一种构件多次刻型、化铣制造方法与流程

本发明属于激光加工制造技术领域，涉及一种构件多次刻型制造方法，尤其适用于对复杂、薄壁构件进行多次刻型、化铣制造。

背景技术：

在航空航天领域，为了满足航空装备轻量化的设计要求，航空航天产品中设计了多类具有复杂曲面的薄壁零件；为了进一步减重，又不影响其结构强度，国际上普遍采用刻型化铣的方式实现减重。

国内早期，航空航天制造商的刻型手段为手工刀刻方式，由于工人的工艺水平参差不齐，因此存在效率低、精度差、质量稳定性不高等缺点，不能满足现代航空航天产品的要求。

近些年，随着激光制造技术的不断发展，利用激光与数字化制造工艺结合的激光刻型，体现出生产周期短、尺寸精度高、产品可靠性强等优点，可以满足一些复杂曲面构件表面精确、高效刻型的要求。国内的航空航天制造商采购了一批国外的激光制造设备，例如prima公司的laserdyne系列高精度多轴激光加工系统，已经广泛应用于我国航空发动机大型薄壁零件的激光刻型，不过此类设备只能进行一次刻型。

为了对产品进一步减重，公开号为cn108326441a的专利文献公开了一种采用多轴激光制造机床配合基准点定位系统实现大型环形构件二次刻型的技术方案，相应的，需要对大型薄壁构件进行多次装夹、化铣。实践中我们发现，在装夹过程中，薄壁构件会产生细微变形，这类细微变形足以影响激光二次刻型的精度，造成二次刻型的基准不准。

为了解决上述多次刻型技术中存在的刻型精度问题，技术人员通常考虑从装夹工具方向入手，对装夹工具进行改进(例如增大夹持点受力面积，在夹持点处增加柔性材质等)，以减小夹具对构件在的夹持点处的受力，从而一定程度上减小了构件变形。但是，这种方法只能一定程度上减小装夹对激光刻型精度的影响，无法消除装夹对激光刻型精度的影响，未能从根本上解决问题，实际上也没有充分认识到用户的真正需求。

技术实现要素：

为了解决现有的多次刻型技术中存在的刻型精度问题，本发明提供了一种构件多次刻型、化铣制造方法。

本发明的技术方案是：

一种构件多次刻型、化铣制造方法，包括步骤：

1)对构件进行一次刻型；

2)对构件进行一次化铣；

3)将一次化铣后的构件从化铣溶液取出，去除构件表面残留的胶层；

4)将构件重新装夹到刻型设备工作台上；

其特殊之处在于，还包括步骤：

5)采集构件外部形貌的三维信息，根据三维信息逆向重建构件当前的三维模型，评估重建得到的三维模型与上一次刻型的预期构件阶段模型的误差，若误差超出允许范围，则上一次刻型、化铣失败，当前构件作报废处理，取新的构件重新进行步骤1)-5)；若误差在允许范围内，则进入步骤6)；

6)基于步骤5)得到的三维模型、产品要求的化铣侵蚀比参数进行编程，得到下一次刻型加工程序；

7)依据步骤6)编制的刻型加工程序对构件进行刻型；

8)对构件进行化铣。

进一步地，还包括步骤9)：重复步骤3)-8)，对构件进行多次刻型、化铣。

进一步地，步骤1)具体为：

1.1)对构件表面进行喷砂处理，清理构件表面的锈蚀、附着物；

1.2)向构件表面喷胶；

1.3)将构件装夹在刻型设备工作台上，并记录构件在机床坐标系内的位置；

1.4)按照不同方向的化铣侵蚀比，对构件理论模型上的表面图案进行缩放，确定最终加工模型；

1.5)根据所述最终加工模型进行编程，得到第一次刻型加工程序；

1.6)将所述第一次刻型加工程序导入刻型设备的数控系统，数控系统控制六轴五联动激光加工设备在构件表面进行一次刻型。

进一步地，步骤5)重建得到的构件当前的三维模型与当前实际工件之间的误差应小于0.03mm。

进一步地，步骤7)具体为：

7.1)从刻型设备工作台上卸下构件，并向构件表面喷胶；

7.2)将构件装夹在工作台上，利用三维检测定位系统进行定位；

7.3)将步骤6)编制的刻型加工程序导入刻型设备的数控系统，数控系统控制六轴五联动激光加工设备在构件表面进行刻型。

进一步地，步骤7.1)中胶层厚度为0.1mm-0.8mm。

进一步地，步骤8)具体为：

8.1)撕去刻型后构件上待化铣部分图案的胶膜；

8.2)利用化铣工装装夹构件后，将构件放入化铣池进行化铣。

进一步地，在每次刻型之后利用显微镜进行检测，要求将胶层完全刻透，且对构件基底无损伤，刻型线宽小于0.3mm。

进一步地，为使刻的槽较平滑，易刻透且不会损伤基底，每次刻型的加工参数最好为：co2激光器功率为5w-50w，频率为100hz-20000hz。每次刻型的最佳加工参数：co2激光器功率为30w，频率为1000hz。

与现有技术相比，本发明的优点：

1、本发明的方法利用三维检测定位系统对上一次刻型、化铣后的构件进行三维测量并进行三维逆向，重构构件当前的三维模型，然后根据当前重构的三维模型(已经包含了装夹变形量和化铣变形量)和产品的化铣侵蚀比参数，编制下一次刻型的刻型程序，由于重构的三维模型与构件当前实际模型一致，不存在装夹和化铣侵蚀误差，因此能够保证下一次刻型的精度。

