可以提高蒙皮裝夾效率；
2、本發明的真空吸附裝置可以針對弱剛性蒙皮進行輔助定位，提高定位精度並保證零件裝夾後的剛性；
3、本發明採用了基於雷射位移傳感器的檢測，信號穩定，效率較高，同時可以處理蒙皮成形缺陷，提聞加工質量；
4、本發明的頂撐裝置與銑削裝置的頂撐盤鏡像隨動，能有效抑制加工顫振，保證加工質量;
5、本發明的厚度監測及補償可以有效控制蒙皮的加工厚度，保證加工質量；
6、本發明實現了輪廓、孔、下陷、通窗等一體化加工，避免化銑的環境汙染並降低了加工成本，有利於提高加工效率及加工質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的銑削裝置的整體結構示意圖；
圖中I代表工具機主體框架，2是立臥轉換裝置，3是真空吸附裝置，4是銑削裝置，5是頂撐裝置，6是工具機底座。
[0019]圖2為本發明銑削裝置的工具機正面示意圖；
圖中7、8是工具機主軸沿X方向移動的下導軌和上導軌，9是排架，10是主軸立柱，11是加工主軸，12是頂撐裝置，13是頂撐立柱。
[0020]圖3為本發明銑削裝置的反面示意圖；
圖中14、15是頂撐軸沿X方向移動的下導軌和上導軌，16是頂撐沿Y軸運動導軌，17是頂撐沿Z軸方向的導軌，18是排架移動的導軌。
[0021]圖4為本發明銑削裝置的利用立臥轉換裝置夾持蒙皮的整體示意圖；
圖5是本發明銑削裝置的立臥轉換裝置示意圖；
圖中19是立臥轉換裝置Y向移動導軌，20是立臥轉換裝置的轉動軸，21是橫梁移動電機，22是立臥轉換整體框架，23是耳片夾持裝置，24是可移動橫梁，25是橫梁移動導軌，26是立臥轉換裝置與導軌間的轉接杆。
[0022]圖6是本發明銑削裝置的耳片夾持裝置示意圖；
27是夾持裝置X向移動導軌，28是夾持裝置固定杆，29是旋轉式伸縮杆，30是轉接銷，保證鉚釘夾片可以任意角度旋轉，31是蒙皮定位裝置。
[0023]圖7是本發明銑削裝置的吸附杆裝置示意圖； 圖中32是吸附杆Y向移動履帶，33是可Z向伸縮的伸縮杆，34是吸附杆轉接頭，35可任意方向45度擺角的真空吸盤，36是抽真空孔。
[0024]圖8是本發明銑削裝置的主軸及頂撐裝示意圖；
圖中37是加工主軸Y向移動導軌，38是銑削裝置C軸轉動軸，39是銑削裝置C軸隨動裝置，40是銑削裝置A軸轉動軸，41是A軸固定裝置，42裝有雷射位移傳感器的主軸夾緊裝置，43是銑削裝置頂撐裝置，44是頂撐滾珠，45是加工刀具，46是頂撐滾珠，47是裝有雷射位移傳感器的頂撐軸,48是頂撐主軸A軸旋轉軸，49是頂撐主軸C軸旋轉軸，50是頂撐軸Y向移動導軌。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。
[0026]如圖1所示。
[0027]—種蒙皮鏡像銑削方法及裝備，主要包括工具機主體框架1，立臥轉換裝置2，真空吸附裝置3，銑削裝置4，頂撐裝置5，工具機底座6。
[0028]1、利用立臥轉換裝置對蒙皮裝夾定位。
[0029]立臥轉換裝置，包含主框架，導軌，可移動橫梁，轉動軸，可伸縮旋轉耳片及電機等部件。圖中19是立臥轉換裝置Y向移動導軌，20是立臥轉換裝置的轉動軸，21是橫梁移動電機，22是立臥轉換整體框架，23是耳片夾持裝置，24是可移動橫梁，25是衡量移動導軌，26是立臥轉換裝置與導軌間的轉接杆。
