飞机机翼钛合金薄壁腹板高效数控加工专用夹具的制作方法
【专利摘要】飞机机翼钛合金薄壁腹板高效数控加工专用夹具，包括平台板，平台板上设有连接孔，平台板上设有支撑板，支撑板四周分别通过一个快速锁紧销与平台板上的连接孔定位连接，支撑板上均匀设有辅助支撑块，支撑板上设有位于所有辅助支撑块外部的定位块，定位块设有两条平行的下长孔，下长孔内穿设有用于将定位块与支撑板固定连接的紧固螺栓，每个定位块上均设有一个定位销孔，定位块上设有螺杆，螺杆穿设有压板，压板上设有用于穿过螺杆的上长孔，螺杆螺纹连接有压紧压板的螺母，定位块上设有支撑螺栓，支撑螺栓上端与压板下表面接触。本实用新型采用柔性设计，使用一套夹具实现腹板所有位置的加工，定位精准，通用性好，大大降低零件的制造成本。
【专利说明】飞机机翼钛合金薄壁腹板高效数控加工专用夹具
【技术领域】
[0001]本实用新型属于机械加工【技术领域】，尤其涉及一种飞机机翼钛合金薄壁腹板高效数控加工专用夹具。
【背景技术】
[0002]钛合金比强度高，强度接近于普通钢，密度是4.5g/cm3 ;热强度高，450?500°C强度依然保持很高；抗蚀性好，在潮湿的大气和海水中，抗蚀性优于不锈钢；化学活性大，力口工中易与大气中的O、N形成硬化层；导热系数小，只有铁的1/5，切削区温度高；弹性模量小，切削时回弹大，对后刀面磨损较为严重。
[0003]飞机机翼构件必须具备足够的强度、刚度和抗疲劳的能力，抵抗各种内外载荷引起的变形，以保证空气动力外形的精确度。同时还应使构件的重量最轻。机翼的受力构件主要有纵向骨架、横向骨架、蒙皮和接头，薄壁腹板为骨架的主要零件，整个骨架的剪力主要由腹板承受，多由钛合金制造，剖面大多是“工”字形、“T”形或“]”形，随着翼梁承载能力要求的增大，高速军用机常用整体制造的腹板。
[0004]目前，制约钛合金薄壁腹板高效加工客观条件主要有:(I)钛合金材料导热性差，绝大多数切削热不能被切屑带走，刀具刀尖点的温度高，因回弹刀具后刀面磨损严重；(2)钛合金高效加工对工艺系统的刚性也是极大的挑战。
[0005]飞机结构整体化与薄壁化设计越来越广泛应用，这对钛合金高效加工的工艺设计也同样带来了极大的挑战。钛合金产品的价值昂贵，工艺流程设计风险控制方案必须提高到一个新的层次上研究。
实用新型内容
[0006]本实用新型为了解决现有技术中的不足之处，提供一种加工过程无应力、稳定性好、不易变形、加工精度高、效率高的飞机机翼钛合金薄壁腹板高效数控加工专用夹具。
[0007]为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案:飞机机翼钛合金薄壁腹板高效数控加工专用夹具，包括平台板，平台板上设有连接孔，平台板上设有支撑板，支撑板四周分别通过一个快速锁紧销与平台板上的连接孔定位连接，支撑板上均匀设有若干个用于支撑腹板的辅助支撑块，支撑板上设有位于所有辅助支撑块外部的定位块，辅助支撑块上设有与支撑板连接的插孔，插孔内设有插在支撑板上的插销，定位块设有两条平行的下长孔，下长孔内穿设有用于将定位块与支撑板固定连接的紧固螺栓，每个定位块上均设有一个定位销孔，定位块上设有螺杆，螺杆穿设有压板，压板上设有用于穿过螺杆的上长孔，上长孔与下长孔平行，螺杆螺纹连接有压紧压板的螺母，定位块上设有支撑螺栓，支撑螺栓上端与压板下表面接触。
[0008]所述定位块一共设有八个，所述定位块在支撑板前部和后部分别设有一个、在支撑板左侧和右侧分别设有三个，左侧的三个定位块位于同一圆弧上，右侧的三个定位块位于同一圆弧上，左侧的三个定位块和右侧的三个定位块关于前部定位块和后部定位块之间的连线对称。
