[发明专利]基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备及方法

说明书

本发明公开了基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备及方法，薄壁件镜像铣削系统包括铣削系统、工作台和支撑系统，铣削系统包括主轴，主轴的端部安装有铣刀，支撑系统包括支撑头，铣削系统还包括传感器，支撑头在轴向上设置有中心通孔，还包括供气系统和用于实现自动控制的工控机，所述供气系统中设置有泵和阀门；切削过程中由传感器实时采集铣刀的削力方向和幅值数据，当轴向切深较小的工况下，支撑头的中心通孔通过流向薄壁件背面的高压气流，产生对薄壁件的推力以阻止薄壁件和铣刀发生分离从而避免冲击振动的发生；在轴向切深较大的工况下，支撑头的中心通孔通过远离薄壁件背面的高压气流，产生对薄壁件的拉力从而避免过切的发生。

技术领域

本发明涉及弱刚性薄壁构件的高效高精度加工领域，具体涉及基于随动非接触支撑的薄壁件镜像铣削装备及方法。

背景技术

薄壁结构广泛应用在航天航空工程中，目的是为了减轻航天器的本体重量，提高运载能力，这些薄壁结构的特点包括空间尺寸大，型面复杂。早期，由于加工技术落后，通常采用分步制造，然后装配成型的方法加工这些薄壁结构，即一个复杂的大型结构件通常被分解为许多具有简单拓扑结构且容易加工的零件，这些具有简单拓扑结构的零件加工完毕后，通过焊接或铆接获得最终薄壁结构。铆接或焊接加工的薄壁结构在连接处强度和一致性难以保证，失效通常发生在铆接缝或者焊接缝处。

为提高薄壁结构的强度和一致性，提出了整体式加工方法，即通过材料去除直接从一整块毛料加工出薄壁件的最终结构。整体式加工方法能使零件获得良好的一致性。目前，一般采用化学铣削(以下简称化铣)和高速铣削的方式实现薄壁结构的整体式加工。

化铣又称工业刻蚀，是通过化学溶剂与被加工工件发生化学反应，从而去除需要加工的部分，以期达到成型的目的一种加工方法，其属于减材制造工艺。化铣加工过程中，在不需要加工的表面涂上耐腐蚀涂层，然后浸入装有腐蚀液的化铣槽实现化铣。化铣是薄壁结构整体式加工的一种传统方法，其主要用于按需去除毛料表面一部分厚度，非常适合加工多框类零件，其加工成本低，生产效率高，但化铣柔性差、精度差、对环境污染大而且工艺复杂。

高速铣削能克服化铣的缺点，与化铣相比，高速铣削生产率高、加工精度高、柔性高且更加环保，因此，其被广泛用于薄壁结构的整体加工。高速铣削切削力低，但由于薄壁结构刚性差，即使较小的切削力也能使薄壁结构发生变形，从而影响工件加工后的尺寸精度和形状精度，针对此，研究人员目前提出了许多解决方案，其中比较典型的薄壁件刚度和阻尼增强的方式包括靠模支撑、多点阵列支撑、随动支撑。

靠模支撑是根据薄壁结构背面的形状设计相应的模具，然后通过模具把整个结构的背面支撑起来，从而大幅度加强薄壁件的刚性和阻尼的支撑方式，靠模支撑原理如图1所示。多点阵列支撑是在薄壁结构背面几个关键点施加支撑，这些关键点通常位于某阶模态位移最大的地方，支撑点数会根据理论研究，实验结果或是仿真结果等决定。多点阵列支撑原理图如图2所示。与靠模支撑、多点阵列支撑相比，随动支撑技术发生了根本改变，首先是支撑单元由原来的整面支撑或者多点支撑变为单点支撑；其次，靠模支撑或是多点支撑中支撑单元固定不动，而随动支撑具有与铣刀相同的进给速度，即在铣削过程中，支撑单元会随着刀具的移动而移动，支撑点随着刀尖点实时改变，如图3所示。

薄壁结构加工过程中，通过侧壁铣削或者腹板铣削最终成型，侧壁铣削是通过铣刀的测刃对材料进行去除，部分底刃也参与铣削加工，侧壁铣削加工过程中，薄壁件主要沿着垂直于进给方向变形；腹板铣削主要是通过刀具的底刃进行材料去除，腹板铣削加工过程中，薄壁件主要沿着刀具轴向变形。如图4所示薄壁框，侧壁结构是通过侧壁铣削加工获得，框底结构则是通过腹板铣削获得，其他具有复杂几何形状的薄壁件一般也是通过侧壁铣削或者腹板铣削最终成型，由前文分析可知，镜像铣削主要用于薄壁结构腹板铣削。