[0030]其中耳片夾持裝置，包括移動導軌，夾持裝置固定杆，旋轉式伸縮杆，轉接銷等。圖6中27是夾持裝置X向移動導軌，28是夾持裝置固定杆，29是旋轉式伸縮杆，30是轉接銷，保證鉚釘夾片可以任意角度旋轉，31是蒙皮定位裝置。移動導軌可以保證耳片自由在立臥轉換裝置上X向移動，可調節夾持的密度。可旋式伸縮杆，可以旋轉任意角度，同時轉接銷保證耳片至少A方向90度擺動，與蒙皮零件用鉚釘在任意方向上夾持定位。
[0031]立臥轉換裝置的可交換框架採用一端固定，一端可沿導軌調節的柔性裝置，適應於不同尺寸的蒙皮零件，主要夾持蒙皮上下兩端。
[0032]首先將主框架水平置於裝夾區域，根據蒙皮件實際尺寸調整裝置間距及耳片裝置位置，對蒙皮件進行機外水平裝夾。將夾持框架置於萬向車上運輸到立臥轉換裝置區域，進行夾持框的裝配及卸載。裝夾後立臥轉換，豎直移動到加工位置，根據蒙皮零件的剛性選取適當的真空吸附排架進行輔助定位。
[0033]2、利用真空吸附裝置對蒙皮件輔助定位。
[0034]在蒙皮零件剛性較差的情況下，單獨的耳片裝夾容易在加工過程中造成蒙皮變形，因此需要真空吸附裝置輔助定位。
[0035]真空吸附裝置，主要包含排架、吸附杆、可旋轉真空吸盤。圖2中9代表排架，圖3中18是吸附裝置X向移動導軌，圖7中32是吸附杆Y向移動履帶，33是可Z向伸縮的伸縮杆，34是吸附杆轉接頭，35可任意方向45度擺角的真空吸盤，36是抽真空孔。排架保證吸附裝置沿X方向的移動。工具機真空吸附裝置至少保證3個排架，且排架之間需要協同運動避免幹涉。吸附杆可以隨著排架沿X向移動，每個排架上至少5個的吸附杆，並可以協同在Y向移動，同時每個吸附杆在Z向上可以自由伸縮，吸附杆上裝有真空吸盤，可任意方向旋轉，柔性吸附蒙皮零件。
[0036]真空吸附盤直徑100mm，吸附杆直徑60mm，每個吸附元件最大傾斜角度為45度，每個吸附元件X向工作範圍為13000mm，Y向3500mm，Z向750mm，在Z向達到最大伸縮量保證定位精度的情況下，最大承載能力可達8公斤。
[0037]當蒙皮由耳片裝夾及多排架真空吸附共同定位時，排架會影響頂撐裝置的移動區域，因此需要結合蒙皮實際尺寸進行區域劃分，每個區域通過移動排架吸附定位，進行鏡像銑削。加工過程保證頂撐頭與排架的距離，避免碰撞。在區域變換的真空排架移動過程中，至少保證2個排架固定，保證零件在工具機上的定位精度，其他排架根據加工區域進行X向調整，因此排架數量不得少於3個。
[0038]3、加工前的檢測。定位後，利用雷射位移傳感器，按照檢測軌跡快速掃描零件實際輪廓，將掃描結果進行數據處理，剔除波紋位置的尖點，擬合出光滑曲面，與理論輪廓外形比對，自動計算刀軌偏差，根據蒙皮件實際外形調整刀軌。
[0039]4、鏡像銑削。鏡像銑削加工過程中至少有一個主軸用於蒙皮加工區域的銑削操作；至少一個頂撐部件支撐蒙皮件加工面的反面。用於加工的加工主軸需要保證其加工刀具法向垂直於零件表面，同時頂撐裝置保證垂直於蒙皮零件表面用來支撐反面，使裝備上的銑削裝置與頂撐頭形成隨動的鏡像加工。圖2中7、8是主軸沿X方向移動導軌，13是頂撐立柱。由銑削裝置與頂撐裝置按照蒙皮加工的理論位置互頂形成鏡像，可以有效抑制加工中顫振的發生。圖3中14、15是頂撐軸沿X方向移動導軌，16是頂撐沿Y軸運動導軌，17是頂撐沿Z軸方向的導軌。
