一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法技术

本发明专利技术涉及一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，提出了一种薄壁大面积异型复合材料壳体测量方法，设计了一套内支撑工装，提出了采用应力分割槽和优化刀路轨迹规划来释放残余应力的工艺方法，解决了薄壁大面积异型复合材料壳体难测量和变形大问题，经实际运用验证表明，应用此方法可以实现薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工，为其他类似薄壁壳体的低变形加工提供了基础研究经验。

A Low Deformation Processing Method for Thin-walled Large Area Special-shaped Composite Shell

The invention relates to a low deformation processing method for thin-walled large-area special-shaped composite shell, presents a measuring method for thin-walled large-area special-shaped composite shell, designs a set of internal support tooling, proposes a process method for releasing residual stress by using stress partition groove and optimizing tool path planning, and solves the problem of thin-walled large-area special-shaped composite shell. It is difficult to measure and large deformation of large area special-shaped composite shell. Practical application shows that this method can realize low deformation processing of thin-walled large area special-shaped composite shell. It provides basic research experience for other similar thin-walled shell low deformation processing.

【技术实现步骤摘要】
一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法
本专利技术涉及一种薄壁大面积异型复合材料壳体的加工方法。
技术介绍
随着新型导弹技术的发展，传统的锥形舱段防热结构也在向异型、轻质的设计方向发展，减重增程的轻质要求，使得结构件壁厚具有薄壁特征，对现有加工工艺提出了新的要求。防热部段从结构上可分为三层：内层为外表面精加工的金属壳体，外层为复合材料防热层，中间是用于缓冲和粘接的胶层；通过套装、缠绕或手工裱糊等工艺方法，在金属壳体外表面进行外层防热层的成型。成型后需要对防热层进行机加工，工序一般包括外形加工、开窗口、钻孔等。通常防热层的加工指标为：轮廓度和厚度，目前主要存在以下问题：(1)金属壳体变形量大且分布不均防热部段内层的金属壳体在自身成型及防热层成型过程中产生多次变形，表层残余应力的非平衡状态会导致零件产生弯扭变形,这种变形在刚性差的零件上尤为显著。(2)变形量不易测量防热层成型后，金属壳体被包覆在防热层下，无法直接对外表面进行变形量测量；防热层的剩余厚度目前采用三坐标离线测量方式，在加工过程中需要多次搬运，给加工带来诸多不便；产品属于大面积防热层结构件，对整个外表面进行变形测量成本高、周期长。(3)缺乏可靠的变形控制方法复合材料壳体构成复杂，因此比传统单层材料件变形趋势和变形量更加难以分析和控制。由于金属壳体变形量大且分布不均、变形量不易测量、如何控制加工过程中残余应力引起的部件扭曲变形行为等问题尚未解决，因此目前防热层加工工艺方法一直达不到理想效果。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，设计了一套内支撑工装，提出了采用应力分割槽和优化刀路轨迹规划来释放残余应力的工艺方法，解决了薄壁大面积异型复合材料壳体难测量和变形大问题，经实际运用验证表明，应用此方法可以实现薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工，为其他类似薄壁壳体的低变形加工提供了基础研究经验。本专利技术所采用的技术方案是：一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，包括步骤如下：第一步：将待加工件大端端面向上，使用压板装夹待加工件小端内侧金属壳体端框面；将待加工件大端的复合材料层与内部的金属壳体大端面铣齐平，在待加工件大端铣出连接孔，同时以金属壳体大端端框内圆的圆心为基准，在待加工件大端侧面的复合材料层上对称位置铣出基准面，将金属内基准转移到外侧复合材料层上；第二步：装夹内支撑工装，将待加工件小端端面向上，使用连接螺栓和铣出的连接孔将待加工件大端固定到内支撑工装底座上，内支撑工装安装在待加工件的内部，将待加工件小端复合材料层与内部的金属壳体小端面铣齐平；第三步：在待加工件的复合材料毛坯表面切割应力释放槽，在复合材料毛坯表面初步开出天线窗口，松开待加工件的装夹工具，然后重新装夹找正；第四步：先分区去除复合材料毛坯余量厚度较大的部位，余量均匀后再以面对称加工方式去除余量至半精加工余量，切削方式选择平底钎焊金刚石盘刀磨削，按“之”字形走刀；松开待加工件的装夹工具，然后重新装夹找正；第五步：用涡流测厚仪测量测厚度，与理论数模对比，计算复合材料毛坯所需加工厚度；以分区、面对称方式去除加工余量，切削方式选择平底钎焊金刚石盘刀磨削，按“之”字形走刀；第六步：根据金属壳体上相应的窗口及各孔的位置，在复合材料毛坯对应位置处精加工窗口、钻孔，获得薄壁大面积异型复合材料壳体。