薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置及清根方法

摘要

本发明公开了一种薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置及其清根方法。该清根装置包括薄板状的定位基座，定位基座的上端带有凸台，定位基座的凸台上设置有测微机构，测微机构下端设置有升降机构，升降机构上设置有微型电机，微型电机的电机轴穿过升降机构中央与圆盘状的磨削刀具连接，磨削刀具与定位基座平行布置，定位基座下端设置有滚轮机构；本发明还公开了清根方法；本发明的薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置解决了采用钨钢刀具手工划线切削时基准不可控、加工轨迹不规整、加工和测量过程繁琐的问题；采用上述薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根方法实现对变形的薄壁曲面复合材料产品高精度、高效率加工的目的。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料高精度机械加工技术领域，具体涉及一种薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置及清根方法。

背景技术

由于刀具结构等原因，在加工阴角处时不可能做到R0，因此要采用一些特殊方法将非R0的阴角去掉，这个过程叫清根。清根是常用的机械加工工序，主要是沿面之间的阴角将大的刀具加工剩余的残料加工掉，要求刀具直径小。为统一加工基准，清根一般在精加工之后在同一设备上完成。常见的清根均应用在金属材料机械加工过程中，如砂轮越程槽、螺纹退刀槽之类的结构。

纤维增强复合材料是一种难切削加工的材料，它的脆性大、硬度高、加工时容易出现分层、撕裂、毛刺等问题。复合材料是由质软而粘性大的基体和强度高、硬度大的纤维混合而成的二相或多相结构，其力学性能呈各向异性，加工条件比较恶劣，采用传统合金刀具存在切削温度高、磨损严重、耐用度低等问题，所以很难满足复合材料产品高效、高精度加工的需求。

由于复合材料的刚度较差，薄壁曲面结构产品成型后变形问题突出，二次加工存在装夹困难、加工基准确定难、专用的工艺装备及辅助刀具缺乏等问题，长期制约着薄壁复合材料特殊结构特征的实现。譬如对薄壁曲面复合材料凹槽阴角进行清根，目前常采用钨钢刀手工划刻切削和反复测量确认的方式，加工质量严重依赖操作人员技能水平，不能有效保证尺寸精度的一致性及加工过程的高效性，难以满足复合材料薄壁曲面结构产品阴角清根的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置，解决了目前对薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根时不能有效保证尺寸精度及效率低的问题。

本发明的另一目的是提供一种薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根方法，对薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根时能有效保证工件尺寸精度并且提高加工效率。

本发明所采用的技术方案是，薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置，包括薄板状的定位基座，定位基座的上端带有凸台，定位基座的凸台上设置有测微机构，测微机构下端设置有升降机构，升降机构上设置有圆盘状的微型电机，微型电机的电机轴穿过升降机构中央与磨削刀具连接，磨削刀具与定位基座平行布置，定位基座下端设置有滚轮机构。

本发明的特点还在于：

测微机构包括棘轮微调旋钮，棘轮微调旋钮下端连接微分头，微分头上的测杆穿过定位基座的凸台且下端与升降机构连接。

升降机构包括与测杆垂直设置的升降横梁，升降横梁的两端分别设置有升降杆。

升降杆与测杆平行布置，且升降杆上端分别固定在定位基座的凸台内。

测杆与升降横梁采用销钉连接。

滚轮机构包括两组分别布置在定位基座两个大侧面下端的滚动轴承，滚动轴承与磨削刀具平行布置。

定位基座侧面上设置有开口方便安装磨削刀具。

本发明所采用的另一技术方案是，薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根方法，该方法依赖于薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置，其结构为：包括薄板状的定位基座，定位基座的上端带有凸台，定位基座的凸台上设置有测微机构，测微机构下端设置有升降机构，升降机构上设置有圆盘状的微型电机，微型电机的电机轴穿过升降机构中央与磨削刀具连接，磨削刀具与定位基座平行布置，定位基座下端设置有滚轮机构。

测微机构包括棘轮微调旋钮，棘轮微调旋钮下端连接微分头，微分头上的测杆穿过定位基座的凸台且下端与升降机构连接；升降机构包括与测杆垂直布置的升降横梁，升降横梁的两端分别设置有升降杆；升降杆与测杆平行布置，且升降杆上端分别固定在定位基座的凸台内；测杆与升降横梁采用销钉连接；滚轮机构包括两组分别布置在定位基座两个大侧面下端的滚动轴承，滚动轴承与磨削刀具平行布置；定位基座侧面上设置有开口方便安装磨削刀具。