[0040]其中加工主軸至少五坐標。加工主軸由頂撐盤和刀具組成,主要用於銑削、鑽削加工，用於正面去除材料。圖8中37是加工主軸Y向移動導軌，38是加工主軸C軸轉動軸，39是加工主軸C軸隨動裝置，40是加工主軸A軸轉動軸，41是A軸固定裝置，42裝有雷射位移傳感器的主軸夾緊裝置，43是頂撐盤，44是頂撐滾珠。工具機加工主軸採用高頻電主軸，工作功率20Kw，最大扭矩20Nm，主軸最高轉速為30000RPM，其中X向工作行程15000mm，Y向工作行程可達4000mm，Z向行程1000mm，C軸滿足360度迴轉角，A軸滿足110度擺角。
[0041]頂撐裝置要至少保證是五坐標，可以在零件反面提供一個垂直於零件表面的支撐力。頂撐頭採用頂撐面板，面板上以一圈滾珠的形式支撐在零件背面。滾珠支撐可以減少支撐頭對零件表面的劃傷，尤其是減少對鏡面蒙皮的損傷。主要由頂撐滾珠46，裝有雷射位移傳感器及超聲測厚裝置的頂撐裝置47，頂撐裝置A軸旋轉軸48，頂撐裝置C軸旋轉軸49，頂撐裝置Y向移動導軌50組成。
[0042]在加工過程中，頂撐裝置要在加工主軸的頂撐盤所在的對應區域的法向上提供一個反向支撐力，並且頂撐裝置與加工刀具周圍的滾珠相頂同步運動，形成鏡像。同時考慮了刀具周邊區域已加工和待加工區域厚度不一致，刀具周邊的頂撐滾珠採用內部彈簧的結構，可以在厚度方向上微量調節，避免劃傷零件。
[0043]由於蒙皮鏡像銑需要進行實時測厚，冷卻液會影響監測信號，因此採用主軸內部潤滑的方式冷卻，最大刀具長度160mm,最大直徑90mm,可自動換刀。其中頂撐盤裝配在加工主軸上，在刀具周圍提供輔助支撐滾珠，支撐蒙皮件。
[0044]蒙皮鏡像銑裝置要求加工下陷的軌跡儘量走直線，少用弧線，切削軌跡應儘可能長，軌跡要求儘量保證方向一致。加工順序要求從厚處加工，向薄層依次加工，若厚度相同，需要從上向下加工。加工過程中要保證避讓，避免頂撐機構與排架發生碰撞。
[0045]5、厚度監測。在數控銑削的同時，對蒙皮件進行實時厚度監測，實現實時的厚度補償。加工後的退刀操作要關閉頂撐頭的隨動，避免出現加工事故。厚度監測主要採用雷射位移傳感器及超聲測厚裝置。
[0046]基於雷射位移傳感器的厚度監測，需要在工具機主軸以及頂撐裝置上同時裝上雷射位移傳感器，通過得到工具機上主軸與頂撐裝置間實際距離，以及通過雷射位移傳感器得到的零件表面到裝置的實際距離，計算出蒙皮零件的實際厚度。於加工工況複雜，切削屑會影響雷射位移傳感器厚度監測的精度，因此需要採用多雷射位移傳感器，計算出蒙皮最薄距離，同時採用數據處理的方式，至少取4次以上的數據計算作為一次刀具補償，避免隨機誤差引起加工問題。
[0047]基於超聲波測厚的厚度監測是在頂撐面板上裝超聲測厚裝置，超聲波信號打到蒙皮件反面，避免切削屑帶來的信號幹擾，進而監測蒙皮件的實時加工厚度。通過厚度監測，實現厚度補償。對於超聲測厚裝置，由於蒙皮是曲率零件，測厚的數據存在一定誤差，需要採取多點計算平均值進行厚度補償。由於蒙皮屬於曲率零件，在加工過程中一定存在階差。一旦刀軌出現交叉或者距離較近的情況，超聲測厚裝置會監測到加工帶來的階差，會出現監測信號紊亂的現象。為避免過切、欠切等加工問題造成不可挽回的損失，工具機應採取停機處理。所以為了保證超聲測厚的監測信號的穩定，需要採用特殊刀軌對蒙皮數控銑削。特殊刀軌，指等步距，無交叉，無殘留，刀軸沿曲面法向的中途無抬刀刀軌。
