多点仿形刚性夹具及使用该夹具加工薄壁工件的方法

摘要

本发明公开的是一种多点仿形刚性夹具，包括夹具本体，所述夹具本体上设置有用于定位被加工工件的定位面，该定位面上设置有真空吸盘，夹具本体内部设置有真空孔道，真空孔道一端与真空吸盘相连，另一端与设置于夹具本体外部的真空阀岛连接，真空阀岛连接于真空系统，真空系统与控制系统连接，真空孔道还通过真空传感器连接于控制系统。使用上述多点仿形刚性夹具加工薄壁工件的方法，包括建模与分析、确定与优化关键定位点、设置真空吸盘、加工夹具本体定位面，最后进行薄壁工件的加工。该多点仿形刚性仿形夹具用于薄壁工件复杂型面的高速铣削精加工阶段，夹具定位面与被加工件面型完全一致，保证夹紧力分布均匀，避免薄壁工件夹紧变形。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料薄壁零件的精密切削加工技术，尤其是涉及一种多点仿形刚性夹具以及使用该夹具在高速铣削条件下加工薄壁工件的方法。

背景技术

先进复合材料（ACM）以其高比强度、高比模量以及低热膨胀系数，在航空、航天、汽车、医学等领域中广泛应用。同时，采用二维编织、三维整体编织、局部加强和填充等方式，能够有效保证载荷的可靠传递和刚性的平稳过渡，使材料和结构得到充分利用。因此，复合材料已经成为继铝、钢、钛之后，迅速崛起的第四大航空结构材料。陶瓷基复合材料(CMC)特别是C/SiC复合材料是当今世界上航空航天高温结构材料的研究重点。

为了适应复杂型面类复合材料零部件的精密机械加工要求，提高加工质量和加工效率，采用高速/超高速数控铣削机床（≥5轴）成为今后的主流。高速铣削加工（HSM）可大幅度降低切削力（平均30%以上），切屑高速排出，带走大量的切削热（≥90％），传给工件的热量大幅度减少，内应力和热变形小，提高加工精度，且不存在由于切削温度上升引起的工具硬度下降，大幅度延长工具寿命，加工表面质量好，可实现镜面加工。

薄壁类零件，特别是复合材料薄壁零件，高速铣削加工时最突出的问题是工件的变形，影响工件的面型精度。其次是振动问题，直接影响工件的表面粗糙度。而复合材料的多样性决定了其具有多种多样的力学行为特征，其加工工艺、切削条件以及装夹方法（固持方法）与传统的金属材料多有不同。为此，国内外学者做了很多研究工作，并研制了相应的工艺装备。以蜂窝芯材料为例：切割工艺有金刚砂刀具切割、高压水射流切割、激光切割、高速数控加工技术等；装夹方法多为粘接固持，如聚乙二醇法、双面粘结带法、真空吸附法等，粘结效果不佳且后续清理难度大。浙江大学柯映林教授团队研发了基于强磁场和摩擦学原理的固持方法，制作了平面加工固持平台、复杂型面类蜂窝材料加工用的曲面固持平台以及辅助填料装备，并已成功用于生产。

发明内容

为了解决薄壁工件加工过程中刚性不足与振动的问题，提高加工精度和表面质量，本发明提供一种多点仿形刚性夹具以及使用该夹具加工薄壁工件的方法。

本发明的一方面是提供一种多点仿形刚性夹具，所采用的技术方案是，

多点仿形刚性夹具，包括夹具本体，所述夹具本体上设置有用于定位被加工工件的定位面，该定位面上设置有真空吸盘，夹具本体内部设置有真空孔道，真空孔道一端与真空吸盘相连，另一端与设置于夹具本体外部的真空阀岛连接，真空阀岛连接于真空系统，真空系统与控制系统连接，真空孔道还通过真空传感器连接于控制系统。

所述真空吸盘上设置有真空孔，真空孔与真空吸盘上的工作槽连接。

本发明的另一方面是提供一种使用上述多点仿形刚性夹具加工薄壁工件的方法，所采用的技术方案是，

使用上述多点仿形刚性夹具加工薄壁工件的方法，包括以下步骤，

（1）建模与分析。建立被加工工件的三维CAD实体模型；规划刀具路径，生成CAM程序，仿真加工过程，并完善模型；抽取加工型面，根据刀具路径进行高速铣削过程中工件受力和变形的有限元分析，再次完善修改模型。

