薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工方法及加工装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于机械加工技术领域，涉及一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工方法及加工装置。该加工装置为多轴联动数控机床，包括XYZ运动平台和AB旋转轴、磨头主轴系统、数控系统、冷却系统、抛光液系统、在线检测系统、机床基体、机床装夹系统、专用夹具和磨头。该加工方法：采用专用夹具固定成型整流罩毛坯，依次进行粗磨、精磨和抛光，其次通过在线检测装置对抛光表面进行形面检测，并将检测数据点位传给数控系统，经数控系统计算，对不满足加工精度要求的点位进行自动修抛，直至满足要求；采用上述加工步骤先后完成工件内外表面的超精密加工。本发明专利技术可以一次装夹可完成粗、精、抛及检测一体化，效率高，精度好。

Ultra precision machining method and equipment of thin-wall hard brittle complex shape fairing

【技术实现步骤摘要】
薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工方法及加工装置
本专利技术属于机械加工
，涉及一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工方法及加工装置。
技术介绍
蓝宝石、阿隆等材质的整流罩高性能零件，具高强度、高热导率和高光学通过率等优良的理化性能，应用于航空、航天、军工、国防等领域。高性能整流罩形状复杂，包括球面、非球面等，要求纳米级的形位精度、表面粗糙度和超低损伤表面，对超精密加工领域提出了严峻的挑战。薄壁硬脆复杂形状的整流罩，当深径比大于1时，采用机械应力去除的精密和超精密研磨和抛光，刀具的轻微振动就会使整流罩破碎，导致难以加工。异形蓝宝石整流罩，莫氏硬度为9，为超硬材料，脆性极大。目前国内外主要采用高端的数控机床先采用“捞球法”加工出整流罩毛坯，再采用其他高端装备分别进行粗、精机械加工，该加工方式存在：工序分散，单纯的机械去除容易导致崩边、破碎、表面损伤层大、成品率低，加工效率低以及加工成本高等问题。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种一次装夹粗磨、精磨、抛光及检测一体化的工艺方法，以及对应的加工装置，可提高加工效率，缩短加工周期，降低加工成本，同时实现薄壁硬脆复杂形状整流罩的超低损伤、高形面精度的超精密加工。本专利技术的技术方案：一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工装置，为多轴联动数控机床，包括运动平台、旋转系统、磨头主轴系统4、数控系统3、冷却系统7、抛光液系统16、在线检测系统2、机床基体1、机床装夹系统9、专用夹具和磨头15；所述的运动平台包括X轴系统11、Y轴系统5和Z轴系统6；所述的旋转系统包括A轴系统17和B轴系统10；Y轴系统5和Z轴系统6为“十字交叉”的直线运动平台模组，安装在机床基体1的侧壁上，Y轴系统5定义为被加工的整流罩工件12的轴线方向，整流罩工件12为卧式装夹，Z轴系统6定义为竖直上下移动方向；X轴系统11根据右手坐标系原则确定，在水平面内与Y轴系统5垂直，X轴系统11安装在机床基体1的水平台上，用于移动机床装夹系统9；A轴系统17为绕X轴系统11旋转的轴，连接在Z轴系统6外壳末端；磨头主轴系统4的基体与A轴系统17的基体相互垂直连接，可驱动磨头15旋转，使磨头15具有切削力，将整流罩工件12表面余量去除；B轴系统10为绕Y轴系统5旋转的轴，与机床装夹系统9连接，驱动整流罩工件12旋转；机床装夹系统9可由三爪卡盘组成，水平安装在X轴系统11上，卡盘位于竖直方向上，用于定位专用夹具的夹具体，即内凹夹具体8或外凸夹具体18，整流罩工件12固定在专用夹具上，间接实现对整流罩工件12的定位夹紧；数控系统3用于控制机床各轴间的联动，其中：通过控制Y轴系统5和Z轴系统6的移动，可使磨头15的运动轨迹为整流罩工件12的母线，同时通过B轴系统10的旋转，最终加工出整流罩工件12的凹表面12-1或凸表面12-2的型面；磨头15安装在磨头主轴系统4上，磨削刃部分15-1为半球形，其材质为金刚石；在线检测系统2具备自动扫描、数据传输的功能，可以是集成在机床装置中的一个模块，或是独立的一套检测系统；所述的冷却系统7和抛光液系统16安装在A轴系统17的基体上，分别向被加工表面喷射冷却液和抛光液。所述专用夹具包括内凹夹具体8、外凸夹具体18和夹紧环13；内凹夹具体8的一端设有凹型腔8-1，凹型腔8-1尺寸形状与整流罩工件12的凸表面12-2一致，且该端面设有至少4个螺纹孔8-2，另一端设有内凹夹具体圆柱凸台8-3，用于与机床装夹系统9定位连接；夹紧环13为圆环形，内径尺寸介于整流罩工件12的内径与外径之间，且夹紧环13上设有与内凹夹具体8上的螺纹孔8-2对应的通孔，整流罩工件12置于夹紧环13与内凹夹具体8间，螺栓14通过通孔将夹紧环13与内凹夹具体8连接固定，实现整流罩工件12定位夹紧；外凸夹具体18一端设有与整流罩工件12的凹表面12-1尺寸形状一致的凸台型腔18-1，另一端设有外凸夹具体圆柱凸台18-3，用于与机床装夹系统9定位连接，凸台型腔18-1与外凸夹具体圆柱凸台18-3之间设有一轴肩18-2，轴肩18-2直径介于整流罩工件12内外径之间。