[0048]6、自適應加工。採用雷射位移傳感器監測蒙皮加工厚度，可以根據雷射位移傳感器實時測量加工主軸到蒙皮的實際距離，以及頂撐頭到蒙皮的實際距離。不需要再檢測蒙皮零件外形，根據擬合實際曲面更改刀軌，可以根據測量的實際距離，計算蒙皮零件實際曲面與理論曲面的偏差，自動計算補償值，通過實時補償實現蒙皮零件的自適應加工。
[0049]7、幹涉控制。由於蒙皮鏡像銑工具機組成部件較多，存在諸多幹涉問題，主要包含立臣卜轉換裝置與工具機主軸的幹涉，頂撐與排架之間的幹涉，排架與排架之間的協同控制，頂撐杆之間的協同控制以及頂撐頭與加工主軸的隨動控制等問題。
[0050]每次裝夾定位如，加工王軸要移動到工具機一側，待裝夾完成後，將蒙皮件推動到待加工位置時，再移動工具機加工主軸。對於不需要真空吸附的蒙皮件，排架移動到蒙皮兩端，進行加工，不需要考慮頂撐與排架的幹涉。當需要分區域加工時，每個區域的加工導軌至少保證離排架200mm的距離，否則頂撐頭會與排架發生碰撞。鏡像加工過程中，由於蒙皮加工中不可避免存在進退刀，因此在進退刀的過程中關閉頂撐的隨動，避免由於頂撐隨動，造成零件的變形。
【權利要求】
1.一種飛機蒙皮鏡像銑削方法，其特徵是它包括以下步驟: 首先，將立臥轉換裝置水平置於裝夾區域，根據蒙皮實際尺寸調整裝置間距及耳片裝置位置，對蒙皮進行機外裝夾； 其次，利用立臥轉換裝置將蒙皮進行立臥轉換，使蒙皮處於豎直狀態，並移動到加工位置； 第三，根據蒙皮零件的剛性選取適當的真空吸附排架進行輔助定位與吸附； 第四，在機檢測蒙皮零件實際外形，根據實際檢測結果判斷是否調整加工刀軌； 第五，分區域加工，加工過程中至少有一個主軸用於蒙皮加工區域的銑削操作；至少一個頂撐裝置支撐蒙皮件加工面的反面；用於加工的加工主軸需要保證其加工刀具法向垂直於零件表面，同時頂撐裝置保證垂直於蒙皮零件表面用來支撐反面，使工具機上的銑削裝置與頂撐頭形成隨動的鏡像加工；加工的同時，對蒙皮件進行實時厚度監測，計算厚度補償值，實現實時的厚度補償；加工後的退刀操作要關閉頂撐頭的隨動，避免出現加工事故。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵是所述的頂撐裝置包括移動導軌、立柱及可至少五坐標移動的機架；在加工過程中，頂撐裝置要在銑削裝置的頂撐盤所在的對應區域的法向上提供一個反向支撐力，並且保證頂撐裝置與加工刀具周圍的滾珠相頂，同步運動，形成鏡像；頂撐頭採用頂撐面板，面板上以一圈滾珠的形式支撐在蒙皮背面；滾珠支撐可以減少支撐頭對零件表面的劃傷，尤其是減少對鏡面蒙皮的損傷。
3.一種飛機蒙皮鏡像銑削裝備，其特徵是它包括: 一工具機主體框架(I)、該主體框架(I)安裝有底座(6)上，用於安裝銑削所需的各個裝置； 一立臥轉換裝置(2)，該立臥轉換裝置用於將蒙皮在水平狀態完成裝夾，然後轉換成垂直狀態以便於立式加工，完成裝夾和轉換的立臥轉換裝置能沿工具機底部的導軌移動到加工位置； 一柔性真空吸附裝置(3)，它用於將蒙皮進行輔助加工定位，補充立臥轉換裝置(2)對蒙皮裝夾強度的不足，確保移動到加工工位的蒙皮在一個加工周期內保持夾緊狀態以便於銑刀的正常加工，同時防止加工中顫振現象的發生； 