具体按照以下方法实施：

步骤1，将磨削刀具装卡在微型电机的电机轴上，确认安装好的加工装置沿凹槽侧面在产品表面上滑动自如后，将其放置在清根起始的加工位置；

步骤2，开启微型电机，通过测微机构调节微型电机的位置至磨削刀具刚刚接触产品表面，完成对刀；按照工艺要求设置微型电机的转速，并通过测微机构设置进刀量，并沿产品凹槽侧面推动装置，进行阴角清根；按照上述步骤重复操作，直至达到工艺要求的进刀量，关闭微型电机；

步骤3，去除加工装置，进行清根深度和外观质量检测，合格后进行下一个位置的清根工作。

本发明的有益效果是：

本发明的薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置，解决了采用钨钢刀具手工划线切削时基准不可控、加工轨迹不规整、加工和测量过程繁琐的问题，本发明的薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置不仅能保证加工尺寸和轨迹的一致性，而且能提高加工的效率。

采用上述薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根方法能够通过在电动磨削刀具定位基座上设计清根基准动态调整滚轮机构，使刀具沿加工运行轨迹磨削的进刀量始终以产品表面的对应位置为基准，从而实现对变形的薄壁曲面复合材料产品高精度、高效率加工的目的。

附图说明

图1是本发明薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置及清根方法中清根装置的结构示意图；

图2是本发明薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置及清根方法中清根装置另一种状态时的结构示意图；

图3a是本发明薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置及清根方法中清根装置沿工件表面凹槽运动的工作状态示意图；

图3b是图3a中工件表面沿B-B旋转后产品表面状态示意图；

图3c是图3b工件表面局部放大示意图；

图4a是用手工划刻切削方法清根后工件表面效果照片；

图4b是用本发明薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根方法清根后工件表面效果照片。

图中，1.定位基座，2.测微机构，3.升降机构，4.微型电机，5.磨削刀具，6.滚轮机构，7.棘轮微调旋钮，8.微分头，9.测杆，10.升降横梁，11.升降杆，12.滚动轴承，13.开口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置，如图1所示，包括薄板状定位基座1，定位基座1上端带有凸台，定位基座1的凸台上设置有测微机构2；测微机构2包括棘轮微调旋钮7，棘轮微调旋钮7下端连接微分头8；如图2所示，微分头8上的测杆9穿过定位基座1上端的凸台且下端与升降机构3连接；升降机构3包括与测杆9垂直布置的升降横梁10，升降横梁10为长方体型结构，测杆9与升降横梁10采用销钉连接，升降横梁10的两端通过滑槽设置有升降杆11，两个升降杆11与测杆9平行布置，升降横梁10能沿着升降杆11上下滑动，且升降杆11的上端分别固定在定位基座1的凸台内；升降横梁10的一个外侧面上设置圆盘状的微型电机4，微型电机4的电机轴穿过升降机构3与磨削刀具5连接，磨削刀具5与定位基座1平行布置；定位基座1下端设置有滚轮机构6，滚轮机构6包括两组分别布置在定位基座1两个大侧面下端的滚动轴承12，两组滚动轴承12用来保证清根装置在工件表面平稳运行；定位基座1侧面上设置有开口13，开口13的作用是为了方便安装磨削刀具5。

本发明的薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置中定位基座1选用不锈钢材料；测微机构2采用标准微分头8，标准微分头8调节精度0.01mm，行程25mm，微分头8与定位基座1凸台顶部过盈连接并固定在定位基座1的凸台上；微分头8上的测杆9与升降横梁10采用销钉连接；升降机构3采用微型直线滑轨方式，行程不小于25mm；通过旋转测微机构2的棘轮微调旋钮7使测杆9沿轴线方向进退，并带动升降横梁10沿着升降杆11上下动作；微型电机4电压为DC12V，转速可调，最高转速5000rpm/min；磨削刀具为金刚砂材质，直径20mm，厚度1mm～3mm；定位基座1底部安装滚轮机构6，滚轮机构在加工过程中沿产品表面上平稳滚动，保证磨削刀具5始终以实时加工位置的产品表面为基准，实现加工基准的动态调整，并使装置沿产品原有凹槽侧面进行运动，固定刀具加工轨迹；如图3a所示，是本发明薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置沿工件表面凹槽运动的工作状态示意图，图3b是图3a中工件表面沿B-B旋转后产品表面状态示意图，图3c是图3b工件表面局部放大示意图。

