一種大尺寸薄壁曲面零件精密補償加工技術研究

李洋，崔鑫，鄭驥，李俊文，王元軍

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

0 引言

大尺寸類球面薄壁零件廣泛應用于各種壓力貯箱容器，該類型零件是型面復雜、輪廓精度高、壁厚薄且要求嚴格的一類空間曲面弱剛度薄壁結構件，該薄壁產品質量對貯箱整體性能至關重要，其原有加工多依賴化學銑削進行材料去除和壁厚控制，隨著制造綠色化的趨勢，機械銑削代替化學銑削成為不可逆的趨勢，但其弱剛度、薄壁、復雜型面的特點是數控加工的一個難點，在加工過程中存在裝夾困難、加工變形難以控制、壁厚不均勻的問題，傳統加工工藝難以滿足設計要求，且加工勞動強度高、效率低。

1 機械加工方案

1.1 產品簡介

該工件為直徑3.3 m的薄壁類半球面整底的組成部分，其面積約占半球面的1/8。機械加工允許內型面不加工，僅對外型面進行整體減薄并加工下陷及凸臺特征，零件成品下陷最薄處要求約為（0.9±0.15）mm，對拉彎后的工件按200 mm間距一測量點進行壁厚及型面法向誤差掃描測量，型面誤差云圖如圖1所示，測量數據如表1所示。

圖1 型面誤差云圖

表1 工件數據實測值表 mm

可知拉彎成型后的工件存在板厚誤差大、曲面形貌與理論型面偏差較大等問題，此外，經敲擊按壓發現工件剛度較差。傳統加工方式難以保證工件壁厚及型面尺寸，急需新方法來解決加工中的工件各件異性及加工變形問題，實現弱剛度零件的恒剛度切削，從而保證尺寸精度。

1.2 加工方案

針對工件存在的板厚誤差大、曲面形貌與理論型面偏差較大及工件剛度較差等問題，采用在位測量與在線測量相結合的補償技術來保證加工精度。利用非接觸式激光掃描儀對工件內型面進行掃描，得到工件的實際基準型面點位數據集，借助逆向技術將采集到的點位數據轉化成片體，生成加工毛坯，將理論輪廓投影至實際加工毛坯外型面即得到了精確的加工模型，克服實際型面形貌與理論型面偏差較大帶來的加工誤差。然后在加工過程中使用超聲波測厚儀進行壁厚實時測量及自動補償，通過兩種方式的互補組合，配合分層分區域銑削方案，有效減輕薄壁件的切削變形，提高切削質量及加工效率。

2 機械加工過程

工件加工銑削過程工藝流程如圖2所示。

圖2 機械加工工藝流程

采用分層銑削的加工方法，根據毛坯料和最終零件的厚度尺寸及其加工過程中的變形情況，選取0.1～3 mm不等的分層銑削方案，其中粗加工一般選用單層1～3 mm不等的方案，精加工可分1～2層進行。

因補償加工刀路限制，使用傳統封閉型腔加工方式初始下刀時因存在滿吃刀及吃刀深度突變的情況，切削工況最不穩定，導致工件、設備振動幅度較大，極易發生讓刀甚至過切現象，降低加工精度，同時縮短機床與刀具壽命。對每處下陷區域采用增加進刀導引線的方式，人為將進刀路徑及時間拉長，使進刀適當平滑過渡，可大大降低去除量突變的發生、減少振動變形，有利于保障加工精度、提高刀具等設備工具壽命。

2.1 自適應隨動支撐

采用鏡像銑隨動支撐內五軸裝置提供銑削區域法向支撐力，從而保證零件厚度方向的有效約束及整體剛度，隨動支撐內五軸裝置與外五軸主軸頭鏡像運動，內五軸支撐頭與外五軸軸線一致，始終保持沿內型面法向，保證點向點法向支承與銑切，保證加工部位及整個切削系統均有足夠剛度，避免加工振顫對壁厚精度及表面質量帶來不利影響。其原理及實物如圖3所示。

2.2 在位測量補償

由于工件制造誤差及裝夾誤差的存在，裝夾固定后難以確定工件基準內型面的實際形貌，利用非接觸式激光掃描儀對工件內型面進行掃描（如圖3），激光掃描測量方法通過接收照射在工件表面并反射回的調制激光信號實現測量，測量的數據形成由大量點位組成的點的集合，即點云。點云反映了物體被測型面的輪廓，可以用作型面的擬合或逆向。某型面的點云測量如圖4所示。

圖3 自適應隨動支撐

圖4 激光掃描內型面

具體過程如下：1）以一定頻率采集內型面采樣點點位數據，得到點云文件；2）逆向擬合生成工件實際內型面片體，得到實際加工所需基準曲面，如圖5所示。其中，采樣點密度及采樣頻率對加工精度有較大影響，可根據工件公差要求及型面偏差情況進行調整。

圖5 點云逆向轉化成掃描體

2.3 在線測量補償加工

鈑金成型的工件內型面的實際空間形狀難以預測，型面各處存在同板差，同時工件弱剛度特點致使加工過程中會發生隨機形變，直接采用理論加工程序無法保證等壁厚機械銑削的加工需求。本方案采用超聲波測厚自動補償技術，如圖6所示。該方案將超聲波測厚裝置集成在隨動支撐機構上，首先利用超聲波測量原理對特征刀位點進行壁厚實時測量，并由測到的厚度值插值得到所有刀位點厚度值，進而補償加工量，完成補償加工，補償示意圖如圖7所示，該方案可一定程度克服加工過程中無規律變形對加工精度的影響，保證剩余厚度。

圖6 在線測量補償加工系統

圖7 補償示意圖

2.4 加工效果

工件原材料壁厚為6 mm，分粗精加工進行銑削，其中粗加工單層最大切深為2 mm,精加工最大切深為0.5 mm,分層加工至要求壁厚，為滿足使用要求將最終加工壁厚值設置為0.95，加工過程中采集壁厚數據7500余個，其數據折線圖如圖8所示。

圖8 0.9下陷區實測壁厚數據

由數據圖可知，下陷區域加工后，壁厚實測值在0.85～1.05 mm之間，滿足（0.9±0.15）mm的設計要求，實際偏差僅在0.2 mm以內。從圖中可直觀看出，多數壁厚數據在0.9～1.0 mm之間，但仍有少量數據偏離理論值0.95 mm較大，經分析，造成該種現象的原因是工件內型面存在局部小區域凸起或凹坑，測量補償系統相對于進給速度有一定遲滯，在不改變補償系統的情況下，可通過改變進給速度配置來一定程度上改善精加工的壁厚突變問題。

3 結語

通過在位測量補償與在線測量補償加工配合，解決了不規整輪廓的大尺寸弱剛度薄壁曲面工件壁厚尺寸機械加工難題。加工過程克服了理論型面與實際型面偏差較大造成的困難，切削系統振動及工件變形得到了有效控制。加工完成后工件表面質量及壁厚在內尺寸精度均滿足目標要求。為該類型零件后續機械銑削替代化學銑削的應用儲備了技術與經驗。