[0009]采用上述技术方案，飞机机翼钛合金薄壁腹板高效数控加工工艺，包括以下步骤:
[0010](I)、下料；
[0011](2)、加工腹板外轮廓，加工出用于定位耳片；
[0012](3)、装夹腹板，加工腹板正面的型腔；
[0013](4)、加工腹板侧壁:
[0014](5)、腹板快速转换，加工腹板反面的型腔和腹板侧壁；
[0015](6)、铣去定位耳片；
[0016](7)、质量检验。
[0017]所述步骤(I)具体为，采用材料牌号为T1-6A1_4V的板材，使用切割机将板材呈长方形，进行退火、室温力学性能σ b=895MPa，下料尺寸在腹板外形设计尺寸的基础上双边增加2mm的加工余量。
[0018]所述步骤(2)具体包括以下步骤，
[0019]A、加工板材的六个面:使用通用夹具将腹板夹紧在数控铣床上，将长方形板材的六个面均作为加工面，加工后保证相邻面垂直度0.1，相对面平行度0.1，采用大直径钨钴(YG)类硬质合金面铣刀，铣刀刀片采用小的前角，大的后角，刀尖采用圆弧刃，每齿进给量0.5mm，切削深度1.5mm，径向切削宽度小于刀具直径的1/3 ;切削速度50m/min ；
[0020]B、加工腹板的外轮廓和定位耳片:以板材底面及两个相邻侧面为定位面，使用压块将板材顶面和侧面压紧到数控铣床的工作台上；先进行粗加工，粗加工刀具为钨钴(YG)类整体螺旋立铣刀，轮廓切削速度47m/min，每齿进给量0.057mm，径向切削宽度小于等于刀具直径的1/3，切削深度等于刀具直径的0.5?I倍；再进行精加工，精加工外轮廓刀具材质同粗加工，轮廓切削速度68m/min，每齿进给量0.045mm，径向切削宽度为1mm，切削深度等于刀具直径的I?2倍；加工好定位耳片后，在定位耳片上进行钻孔，钻头为整体式硬质合金钻头，直径11.8mm，每转进给量0.15mm，切削速度25 m/min ;孔的精加工刀具为整体硬质合金铰刀，切削速度15 m/min，每齿进给量0.05?0.1_。
[0021]所述步骤(3)具体包括以下步骤，
[0022](A)、在数控机床之外将带定位耳片的腹板放置到支撑板上，腹板放置到辅助支撑块上，定位块与定位耳片一一对应布置，定位块上的定位销孔与定位耳片上的孔之间通过圆柱销和菱形销定位连接，校准腹板，压板内侧下表面紧压在定位耳片上表面；接着使用行车将平台板吊装到数控机床上，对数控加工原点找正；
[0023](B)、腹板的加工即指对型腔的底面加工，腹板最终加工厚度为4mm，腹板侧壁厚4mm,留加工余量Imm ;采用的刀具为钨钴类整体螺旋立铣刀，其中刀具的底刃对腹板的变形影响最大，以最小切削力为目标，确定底刃前角为13° ,后角为17° ,螺旋角为36°，层间下刀采用螺旋斜坡铣削，下刀点在腹板对称中心位置，走刀轨迹设计从中心位置下刀环切，环的形状同型腔侧壁所围成的图形形状，即先加工中间再加工四周，保证刀具在加工时，受向下的轴向力作用，使腹板有向下的趋势，腹板不会被带起，有助于提高零件刚性，提高零件表面粗糙度，切削速度28 m/min,每齿进给量0.03?0.05mm,切削深度小于等于刀具直径的0.5倍,统削方向以顺统方式统削。
[0024]所述步骤(4)具体包括以下步骤，
[0025](A)、转角圆弧加工:腹板的型腔加工后在转角处留下较大加工余量，转角圆弧加工选用与零件设计转角大小一致的硬质合金整体插铣刀，沿刀具轴线作复合运动，其切削速度35?40 m/min，每齿进给量0.04mm，切削宽度不超过刀片的刃长；