本发明采用了清根深度基准动态调整、产品原有凹槽侧面运行轨迹、进刀量精确调节、可调速微型电机驱动磨削刀具等措施，其原理如下：(1)采用定位基座1上的清根深度基准动态调整滚轮机构6设计，使磨削刀具5沿原有凹槽侧面为加工运行轨迹，磨削的进刀量始终以产品表面的对应位置为基准，以解决变形的薄壁曲面复合材料产品清根深度基准不确定和轨迹不规整的问题；(2)采用进刀量精确调节功能，有效控制加工对刀和进刀量的误差，以实现加工精度的可控性；(3)通过可调速微型电机4驱动磨削刀具5，避免原有手工划刻切削方式的断续加工问题，以解决加工轨迹不规整和对操作人员技能水平过度依赖的问题，大幅提高加工质量和效率。

本发明薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根方法，该方法依赖于薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置，其结构为：包括薄板状的定位基座1，定位基座1的上端带有凸台，定位基座的凸台上设置有测微机构2，测微机构2的下端设置有升降机构3，升降机构3上设置有圆盘状的微型电机4，微型电机4的电机轴穿过升降机构4中央与磨削刀具5连接，磨削刀具5与定位基座1平行布置，定位基座1下端设置有滚轮机构6。

测微机构2包括棘轮微调旋钮7，棘轮微调旋钮7下端连接微分头8，微分头8上的测杆9穿过定位基座1的凸台且下端与升降机构3连接；升降机构3包括与测杆9垂直设置的升降横梁10，升降横梁10的两端分别设置有升降杆11；升降杆11与测杆9平行布置，且升降杆11上端分别固定在定位基座1的凸台内；测杆9与升降横梁10采用销钉连接；滚轮机构6包括两组分别布置在定位基座1两个大侧面下端的滚动轴承12，滚动轴承12与磨削刀具5平行布置；定位定位基座侧面上设置有开口13，开口13方便安装磨削刀具5。

该方法具体按照以下步骤实施：

步骤1，将磨削刀具5装卡在微型电机4的电机轴上，确认安装好的加工装置沿凹槽侧面在产品表面上滑动自如后，将其放置在清根起始加工位置；

步骤2，开启微型电机4，通过测微机构2调节微型电机4的位置至磨削刀具5刚刚接触产品表面，完成对刀；按照工艺要求设置微型电机4的转速，并通过测微机构2设置进刀量，并沿产品凹槽侧面推动装置，进行阴角清根；按照上述步骤重复操作，直至达到工艺要求的进刀量，关闭微型电机4；

步骤3，去除加工装置，进行清根深度和外观质量检测，合格后进行下一个位置的清根工作。

实施例1

A型复合材料曲面锥罩，纤维含量50％～55％，凹槽位置壁厚1.2mm±0.15mm，凹槽数量8个，两侧阴角均需进行清根处理(16个清根位置)，清根宽度1mm，清根深度0.5mm±0.1mm，要求清根轨迹规整、无凹凸不平感。选择厚度1mm磨削刀具，调节加工装置电机转速为3500rpm/min，每次进刀量0.1mm，进刀次数5次；按照上述实施步骤进行操作。

本发明方法工艺与原手工划刻切削方法的对比验证方式为：单人操作、加工数量相同、工时累计并计算平均值、合格数量统计并计算合格率。本实施例中采用不同工艺分别对20件A型复合材料曲面锥罩进行凹槽阴角清根，清根位置各320个；采用本发明方法，平均工时从24.5min/个缩短为10.5min/个，减少了57％左右；一次性检验合格率从原来的82.8％提高至98.8％，详细数据见下表；如图4a和图4b所示，是手工划刻切削方法清根与本发明凹槽阴角清根装置清根质量的对比效果照片，其中图4a为手工划刻切削方法清根的质量效果照片，图4b为本发明方法清根方法的质量效果照片；可以看出，采用本发明方法清根形状规整、轮廓清晰，外观效果佳。