一銑削裝置(4)，它用於對加工區域進行銑削、鑽削加工，它能自動調整刀具主軸與蒙皮加工面法向平行，加工刀具能在銑削裝置(4)的帶動下作XYZ三個方向的移動； 一頂撐裝置(5)，它用於將向加工部位施加一個法向力，以頂緊加工部位防止加工變形的發生，並能隨加工刀具的移動而移動，始終與加工刀具主軸形成鏡像關係； 一在機檢測裝置，它利用雷射位移傳感器，按照檢測軌跡快速掃描零件實際輪廓，將掃描結果進行數據處理，剔除波紋位置的尖點，擬合出光滑曲面，與理論零件外形比對，自動計算刀軌偏差，根據蒙皮件實際外形調整刀軌； 一測厚裝置，它採用在工具機主軸以及頂撐裝置上同時裝上雷射位移傳感器，通過工具機上加工主軸與頂撐裝置間實際距離，以及通過雷射位移傳感器分別得到的主軸與頂撐裝置到零件表面的實際距離，計算出蒙皮零件的實際厚度，實現自適應加工；或者在頂撐裝置的頂撐面板上安裝超聲測厚裝置，以水作為介質，將超聲波信號打到蒙皮件反面，通過信號衰減計算零件加工位置的實際厚度，實現厚度監測。
4.如權利要求3所述的裝備，其特徵所述的立臥轉換裝置(2)包括立臥轉換裝置Y向移動導軌(19)，立臥轉換裝置的轉動軸(20)、橫梁移動電機(21)、立臥轉換整體框架(22)、耳片夾持裝置(23)、可移動橫梁(24)、橫梁移動導軌(25)和立臥轉換裝置與導軌間的轉接杆(26 )，立臥轉換整體框架(22 )呈U形結構，它的兩邊通過立臥轉換裝置的轉動軸(20 )鉸裝在立臥轉換裝置與導軌間的轉接杆(26)的上端，立臥轉換裝置與導軌間的轉接杆(26)的下端安裝在立臥轉換裝置Y向移動導軌(19)上並能在其上作Y向移動，U形立臥轉換整體框架(22)的開口端安裝有能在橫梁移動電機(21)的帶動下沿U形立臥轉換整體框架(22)兩側移動的可移動橫梁(24)，在U形立臥轉換整體框架(22)的底部橫梁和開口端的可移動橫梁(24)上均安裝有用於夾持飛機蒙皮的耳片夾持裝置(23);所述的立臥轉換整體框架(22)是一個可交換裝置，能實現機外裝夾，裝夾後運送到立臥轉換裝置進行裝配。
5.如權利要求4所述的裝備，其特徵是所述的耳片夾持裝置(23)包括夾持裝置X向移動導軌(27)、夾持裝置固定杆(28)、旋轉式伸縮杆(29)、保證鉚釘夾片可以任意角度旋轉的轉接銷(30 )和蒙皮定位裝置(31)，夾持裝置X向移動導軌(27 )位於U形立臥轉換整體框架(22)的底部橫梁上，夾持裝置固定杆(28)安裝在夾持裝置X向移動導軌(27)中並能在其中移動，旋轉式伸縮杆(29)的下端可轉動地插裝在夾持裝置固定杆(28)中，一端用於夾緊蒙皮的蒙皮定位裝置(31)的另一端鉸裝在旋轉式伸縮杆(29)的上端的轉接銷(30)上。
6.如權利要求3所述的裝備，其特徵是所述的柔性真空吸附裝置(3)主要包含吸附杆Y向移動履帶(32)、可Z向伸縮的伸縮杆(33)、吸附杆轉接頭(34)、可任意方向45度擺角的真空吸盤(35)和抽真空孔(36)，吸附杆Y向移動履帶(32)安裝在排架(9)並能帶動可Z向伸縮的伸縮杆(33)在排架(9)上沿Y向上下移動，排架(9)能在工具機主體框架(I)沿排架移動導軌(18)作X方向的移動，可Z向伸縮的伸縮杆(33)能帶動吸附杆轉接頭(34)作Z方向移動；排架用於保證吸附裝置沿X方向的移動；工具機真空吸附裝置至少保證3個排架，且排架之間需要協同運動避免幹涉；吸附杆可以隨著排架沿X向移動，可任意方向45度擺角的真空吸盤(35 )安裝在吸附杆轉接頭(34 )上，可任意方向45度擺角的真空吸盤(35 )上設有能將蒙皮吸住的抽真空孔(36 )。