[0026](B)、沿腹板侧壁一圈进行切削加工:采用细晶粒硬质合金整体式铣刀，刀具直径10mm，铣削速度70m/min，每转进给量0.24mm，粗加工径向切削宽度I?3mm，精加工切削余量不小于0.1mm。
[0027]所述步骤(5)具体包括以下步骤，
[0028]腹板上表面加工完成后，将压板松开，竖直向上取出腹板，将腹板翻转180°，再将定位块和定位耳片使用圆柱销或菱形销连接，完成工装更换，无需重新找正其后任一零件的加工原点，然后直接进行数控加工，加工工序与步骤(3)中的(B)步骤和步骤(4)相同。
[0029]所述步骤(6)具体为，选择其中任何两个距离相对较远且不在同一直线的两个定位耳片上的孔定位，使用压板压紧这两个定位耳片，铣去其他的耳片，最后更换压板位置，铣去定位的两个耳片。
[0030]所述步骤(7 )具体为，
[0031](A)、对变形量检测:首先将零件放置到检验平板上，沿轮廓最大尺寸方向移动百分表，测量其变形量；
[0032](B)、对腹板的型腔几何尺寸检测:将零件放置到三坐标测量仪工作台上，用三坐标测量仪检测。
[0033]上述加工工艺，具有以下技术效果:
[0034](I)、毛坯(板材)设计时在腹板内外缘按一定距离分布定位耳片，定位耳片在腹板腔体数控加工前首先对定位耳片上下表面及孔进行精加工，在后续的加工中这些孔和面即可以在加工前作为校正基准，也可作为装夹面，使工件定位稳定、可靠、统一；
[0035](2)、本实用新型采用柔性设计。因腹板类零件都是双面型腔，需要在多个工位加工，如果每个工位设计一套夹具，会大大提高夹具费用；在夹具底板上按零件定位耳片位置设计定位块，这样就可以使一套夹具实现零件所有位置的加工，定位精准，通用性好，大大降低零件的制造成本；
[0036]( 3 )、粗加工走刀轨迹设计:数控加工走刀轨迹设计时从每个小的封闭型腔的中心位置下刀环切，环的形状同型腔侧壁所围成的图形形状，并且先加工中间再加工四周，这样可以保证刀具在加工时，受向下的轴向力作用，使腹板有向下的趋势，腹板不会被带起，有助于提闻零件刚性，提闻零件表面粗糖度；
[0037](4)、半精加工转角插铣技术。粗加工时采用刀具直径较大，导致给精加工刀具在转角处余量加大，如果不处理，会对精加工刀具使用寿命和零件质量造成负面影响。采用插铣，使刀具竖直连续运动，高效地对余量进行去除，因插铣加工的径向力较小，这样就有可能使用更细长的刀具，而且保持较高的材料切削速度，对于钛合金这些难加工材料的刀具悬伸长度较大的加工，其加工效率远远高于常规的层铣削加工，并使精加工切削余量均匀，避免刀具在转角处折刀和掉刀问题；
[0038](5)、钛合金浅切大进给高效加工技术。该技术适应了很多机床刚性不足问题，使加工效率大幅度提升；加工过程中切削力进一步减小，加工中的热变形相对较小，减少了中间热处理校正工序，夕卜轮廓尺寸3750 X 160 X 160 (mm)的外形轮廓容差控制在±0.3mm之内，降低了生产周期和加工成本。
[0039]( 6 )、快速换装技术。钛合金薄壁腹板的高效数控加工工艺采用快速换装技术可使装夹平均耗时占总体的26%降低到1%，装夹时间占用数控机床率降低了 25%，重复定位精度达到±0.013_，从而大幅度提高数控机床加工效率。
[0040]综上所述，采用本实用新型的腹板加工工艺通过提供一种以定位耳片为加工基准和柔性专用夹具设计方案提高加工工艺系统的刚度，实现无应力加工；其次，通过优化设计走刀轨迹，提高加工过程的稳定性，提高加工速度；再次，采用钛合金浅切大进给铣削工艺参数，减少加工中的热变形，取消校正工序，提高金属去除率30%?50%，最终显著提高其加工效率；最后，采用快速换装技术显著缩短工件的装夹时间，并确保装夹的重复定位精度，从而大幅度提高数控机床加工效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1是带定位耳片的薄壁腹板的平面结构示意图；