本发明方法与原手工划刻切削方法的加工效率和检验合格率

实施例2

B型复合材料曲面锥罩，纤维含量40％～45％，凹槽位置壁厚1.8mm±0.15mm，凹槽数量4个，两侧阴角均需进行清根处理(8个清根位置)，清根宽度2mm，清根深度0.8mm±0.1mm，要求清根轨迹规整、无凹凸不平感。选择厚度2mm磨削刀具，调节加工装置电机转速为3000rpm/min，每次进刀量0.2mm，进刀次数4次；按照上述实施步骤进行操作。

本实施例中采用不同工艺分别对5件B型复合材料曲面锥罩进行凹槽阴角清根，清根位置各40个；采用本发明方法，平均工时从29.2min/个缩短为11.3min/个，减少了61％左右；一次性检验合格率从原来的77.5％提高至100％，详细数据见下表。本实施例加工效果同实施例1，清根形状规整、轮廓清晰，外观效果佳。

本发明方法与原手工划刻切削方法的加工效率和检验合格率

实施例3

0.05Mpa脆裂型复合材料曲面箱盖，纤维含量60％～65％，凹槽位置壁厚0.65mm±0.05mm，十字形凹槽数量4个，两侧阴角均需进行清根处理(8个清根位置)，清根宽度1mm，清根深度0.4mm±0.05mm，要求清根轨迹规整、无清透现象。选择厚度1mm磨削刀具，调节加工装置电机转速为4000rpm/min，每次进刀量0.05mm，进刀次数8次；按照上述实施步骤进行操作。

本实施例中采用不同工艺分别对10件0.05Mpa脆裂型复合材料曲面箱盖进行凹槽阴角清根，清根位置各80个；采用本发明方法，平均工时从22.25min/个缩短为9.2min/个，减少了58％左右；一次性检验合格率从原来的76.25％提高至98.75％，详细数据见下表。本实施例清根形状规整、轮廓清晰，无清透现象。

本发明方法与原手工划刻切削方法的加工效率和检验合格率

实施例4

0.1Mpa脆裂型复合材料曲面箱盖，纤维含量60％～65％，凹槽位置壁厚0.65mm±0.05mm，十字形凹槽数量4个，两侧阴角均需进行清根处理(8个清根位置)，清根宽度1.5mm，清根深度0.2mm±0.05mm，要求清根轨迹规整、无清透现象。选择厚度1.5mm磨削刀具，调节加工装置电机转速为4000rpm/min，每次进刀量0.05mm，进刀次数4次；按照上述实施步骤进行操作。

本实施例中采用不同工艺分别对5件0.1Mpa脆裂型复合材料曲面箱盖进行凹槽阴角清根，清根位置各40个；采用本发明方法，平均工时从13.2min/个缩短为5.15min/个，减少了61％左右；一次性检验合格率从原来的70％提高至100％，详细数据见下表。本实施例清根形状规整、轮廓清晰，无清透现象。

本发明方法与原手工划刻切削方法的加工效率和检验合格率

实施例5

复合材料自分离翼罩，纤维含量25％～30％，凹槽位置壁厚1.5mm±0.1mm，环形凹槽数量2个，两侧阴角均需进行清根处理(4个清根位置)，清根宽度2.5mm，清根深度0.6mm±0.1mm，要求清根轨迹规整、轮廓清晰。选择厚度2.5mm磨削刀具，调节加工装置电机转速为2000rpm/min，每次进刀量0.2mm，进刀次数3次；按照上述实施步骤进行操作。

本实施例中采用不同工艺分别对15件复合材料自分离翼罩进行凹槽阴角清根，清根位置各60个；采用本发明方法，平均工时从18.22min/个缩短为8.77min/个，减少了51.87％左右；一次性检验合格率从原来的80％提高至100％，详细数据见下表。本实施例清根形状规整、轮廓清晰。

本发明方法与原手工划刻切削方法的加工效率和检验合格率

通过上述方式，本发明薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根装置，在对薄壁材料凹槽阴角清理时：(1)操作简单，重复性高，明显降低了对操作人员技能水平的过度依赖；(2)加工工时减少了50％以上，大幅提高了加工效率；(3)提高了加工的尺寸精度和外观质量的一致性，一次检验合格率提高到98％以上；而采用上述薄壁曲面复合材料凹槽阴角清根方法，不仅能提高加工精度和质量，同时还能大幅度提高加工效率。