（2）确定与优化关键定位点。根据有限元分析结果，在主要受力和变形区域内，确定被加工工件的关键定位点的位置和数量，并优化布局，在关键定位点位置加工吸盘的工作槽及真空孔。

（3）设置真空吸盘。根据被加工工件的复合材料类型，估算总切削力大小，确定真空吸盘的结构、形式，确定真空度大小和真空吸盘的排列形式；

（4）加工夹具本体定位面。按照被加工工件的最终型面要求进行夹具本体的定位面设计和加工，夹具本体的定位面加工后预留0.005±0.001mm的余量，待夹具本体其他部分加工好以后，对整个定位面进行最后的精整加工；

（5）工件加工。将被加工工件安装在多点仿形刚性夹具上，通过工件手工预定位，真空夹紧，快速检测与诊断，误夹紧预报与控制，夹紧过程确认，加工开始，夹紧状态异常监测与处理的过程直至加工结束。

本发明的有益效果是，该多点仿形刚性仿形夹具用于薄壁工件复杂型面的高速铣削精加工阶段，一件一模，夹具定位面与被加工件面型完全一致，保证夹紧力分布均匀，避免夹紧变形，解决工件加工过程中的刚性不足与振动问题，提高加工精度和表面质量，可减小工件在加工过程中的变形，降低振动，从而提高加工后的面型精度和表面粗糙度；多点仿形刚性夹具安装面刚度的提高，使得加工工艺系统的刚性得到提高，经工艺参数优化后，可以采用更高的切削速度，降低切削区温度，从而进一步提高加工效率和刀具耐用度，降低加工成本。

附图说明

图1是本发明多点仿形刚性夹具的结构示意图；

图2是图1中真空吸盘的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明提出的多点仿形刚性夹具包括夹具本体100，所述夹具本体100上设置有用于定位被加工工件的定位面101，该定位面101上设置有真空吸盘110，夹具本体100内部设置有真空孔道120，真空孔道120一端与真空吸盘110相连，另一端与设置于夹具本体100外部的真空阀岛连接，真空阀岛连接于真空系统，真空系统与控制系统连接，真空孔道120还通过真空传感器连接于控制系统。

如图2所示，所述真空吸盘110上设置有真空孔111，真空孔111与真空吸盘上的工作槽112连接。

本实施例中，使用上述多点仿形刚性夹具加工薄壁工件的方法，包括以下步骤，

（1）建模与分析。建立被加工工件的三维CAD实体模型；规划刀具路径，生成CAM程序，仿真加工过程，并完善模型；抽取加工型面，根据刀具路径进行高速铣削过程中工件受力和变形的有限元分析，再次完善修改模型。

（2）确定与优化关键定位点。根据有限元分析结果，在主要受力和变形区域内，确定被加工工件的关键定位点的位置和数量，并优化布局，在关键定位点位置加工吸盘的工作槽及真空孔。

（3）设置真空吸盘。根据被加工工件的复合材料类型，估算总切削力大小，确定真空吸盘的结构、形式，确定真空度大小和真空吸盘的排列形式；

（4）加工夹具本体定位面。按照被加工工件的最终型面要求进行夹具本体的定位面设计和加工，夹具本体的定位面加工后预留0.005±0.001mm的余量，待夹具本体其他部分加工好以后，对整个定位面进行最后的精整加工；

（5）工件加工。将被加工工件安装在多点仿形刚性夹具上，通过工件手工预定位，真空夹紧，快速检测与诊断，误夹紧预报与控制，夹紧过程确认，加工开始，夹紧状态异常监测与处理的过程直至加工结束。

该多点仿形刚性仿形夹具用于薄壁工件复杂型面的高速铣削精加工阶段，一件一模，夹具定位面与被加工件面型完全一致，保证夹紧力分布均匀，避免夹紧变形，解决工件加工过程中的刚性不足与振动问题，提高加工精度和表面质量，可减小工件在加工过程中的变形，降低振动，从而提高加工后的面型精度和表面粗糙度；多点仿形刚性夹具安装面刚度的提高，使得加工工艺系统的刚性得到提高，经工艺参数优化后，可以采用更高的切削速度，降低切削区温度，从而进一步提高加工效率和刀具耐用度，降低加工成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。