[0042]图2是薄壁腹板夹持在本实用新型上的结构示意图；
[0043]图3是图2中A-A剖视图；
[0044]图4是图2中B-B剖视图；
[0045]图5是粗加工薄壁腹板型腔时走刀轨迹的示意图；
[0046]图6是薄壁腹板上转角圆弧的示意图；
[0047]图7是图6中C处的放大图；
[0048]图8是图7中转角圆弧在A向展开后插铣走刀轨迹的示意图；
[0049]图9是本实用新型的平面示意图。
【具体实施方式】
[0050]如图2、图3、图4和图9所示，飞机机翼钛合金薄壁腹板高效数控加工专用夹具，包括平台板5，平台板5上设有连接孔6，连接孔6设置若干个，连接孔6用于将平台板5固定在数控机床上，平台板5上设有支撑板7，支撑板7四周分别通过一个快速锁紧销8与平台板5上的连接孔6定位连接，支撑板7上均匀设有若干个用于支撑腹板I的辅助支撑块9，支撑板7上设有定位块10，辅助支撑块9上设有与支撑板连接的插孔，插孔内设有插在支撑板上的插销，定位块10设有两条平行的下长孔14，下长孔14内穿设有用于将定位块10与支撑板7固定连接的紧固螺栓20，每个定位块10上均设有一个定位销孔，定位块10上设有螺杆15，螺杆15穿设有压板16，压板16上设有用于穿过螺杆15的上长孔21，上长孔21与下长孔14平行，螺杆15螺纹连接有压紧压板16的螺母17，定位块10上设有支撑螺栓18，支撑螺栓18上端与压板16下表面接触。
[0051]定位块10—共设有八个，所述定位块10在支撑板前部和后部分别设有一个、在支撑板左侧和右侧分别设有三个，左侧的三个定位块10位于同一圆弧上，右侧的三个定位块10位于同一圆弧上，左侧的三个定位块10和右侧的三个定位块10关于前部定位块10和后部定位块10之间的连线对称。
[0052]如图1?图9所示，采用本实用新型的飞机机翼钛合金薄壁腹板高效数控加工工艺，包括以下步骤:
[0053](I)、下料；
[0054](2)、加工腹板I外轮廓，加工出用于定位耳片2 ；
[0055](3)、装夹腹板I，加工腹板I正面的型腔3 ；
[0056](4)、加工腹板侧壁4:
[0057](5)、腹板I快速转换，加工腹板I反面的型腔3和腹板侧壁4 ；
[0058](6)、铣去定位耳片2 ；
[0059](7)、质量检验。
[0060]所述步骤(I)具体为，采用材料牌号为T1-6A1_4V的板材，使用切割机将板材呈长方形，进行退火、室温力学性能ob=895MPa，下料尺寸在腹板I外形设计尺寸的基础上双边增加2mm的加工余量。
[0061]所述步骤(2)具体包括以下步骤，
[0062]A、加工板材的六个面:使用通用夹具将腹板I夹紧在数控铣床上，将长方形板材的六个面均作为加工面，加工后保证相邻面垂直度0.1，相对面平行度0.1，采用大直径钨钴(YG)类硬质合金面铣刀，铣刀刀片采用小的前角，大的后角，刀尖采用圆弧刃，每齿进给量0.5mm，切削深度1.5mm，径向切削宽度小于刀具直径的1/3 ;切削速度50m/min ；