2、与传统二次刻型技术相比，本发明每次装夹后无需再对构件端面进行多点定位，仅需要在装夹时避免损伤构件及胶面即可。

3、本发明能实现高精度多次刻型，满足航空航天领域复杂和/或薄壁构件表面刻型的加工需求。

4、本发明在第n(n≥2)次刻型前，通过评估重建得到的三维模型与预期的构件阶段模型的误差是否在允许范围内，若超出允许范围内，则不再进行第n次刻型、化铣，避免了因上一次刻型失误导致后续无意义的工艺操作，节省了综合成本。

5、事实上，用户关注的是最终刻型产品是否满足预期，按照本发明的方案，在装夹过程中薄壁构件产生的细微变形(主要体现在外轮廓)只要未超出最终刻型产品误差允许范围，后续工艺是不受影响的。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明。

如图1所示，本发明所提供的构件多次刻型、化铣制造方法，包括步骤：

步骤1)对构件进行一次刻型；

1.1)对构件表面进行喷砂处理，清理构件表面的锈蚀、附着物，喷砂清洁度等级要求达到sa3级，以保证构件对胶层的附着力；

1.2)向构件表面喷胶，胶层厚度应尽可能地均匀(可采用已有的专用工装保证胶层均匀)，胶层厚度最好为0.1mm-0.8mm，因为胶层太厚不易刻透，太薄在刻型时易损伤基底，胶层厚度可以利用涡流测厚仪检测胶层厚度；

1.3)将构件装夹在刻型设备工作台上，利用三维检测定位系统检测并记录构件在机床坐标系内的位置，装夹过程要充分考虑构件的外形结构，避免损伤构件及胶面；

1.4)按照不同方向的化铣侵蚀比，对构件理论模型上的表面图案进行缩放，确定最终加工模型；

1.5)根据所述最终加工模型进行编程，得到第一次刻型加工程序(加工轨迹)；

1.6)将所述第一次刻型加工程序导入刻型设备的数控系统，数控系统控制六轴五联动激光加工设备在构件表面进行一次刻型。

步骤2)对构件进行一次化铣；

2.1)撕去刻型后构件上待化铣部分的图案胶膜，撕胶膜时要求不能将其他区域的胶层带起；

2.2)利用化铣工装装夹构件后，将构件放入化铣池进行化铣，化铣时间按照构件设计的化铣深度进行确定。

步骤3)将一次化铣后的构件从化铣溶液取出，去除干净构件表面残留的胶层；

步骤4)将构件重新装夹到刻型设备工作台上；

步骤5)采集构件外部形貌的三维信息，根据三维信息逆向重建构件当前的三维模型；评估重建得到的三维模型与上一次刻型的预期构件阶段模型(理论模型)的误差，若误差超出允许范围，则上一次刻型、化铣失败，当前构件作报废处理，取新的构件重新进行步骤1)-5)；若误差在允许范围内，则进入步骤6)；

其中，每一次刻型的预期构件阶段模型可以依据最终构件的理论模型、侵蚀比、刻型线宽等参数，反推得到；

为保证下一次的刻型精度，要求重建得到的构件当前的三维模型与当前实际工件的误差小于0.03mm。

步骤6)基于步骤5)得到的三维模型、产品要求的化铣侵蚀比参数(化铣侵蚀位置、化铣侵蚀方向、化铣侵蚀深度)进行编程，得到下一次刻型加工程序；

步骤7)依据步骤6)编制的刻型加工程序对构件进行刻型；

7.1)从刻型设备工作台上卸下构件，并向构件表面喷胶，胶层厚度应尽可能地均匀(可采用已有的专用工装保证胶层均匀)，胶层厚度最好为0.1mm-0.8mm，因为胶层太厚不易刻透，太薄在刻型时易损伤基底，胶层厚度可以利用涡流测厚仪检测胶层厚度；

7.2)将构件装夹在工作台上，利用三维检测定位系统进行定位，确定工件在机床坐标系下的坐标；

7.3)将步骤6)编制的刻型加工程序导入刻型设备的数控系统，数控系统控制六轴五联动激光加工设备在构件表面进行刻型。

步骤8)对构件进行化铣；

8.1)撕去刻型后构件上待化铣部分图案的胶膜，撕胶膜时要求不能将其他区域的胶层带起；

8.2)利用化铣工装装夹构件后，将构件放入化铣池进行化铣，化铣时间按照构件设计的化铣深度进行确定。

步骤9)：重复步骤3)-8)，对构件进行多次刻型、化铣。

上述步骤中：

在每次刻型之后要利用显微镜进行检测，要求将胶层完全刻透，且对构件基底无损伤，刻型线宽小于0.3mm。若仅有少量胶层没有刻透，可以人工用手术刀补刻；若大量胶层未刻透，则需要重新再进行刻型。若构件基底有损伤，损伤深度小于0.2mm，可以继续进行后续化铣步骤；损伤深度大于等于0.2mm，则只能报废处理。

每次刻型的较佳加工参数：co2激光器功率为5w-50w，最好为30w，频率为100hz-20000hz，最好为1000hz。该参数是经过大量试验验证得到的，当采用这个参数刻型时，刻的槽比较平滑，且容易刻透对基底也不会产生损伤。