7.如權利要求3所述的裝備，其特徵是利用柔性真空吸附裝置(3)進行輔助定位，在蒙皮零件剛性較差的情況下，單獨的耳片裝夾容易在加工過程中造成蒙皮變形，因此需要真空吸附裝置輔助定位；當吸附定位採用多排架共同定位蒙皮件時，為避免幹涉需要分區域加工；所述的分區域加工是指當蒙皮由耳片裝夾及多排架真空吸附共同定位時，排架會影響頂撐裝置的移動區域，因此需要結合蒙皮實際尺寸進行區域劃分；每個加工區域通過排架的移動吸附定位，進行鏡像銑削；加工過程保證頂撐頭與排架的距離，避免碰撞，在區域變換的真空排架移動過程中，至少保證2個排架固定，保證零件在工具機上的定位精度，其他排架根據加工區域進行X向調整，排架(9)的數量至少為3個。
8.如權利要求3所述的裝備，其特徵所述的銑削裝置(4)包括主軸立柱(10)、加工主軸(11)、加工主軸Y向移動導軌(37 )、銑削裝置C軸轉動軸(38 )、銑削裝置C軸隨動裝置(39 )、銑削裝置A軸轉動軸(40)、A軸固定裝置(41)、裝有雷射位移傳感器的主軸夾緊裝置(42)，銑削裝置頂撐裝置(43)、頂撐滾珠(44)和加工刀具(45)，移動導軌，加工主軸(11)安裝在加工主軸Y向移動導軌(37)上，加工主軸Y向移動導軌(37)在主軸立柱(10)上的Z向移動導軌上，主軸立柱(10)能在工具機主軸X向上移動導軌(8)和下移動導軌(9)上作X向的左右移動，銑削裝置C軸轉動軸(38)與加工主軸(11)相連，銑削裝置C軸隨動裝置(39)安裝在銑削裝置C軸轉動軸(38)上，銑削裝置A軸轉動軸(40)安裝在銑削裝置C軸隨動裝置(39)上，A軸固定裝置(41)安裝在銑削裝置A軸轉動軸(40)上，裝有雷射位移傳感器的主軸夾緊裝置(42 )和銑削裝置頂撐裝置(43 )安裝在A軸固定裝置(41)上，頂撐滾珠(44 )和加工刀具(45 )安裝在銑削裝置頂撐裝置(43 )上，頂撐滾珠(44 )用於壓緊蒙皮；同時考慮了刀具周邊區域已加工和待加工區域厚度不一致，刀具周邊的頂撐滾珠採用內部彈簧的結構，能在厚度方向上微量調節，避免劃傷零件。
9.如權利要求3所述的裝備，其特徵是所述的頂撐裝置(5)包括頂撐滾珠(46)、裝有雷射位移傳感器的頂撐軸(47)、頂撐主軸A軸旋轉軸(48)、頂撐主軸C軸旋轉軸(49)和頂撐軸Y向移動導軌(50)，頂撐滾珠(46)安裝在裝有雷射位移傳感器的頂撐軸(47)上，裝有雷射位移傳感器的頂撐軸(47)安裝在頂撐主軸A軸旋轉軸(48)上，頂撐主軸A軸旋轉軸(48)安裝在頂撐主軸C軸旋轉軸(49)上，頂撐主軸C軸旋轉軸(49)安裝在頂撐軸Y向移動導軌(50)上，頂撐軸Y向移動導軌(50)安裝在頂撐沿Z軸方向的導軌(17)上，頂撐沿Z軸方向的導軌(17)安裝在頂撐立柱(13)上，頂撐立柱(13)的上下兩端分別與支架頂撐軸沿X方向移動的下導軌(14)和上導軌(15)上。
【文檔編號】B23C3/00GK104400086SQ201410532797
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月10日 優先權日:2014年10月10日
【發明者】李迎光, 郝小忠, 周鑫, 牟文平, 湯立民 申請人:南京航空航天大學