[0063]B、加工腹板I的外轮廓和定位耳片2:以板材底面及两个相邻侧面为定位面，使用压块将板材顶面和侧面压紧到数控铣床的工作台上；先进行粗加工，粗加工刀具为钨钴(YG)类整体螺旋立铣刀，轮廓切削速度47m/min，每齿进给量0.057mm，径向切削宽度小于等于刀具直径的1/3，切削深度等于刀具直径的0.5?I倍；再进行精加工，精加工外轮廓刀具材质同粗加工，轮廓切削速度68m/min，每齿进给量0.045mm，径向切削宽度为1mm，切削深度等于刀具直径的I?2倍；加工好定位耳片2后，在定位耳片2上进行钻孔，钻头为整体式硬质合金钻头，直径11.8mm，每转进给量0.15mm，切削速度25 m/min ;孔的精加工刀具为整体硬质合金铰刀，切削速度15 m/min，每齿进给量0.05?0.1mm。
[0064]在腹板I数控加工型腔3前首先对定位耳片2上下表面及孔进行精加工，因薄壁腹板I都是双面型腔3，防止加工变形是工艺难点，在后续的型腔3加工前，定位耳片2即可作为腹板I装夹面，又可将定位耳片2的平面和孔作为装夹找正基准，通过百分表测量定位耳片2的平面度和孔位找正工件，可使工件定位稳定、可靠、统一。
[0065]所述步骤(3)具体包括以下步骤，
[0066](A)、在数控机床之外将带定位耳片2的腹板I放置到支撑板7上，腹板I放置到辅助支撑块9上，定位块10与定位耳片2 —一对应布置，定位块10与定位耳片2之间通过圆柱销12和菱形销13定位连接，校准腹板1，压板16内侧下表面紧压在定位耳片2上表面；接着使用行车将平台板5吊装到数控机床上，对数控加工原点找正；
[0067](B)、腹板I的加工即指对型腔3的底面加工，腹板I最终加工厚度为4mm，腹板侧壁4厚4mm，留加工余量Imm ;采用的刀具为钨钴类整体螺旋立铣刀，其中刀具的底刃对腹板I的变形影响最大，以最小切削力为目标，确定底刃前角为13° ,后角为17° ,螺旋角为36°，层间下刀采用螺旋斜坡铣削，下刀点在腹板I对称中心位置，走刀轨迹设计从中心位置下刀环切，环的形状同型腔3侧壁所围成的图形形状，如图5所示的箭头指向，即先加工中间再加工四周，保证刀具在加工时，受向下的轴向力作用，使腹板I有向下的趋势，腹板I不会被带起，有助于提高零件刚性，提高零件表面粗糙度，切削速度28 m/min,每齿进给量0.03?0.05mm，切削深度小于等于刀具直径的0.5倍，铣削方向以顺铣方式铣削。
[0068]在定位夹紧过程中，根据两孔一面原则以跨度最远的薄壁腹板I两孔作为定位面，以图2中带圆柱销12和带菱形销13的定位块10与定位面配合；以定位耳片2的下平面作为定位面，以图2中的定位块10与定位基准配合；在跨度超过300mm的位置或者当零件翻转加工另一面时在已经加工后的型腔3部位增加辅助定位块10。因腹板I类零件都是双面型腔3，需要在多个工位加工，如果每个工位设计一套夹具，会大大提高夹具费用。在支撑板7上按零件定位耳片2位置设计定位块10，这样就可以使一套夹具实现零件所有位置的加工，大大降低零件的制造成本。
[0069]所述步骤(4)具体包括以下步骤，
[0070](A)、转角圆弧19加工:腹板I的型腔3加工后在转角处留下较大加工余量，转角圆弧19加工选用与零件设计转角大小一致的硬质合金整体插铣刀，沿刀具轴线作复合运动，其切削速度35?40 m/min，每齿进给量0.04mm，切削宽度不超过刀片的刃长；
[0071](B)、沿腹板侧壁4 一圈进行切削加工:采用细晶粒硬质合金整体式铣刀，刀具直径10mm，铣削速度70m/min，每转进给量0.24mm,粗加工径向切削宽度I?3mm，精加工切削余量不小于0.1mm。
