[发明专利]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

说明书

技术领域

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CN 102248380 A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。