进一步，采用上述所述的加工装置及所述的夹具，一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工方法，先加工整流罩工件12的凹表面12-1，再加工凸表面12-2，具体如下：(一)凹表面12-1加工步骤：步骤一，装夹固定整流罩工件12：使凸表面12-2与内凹夹具体8的凹型腔8-1贴紧配合，再通过夹紧环13和螺栓14将整流罩工件12的端面12-3夹紧固定在内凹夹具体8上；步骤二，内凹夹具体8固定安装在机床上：通过机床装夹系统9的三爪卡盘夹紧内凹夹具体圆柱凸台8-3，完成内凹夹具体8的定位和装夹；步骤三，对刀：通过X轴系统11、Y轴系统5和Z轴系统6的移动以及A轴系统17的旋转，使磨头15的磨削刃部分15-1与凹表面12-1接触，且磨头15轴线与整流罩工件12回转中心线间夹角β介于30°～60°；步骤四，粗磨：采用粒度为60#～120#的金刚石磨头15，磨头主轴系统4驱动磨头15旋转切削，在数控系统3的控制下，使磨头15沿整流罩工件12的YZ方向的母线轨迹运动，同时控制B轴系统10旋转，从而实现凹表面12-1的加工；磨削过程中同时开启冷却系统7喷射冷却液，磨削结束关闭；步骤五，精磨：将磨头15换成粒度为200#～W1的金刚石磨头，继续对工件凹表面12-1进行精密磨削，磨削运动过程同粗磨；磨削过程中同时喷射冷却液，磨削结束关闭；步骤六，化学机械抛光：将磨削刃部分15-1贴上带开槽的抛光垫20，磨头主轴系统4驱动磨头15旋转抛光，抛光运动过程同粗磨；抛光过程中开启抛光液系统16喷射抛光液，抛光结束时关闭抛光液系统16；步骤七，在线检测：采用在线检测系统2均匀的采集抛光后凹表面12-1的点位数据，再将点位数据传输给数控系统3；步骤八，修抛：数控系统3根据接收到的检测数据，与凹表面12-1理论数据进行对比，对不满足加工要求的点位进行修抛，修抛后重新进行检测、修抛，直至抛光至满足加工要求；步骤九，拆卸整流罩工件12，并清洗；(二)凸表面12-2加工步骤：步骤一，整流罩工件12的装夹定位：将外凸夹具体18的凸台型腔18-1与凹表面12-1完全贴合，且整流罩工件12的端面12-3与轴肩18-2端面贴合，贴合面通过加热融化的石蜡19粘贴，待冷却后，整流罩工件12即可完全固定在外凸夹具体18上；其余步骤，即步骤二至步骤九同凹表面12-1加工一致。所述的抛光垫20的材质为聚氨酯。所述的抛光液成分包括磨粒和与溶液部分；溶液的溶剂为去离子水，溶质为氢氧化钠、氨甲基丙醇、山梨醇、十二烷基硫酸钠中的一种或多种混合；磨粒的材质为碳化硅、氧化硅或氧化铝。本专利技术的有益效果：本专利技术通过设计多轴联动数控机床、专用夹具，采用不同粒度的金刚石磨头，配制专用的化学机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工装置，为多轴联动数控机床，其特征在于，包括运动平台、旋转系统、磨头主轴系统(4)、数控系统(3)、冷却系统(7)、抛光液系统(16)、在线检测系统(2)、机床基体(1)、机床装夹系统(9)、专用夹具和磨头(15)；所述的运动平台包括X轴系统(11)、Y轴系统(5)和Z轴系统(6)；所述的旋转系统包括A轴系统(17)和B轴系统(10)；/nY轴系统(5)和Z轴系统(6)为“十字交叉”的直线运动平台模组，安装在机床基体(1)的侧壁上，Y轴系统(5)定义为被加工的整流罩工件(12)的轴线方向，整流罩工件(12)为卧式装夹，Z轴系统(6)定义为竖直上下移动方向；/nX轴系统(11)根据右手坐标系原则确定，在水平面内与Y轴系统(5)垂直，X轴系统(11)安装在机床基体(1)的水平台上，用于移动机床装夹系统(9)；/nA轴系统(17)为绕X轴系统(11)旋转的轴，连接在Z轴系统(6)外壳末端；/n磨头主轴系统(4)的基体与A轴系统(17)的基体相互垂直连接，可驱动磨头(15)旋转，使磨头(15)具有切削力，将整流罩工件(12)表面余量去除；/nB轴系统(10)为绕Y轴系统(5)旋转的轴，与机床装夹系统(9)连接，驱动整流罩工件(12)旋转；/n机床装夹系统(9)可由三爪卡盘组成，水平安装在X轴系统(11)上，卡盘位于竖直方向上，用于定位专用夹具的夹具体，即内凹夹具体(8)或外凸夹具体(18)，整流罩工件(12)固定在专用夹具上，间接实现对整流罩工件(12)的定位夹紧；/n数控系统(3)用于控制机床各轴间的联动，其中：通过控制Y轴系统(5)和Z轴系统(6)的移动，可使磨头(15)的运动轨迹为整流罩工件(12)的母线，同时通过B轴系统(10)的旋转，最终加工出整流罩工件(12)的凹表面(12-1)或凸表面(12-2)的型面；/n磨头(15)安装在磨头主轴系统(4)上，磨削刃部分(15-1)为半球形，其材质为金刚石；/n在线检测系统(2)具备自动扫描、数据传输的功能，可以是集成在机床装置中的一个模块，或是独立的一套检测系统；/n所述的冷却系统(7)和抛光液系统(16)安装在A轴系统(17)的基体上，分别向被加工表面喷射冷却液和抛光液。/n...