所述的薄壁大面积异型复合材料壳体包括内部的金属壳体和金属壳体外面包裹的复合材料层，所述的金属壳体的外层结构与复合材料层的内表面相匹配，金属壳体用于对外面包裹的复合材料层进行支撑。所述的薄壁大面积异型复合材料壳体为面对称回转体，大端端口为圆形，小端端口为面对称的形状，大端和小端之间采用自由曲面平滑过渡。所述复合材料层的材料为混杂纤维增强钡酚醛树脂复合材料。所述的金属壳体表面为带内网格筋的铸铝薄壁曲面，曲面厚度为3～5mm；复合材料层为厚度3～5mm的复合材料曲面，曲面曲率为1～100，表面积为4m2以上，复合材料层曲面沿周向包裹金属壳体表面，金属端面外露。所述内支撑工装包括底盘、支撑盘、支撑顶杆、下压压板、中间立柱，各层支撑盘固定在中间立柱上，中间立柱安装在底盘中心处，各支撑盘沿边缘周向分布多个侧向支撑顶杆，顶层的支撑盘设有下压压板用于辅助压紧，每个侧向支撑顶杆由独立的单点伺服驱动单元控制顶杆的伸缩位移，各单点伺服驱动单元以总线连接方式在主运动控制器下集中控制，实现外部控制所有支撑顶杆的位移和支撑压力。所述平底钎焊金刚石盘刀包括三部分，中部为锥台结构，锥台结构小端连接圆柱体结构，锥台结构大端边缘连接环形的切削刃，切削刃内为与锥台结构同轴的柱形凸台，沿平底钎焊金刚石盘刀轴线开有通孔；切削刃外侧沿周向均布2～4条的带状排屑槽，切削刃外侧表面和内侧面均有金刚砂电镀涂层，内外侧面边缘均为圆弧过渡；柱形凸台和切削刃之间的凹槽底面上午镀砂，柱形凸台沿径向开凹槽。所述第四步中分区加工的顺序为：先加工金属结构强度大的两侧，再加工其余大面积薄壁；加工复合材料毛坯时的切削参数为主轴转速2000～4000rpm，进给速度1000～1500mm/min，单层刀具切削深度不超过5mm，粗加工步距为刀具直径的70％-90％，精加工步距为0.3～1.5mm。所述的第四步中，切削刀具轨迹为多层“之“字形，刀具沿周向自待加工件的小端至大端“之“字形依次向下走刀，每层结束后返回初始位置，按设定层深重复上层刀路轨迹，至最终型面尺寸，每层层高参数为1～3mm。所述第三步中，沿周向在待加工件的复合材料毛坯表面切割环向的应力释放槽，槽宽的取值范围为0.5～1.5mm，应力释放槽的行间距的取值范围为10mm～50mm。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术实现了防热层成型后对金属的测量，为加工余量确定提供依据，同时，利用测量数据进行仿真加工计算，根据仿真加工结果对实时加工工艺参数进行优化，为加工安全及提高加工精度提供依据。(2)本专利技术实现防热部段数控加工过程的全流程、全要素优化设计。针对曲面的曲率半径范围值181～100597mm，厚度余量变化超25mm，基于各曲面特点构建产品、机床及刀具约束关系，形成分区策略；以金刚石砂轮磨削替代传统铣削解决铣刀磨损大、成本高的问题，以平底中空螺旋排屑蝶形砂轮替代柱形球头砂轮棒提高磨削效率，优化刀位算法，大幅提高数控加工效率。(3)针对薄壁件变形大的问题，确定加工变形控制方法，优化加工工艺流程，设计内支撑工装，减少残余变形，有效控制产品外形轮廓及防热层厚度。该工艺方法可推广至其他类似大面积薄壁防热壳体加工，为异形防热部段的低变形、低成本数控加工奠定了技术基础。(4)本专利技术面向应力释放开展大面积薄壁防热部段低变形加工工艺技术研究，对金属壳体外表面轮廓度和防热层剩余厚度进行变形监测，确定加工余量，保证厚度，同时利用应力分割槽、优化加工参数和刀轨，及低变形工序安排等工艺方法达到减少壳体变形的目的。附图说明图1为低变形加工工序流程图；图2为薄壁大面积异型复合材料壳体结构；图3为内支撑工装示意图；图4为内支撑工装电气结构图；图5为钎焊金刚石盘刀结构示意图；图6为“之”字形走刀路径示意图；图7为电涡流测厚仪内部结构示意图。具体实施方式下面结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于，包括步骤如下：第一步：将待加工件大端端面向上，使用压板装夹待加工件小端内侧金属壳体端框面；将待加工件大端的复合材料层与内部的金属壳体大端面铣齐平，在待加工件大端铣出连接孔，同时以金属壳体大端端框内圆的圆心为基准，在待加工件大端侧面的复合材料层上对称位置铣出基准面，将金属内基准转移到外侧复合材料层上；第二步：装夹内支撑工装，将待加工件小端端面向上，使用连接螺栓和铣出的连接孔将待加工件大端固定到内支撑工装底座上，内支撑工装安装在待加工件的内部，将待加工件小端复合材料层与内部的金属壳体小端面铣齐平；第三步：在待加工件的复合材料毛坯表面切割应力释放槽，在复合材料毛坯表面初步开出天线窗口，松开待加工件的装夹工具，然后重新装夹找正；第四步：先分区去除复合材料毛坯余量厚度较大的部位，余量均匀后再以面对称加工方式去除余量至半精加工余量，切削方式选择平底钎焊金刚石盘刀磨削，按“之”字形走刀；松开待加工件的装夹工具，然后重新装夹找正；第五步：用涡流测厚仪测量测厚度，与理论数模对比，计算复合材料毛坯所需加工厚度；以分区、面对称方式去除加工余量，切削方式选择平底钎焊金刚石盘刀磨削，按“之”字形走刀；第六步：根据金属壳体上相应的窗口及各孔的位置，在复合材料毛坯对应位置处精加工窗口、钻孔，获得薄壁大面积异型复合材料壳体。...

