面向飞机蒙皮制造的薄板镜像铣削工艺基础

发布时间：2020-05-25 17:34

【摘要】：在航空航天制造业中,降低飞行器的自身结构重量,就意味着提高了飞行器的机动性、增大了携带负载的能力和飞行距离,因此,以蒙皮为代表的薄壁零件被广泛应用于航空航天领域。这类零件具有尺寸大、形状复杂、厚度薄、刚性差等特点,制造难度大。传统的飞机蒙皮化铣工艺存在化学污染、工艺复杂、耗能较高和消耗铝材无法回收等弊端。近几年出现的镜像铣削技术,作为一种飞机蒙皮加工的新技术,是一种高效、绿色的加工方法,具有逐步取代化铣加工的趋势,是众多工业发达国家的研究热点。镜像铣削系统(Mirror Milling System,MMS)涉及到许多基础理论与关键技术,但出于国防以及国家和公司经济利益的考虑,国外所取得的研究成果大部分都作为技术秘密而限制对外公布或技术出口。为打破国外镜像铣削技术的封锁、实现我国独立研发蒙皮镜像铣削工艺技术和装备,需要针对飞机蒙皮镜像铣削加工机理、镜像支撑技术与系统、镜像铣削加工载荷变化规律以及载荷与支撑系统的匹配关系、表面轮廓形成机理和表面质量控制方法等开展基础研究。本文主要研究内容与结论如下:(1)针对镜像铣削的特点,建立薄壁件镜像铣削切削力模型;考虑工件变形引起的切削条件变化反馈到切削力模型中,通过迭代计算,预测薄壁件镜像铣削加工变形。提出薄壁件镜像铣削试验台的简化控制方法,并搭建镜像铣削加工试验台;提出未知面型工件厚度的非接触测量方法,并搭建镜像铣削工件厚度检测装置。(2)提出将加工后的工件厚度一致性作为评判加工优劣的指标,为实现零件的“一次”精确数控加工成型提供了可能;建立薄壁件镜像铣削的表面轮廓预测模型,研究支撑点位置对表面轮廓的影响规律,优化加工头与支撑头的相对位置。结果表明,最优的布置方式是使工件在切削轨迹附近的刚度变化与铣削力的变化一致,才能加工出厚度一致性最好的工件。较少的支撑点数量、较小的支撑面积,会使支撑头在工件的支撑表面产生的压强大于工件材料的屈服强度,从而使工件产生塑性变形,并在支撑表面上留下压痕。(3)在综述镜像铣削支撑技术的研究现状、分析技术问题与难点的基础上,开发了滚动接触式和液体静压式两种支撑系统;研究支撑刚度、支撑元件与工件表面的作用状态、支撑力和支撑位置的调控方式,并通过工艺试验对支撑效果进行验证。结果表明,对于滚动接触式支撑系统,随着支撑点数量的增加,由弹性变形引起的尺寸误差的平均值和最小值逐渐减小,支撑表面的压痕得到明显改善,无论支撑头为单点、两点或三点,支撑在优化后的坐标位置均可得到较平整的表面;对于液体静压式支撑系统,采用恒压力进液式的多液腔静压支承,在每个液腔的液路上单独设置节流器,可以平衡变化的铣削力,优化进液压力,使液膜刚度最大,从而最大限度减小铣削力变化引起的工件厚度不一致。(4)确定适合镜像铣削薄壁件的弹性变形误差补偿方法;针对滚动接触式支撑系统、液体静压式支撑系统,分别进行误差补偿计算,并进行薄板镜像铣削实验验证。结果表明,刀具轨迹经过单层次循环方式修正补偿后,加工弹性变形误差得到进一步减小。
【图文】：

框架结构,蒙皮,薄壁零件

逦面向飞机蒙皮制造的薄板镜像铣削工艺基础逦逡逑框架结构，并在这个框架外面上包裹上一层薄壁材料，这个薄壁件就是蒙皮（如图１．２逡逑所示）。可以预见，随着航空航天工业的进一步发展，薄壁零件的应用会更加广泛，质逡逑量需求也会进一步提高。开展薄壁零件加工制造关键技术研宄对提升我国装备制造业的逡逑自主制造能力和创新设计水平具有重大意义｜５＿６］。逡逑

柔性夹具,多点,蒙皮

逑２０世纪８０年代起，将数控铣切技术和多点柔性夹持技术相结合，若干欧美机床制逡逑造公司陆续开发出多种矩阵式多点真空吸附柔性夹持系统（如图１．４所示），用于夹持逡逑蒙皮零件并与多轴数控铣削机床配合，形成蒙皮精确铣技术和装备并应用于航空制造企逡逑业，对成形后的蒙皮毛坯进行下料、减薄、钻孔、开槽和切边等后续加工＾３３＿２１］。然而，逡逑蒙皮厚度薄、刚性差，由于柔性夹具对蒙皮零件是多点离散支承夹持，仅依靠柔性夹具逡逑支撑薄蒙皮进行厚度加工，在加工夹持点之间的悬空区域时，无法确保蒙皮加工的厚度逡逑公差，当切削参数选择不当时，蒙皮零件很容易发生切削颤振，影响铣削精度和蒙皮表逡逑面粗糙度。因此，蒙皮精确铣无法代替化铣实现蒙皮的高效率高精度加工。逡逑，，‘…ｆｔ：－逡逑W逡逑图１．４多点柔性夹具逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｍｕｌｔｉ邋ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ｕｎｉｖｅｒｓａｌ邋ｈｏｌｄｉｎｇ邋ｆｉｘｔｕｒｅ逡逑若不采用目前广泛使用的“先成形－后减重”的制造工艺
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V261.23

【参考文献】