【技术特征摘要】
1.一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工装置，为多轴联动数控机床，其特征在于，包括运动平台、旋转系统、磨头主轴系统(4)、数控系统(3)、冷却系统(7)、抛光液系统(16)、在线检测系统(2)、机床基体(1)、机床装夹系统(9)、专用夹具和磨头(15)；所述的运动平台包括X轴系统(11)、Y轴系统(5)和Z轴系统(6)；所述的旋转系统包括A轴系统(17)和B轴系统(10)；
Y轴系统(5)和Z轴系统(6)为“十字交叉”的直线运动平台模组，安装在机床基体(1)的侧壁上，Y轴系统(5)定义为被加工的整流罩工件(12)的轴线方向，整流罩工件(12)为卧式装夹，Z轴系统(6)定义为竖直上下移动方向；
X轴系统(11)根据右手坐标系原则确定，在水平面内与Y轴系统(5)垂直，X轴系统(11)安装在机床基体(1)的水平台上，用于移动机床装夹系统(9)；
A轴系统(17)为绕X轴系统(11)旋转的轴，连接在Z轴系统(6)外壳末端；
磨头主轴系统(4)的基体与A轴系统(17)的基体相互垂直连接，可驱动磨头(15)旋转，使磨头(15)具有切削力，将整流罩工件(12)表面余量去除；
B轴系统(10)为绕Y轴系统(5)旋转的轴，与机床装夹系统(9)连接，驱动整流罩工件(12)旋转；
机床装夹系统(9)可由三爪卡盘组成，水平安装在X轴系统(11)上，卡盘位于竖直方向上，用于定位专用夹具的夹具体，即内凹夹具体(8)或外凸夹具体(18)，整流罩工件(12)固定在专用夹具上，间接实现对整流罩工件(12)的定位夹紧；
数控系统(3)用于控制机床各轴间的联动，其中：通过控制Y轴系统(5)和Z轴系统(6)的移动，可使磨头(15)的运动轨迹为整流罩工件(12)的母线，同时通过B轴系统(10)的旋转，最终加工出整流罩工件(12)的凹表面(12-1)或凸表面(12-2)的型面；
磨头(15)安装在磨头主轴系统(4)上，磨削刃部分(15-1)为半球形，其材质为金刚石；
在线检测系统(2)具备自动扫描、数据传输的功能，可以是集成在机床装置中的一个模块，或是独立的一套检测系统；
所述的冷却系统(7)和抛光液系统(16)安装在A轴系统(17)的基体上，分别向被加工表面喷射冷却液和抛光液。


2.根据权利要求1所述的一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工装置，其特征在于，
所述专用夹具包括内凹夹具体(8)、外凸夹具体(18)和夹紧环(13)；
内凹夹具体(8)的一端设有凹型腔(8-1)，凹型腔(8-1)尺寸形状与整流罩工件(12)的凸表面(12-2)一致，且该端面设有至少4个螺纹孔(8-2)，另一端设有内凹夹具体圆柱凸台(8-3)，用于与机床装夹系统(9)定位连接；
夹紧环(13)为圆环形，内径尺寸介于整流罩工件(12)的内径与外径之间，且夹紧环(13)上设有与内凹夹具体(8)上的螺纹孔(8-2)对应的通孔，整流罩工件(12)置于夹紧环(13)与内凹夹具体(8)间，螺栓(14)通过通孔将夹紧环(13)与内凹夹具体(8)连接固定，实现整流罩工件(12)定位夹紧；
外凸夹具体(18)一端设有与整流罩工件(12)的凹表面(12-1)尺寸形状一致的凸台型腔(18-1)，另一端设有外凸夹具体圆柱凸台(18-3)，用于与机床装夹系统(9)定位连接，凸台型腔(18-1)与外凸夹具体圆柱凸台(18-3)之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振宇，廖龙兴，谢文祥，刘杰，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21