【技术特征摘要】
1.一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于，包括步骤如下：第一步：将待加工件大端端面向上，使用压板装夹待加工件小端内侧金属壳体端框面；将待加工件大端的复合材料层与内部的金属壳体大端面铣齐平，在待加工件大端铣出连接孔，同时以金属壳体大端端框内圆的圆心为基准，在待加工件大端侧面的复合材料层上对称位置铣出基准面，将金属内基准转移到外侧复合材料层上；第二步：装夹内支撑工装，将待加工件小端端面向上，使用连接螺栓和铣出的连接孔将待加工件大端固定到内支撑工装底座上，内支撑工装安装在待加工件的内部，将待加工件小端复合材料层与内部的金属壳体小端面铣齐平；第三步：在待加工件的复合材料毛坯表面切割应力释放槽，在复合材料毛坯表面初步开出天线窗口，松开待加工件的装夹工具，然后重新装夹找正；第四步：先分区去除复合材料毛坯余量厚度较大的部位，余量均匀后再以面对称加工方式去除余量至半精加工余量，切削方式选择平底钎焊金刚石盘刀磨削，按“之”字形走刀；松开待加工件的装夹工具，然后重新装夹找正；第五步：用涡流测厚仪测量测厚度，与理论数模对比，计算复合材料毛坯所需加工厚度；以分区、面对称方式去除加工余量，切削方式选择平底钎焊金刚石盘刀磨削，按“之”字形走刀；第六步：根据金属壳体上相应的窗口及各孔的位置，在复合材料毛坯对应位置处精加工窗口、钻孔，获得薄壁大面积异型复合材料壳体。2.根据权利要求1所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述的薄壁大面积异型复合材料壳体包括内部的金属壳体和金属壳体外面包裹的复合材料层，所述的金属壳体的外层结构与复合材料层的内表面相匹配，金属壳体用于对外面包裹的复合材料层进行支撑。3.根据权利要求1或2所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述的薄壁大面积异型复合材料壳体为面对称回转体，大端端口为圆形，小端端口为面对称的形状，大端和小端之间采用自由曲面平滑过渡。4.根据权利要求3所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述复合材料层的材料为混杂纤维增强钡酚醛树脂复合材料。5.根据权利要求4所述的一种薄壁大面积异型复合材料壳体低变形加工方法，其特征在于：所述的金属壳体表面为带内网格筋的铸铝薄壁曲面，曲面厚度为3～5mm；复合材料层为厚度3～5mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，雷建华，李杰，凌丽，郭安儒，赵建设，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11