[发明专利]薄壁蜂窝结构件加工的非接触辅助支撑装置

说明书

本发明公开了薄壁蜂窝结构件加工的非接触辅助支撑装置。装置包含机床、桁架、随动运动器、工作台、夹具、工件、主轴、刀具、末端执行器、力传感器、第一气路接头、第二气路接头、气压力传感器。主轴能够驱动刀具对工件进行高速旋转铣削，末端执行器通过恒压气泵对气流输入或输出与工件之间形成增压气路或者负压气流，对工件施加空间矢量力；机床能够驱动工作台相对刀具做进给运动，通过调节末端执行器与工件的相对空间间隙实现调整非接触随动支撑推力或非接触随动支撑拉力的大小，实时维持刀具对工件稳定的高速旋转铣削。本发明的装置能够有效避免高速旋转铣削过程中的过切现象和冲击振动的发生。

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，具体涉及的是一种薄壁蜂窝结构件加工的非接触辅助支撑装置。

背景技术

薄壁蜂窝结构目的是为了减轻本体重量，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。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。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。

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。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，而且，镜像铣削主要用于薄壁结构腹板铣削。