[0072]因受刀具直径限制，粗加工后在转角处余量较大，采用插铣进行转角余量的半精加工，使刀具竖直连续运动，高效地对余量进行去除，并且因插铣加工的径向力较小，这样就有可能使用直径较小的刀具，保持较高的材料切削速度，使精加工切削余量均匀，避免刀具在转角处折刀和掉刀问题。这种切削方式适应了很多机床刚性不足问题，使加工效率大幅度提升；加工过程中切削力进一步减小，加工中的热变形相对较小，减少了中间热处理校正工序，降低了生产周期和加工成本。如图8所示，箭头指向为插铣刀行进路线，切削轨迹为实线，退刀轨迹为虚线。
[0073]所述步骤(5)具体包括以下步骤，
[0074]腹板I上表面加工完成后，将压板16松开，竖直向上取出腹板1，将腹板I翻转180°，再将定位块10和定位耳片2使用圆柱销12或菱形销13连接，完成工装更换，无需重新找正其后任一零件的加工原点，然后直接进行数控加工，加工工序与步骤(3)中的(B)步骤和步骤(4 )相同。
[0075]所述步骤(6)具体为，选择其中任何两个距离相对较远且不在同一直线的两个定位耳片2上的孔定位，使用压板16压紧这两个定位耳片2，铣去其他的耳片，最后更换压板16位置，铣去定位的两个耳片。
[0076]所述步骤(7 )具体为，
[0077](A)、对变形量检测:首先将零件放置到检验平板上，沿轮廓最大尺寸方向移动百分表，测量其变形量；
[0078](B)、对腹板I的型腔3几何尺寸检测:将零件放置到三坐标测量仪工作台上，用三坐标测量仪(型号为ALPH000127)检测。
[0079]另外，若批量加工薄壁腹板1，为实现高效数控加工的目标，可通过快速锁紧销8实现平台板5与支撑板7之间的定位与快速夹紧。其主要快速换装过程是:(I)在数控机床机外将腹板I板材放置到支撑板7上，校准工件后定位夹紧；(2)通过平台板5的连接孔6固定在数控机床上，完成数控加工原点找正；(3)直接开始进行数控加工；(4)前一件加工完成后，将专用夹具拆卸，将带有零件的另外一套支撑板7、辅助支撑块9及定位块10放置平台板5上，完成定位和夹紧，专用夹具更换，直接进行数控加工，无需重新找正其后任一零件的加工原点。(5)加工完这一批薄壁腹板I的上表面后，在整批对另一面进行加工，力口工过程与上述步骤(I) - (4)相同。
[0080]以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.飞机机翼钛合金薄壁腹板高效数控加工专用夹具，其特征在于:包括平台板，平台板上设有连接孔，平台板上设有支撑板，支撑板四周分别通过一个快速锁紧销与平台板上的连接孔定位连接，支撑板上均匀设有若干个用于支撑腹板的辅助支撑块，支撑板上设有位于所有辅助支撑块外部的定位块，辅助支撑块上设有与支撑板连接的插孔，插孔内设有插在支撑板上的插销，定位块设有两条平行的下长孔，下长孔内穿设有用于将定位块与支撑板固定连接的紧固螺栓，每个定位块上均设有一个定位销孔，定位块上设有螺杆，螺杆穿设有压板，压板上设有用于穿过螺杆的上长孔，上长孔与下长孔平行，螺杆螺纹连接有压紧压板的螺母，定位块上设有支撑螺栓，支撑螺栓上端与压板下表面接触。
2.根据权利要求1所述的飞机机翼钛合金薄壁腹板高效数控加工专用夹具，其特征在于:所述定位块一共设有八个，所述定位块在支撑板前部和后部分别设有一个、在支撑板左侧和右侧分别设有三个，左侧的三个定位块位于同一圆弧上，右侧的三个定位块位于同一圆弧上，左侧的三个定位块和右侧的三个定位块关于前部定位块和后部定位块之间的连线对称。
【文档编号】B23Q3/06GK204036079SQ201420514318
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2014年9月9日
【发明者】范彩霞, 路素青, 张发厅, 马志国, 高德峰 申请人:黄河科技学院