加工中心精度检测航空薄壁标准件的设计方法研究


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引言

加工中心精度是五轴数控加工中心重要的技术指标,是指加工中心各部件与其理想位置偏离的程度h ,精度又分为几何精度和动态精度0,从严格意义上讲加工中心精度分为:(])加工中心的几何精度、(2)加工中心的定位精度,(3)加工中心的切削精度:也可以从表现形式上分为两种0 :

(1) 受加工中心热变形影响、加工中心的几何误差而形成的准静态误差;(2)动态精度源于加工中心的切削力、夹紧力、加工中心的弹性变形和零件的受力变形、加工中心的内部热源、环境温度H、加工中心和刀具的振动、主轴的转速和进给率、主轴的回转误差H而变化的动态精度:加工中心伺服系统参数也对加工中心动态精度存在着极大的影响H。对于加工中心动态精度,国内外学者做了大量的研究与分析工作,但是目前的测试标准并不能完全概括现在大部分的航空薄壁件在数控加工中心中的加工精度标准&]

通过标准试件的加工精度是否达到标准试件的加工精度标准可以来推断待加工加工中心是否达到精度要求,并且根据具体的加工精度对比相应的加工精度标准要求来判断加工中心的具体精度是否达到标准要求。因此,标准试件的出现对于数控加工中心的综合性能®来讲,起到至关重要的角色,现在国内外比较通用的标准试件有美国NAS979系列试件ISO国际标准试件MS形试件。(1) ISO10791 -7系列包括端铁试件和轮廓加工试件两种试件M,其中端铣试件是用于检验精铣端面时所铣表面的平面度,轮廓加工试件可利用坐标测量机、圆度测量仪等工具,通过测量试件中心孔圆柱度、方形平行度等指标,能较好地检测三轴加工中心的加工精度_ (2) NAS979系列试件共包含了两个试件,其中第一个试件主要用于检测三轴加工中心平动轴的几何精度和位置精度;圆锥台试件主要用于多轴联动加工中心转动轴精度检测。圆锥台试件是目前应用最广泛的五轴数控加工中心动态精度检测试件,但是该试件无法检测加工中心加工复杂曲面的能力,反映不出加工中心摆角能力以及动态加减速性能,而且也无法判断加工中心RTCP(刀具旋转中心编程功能是否符合要求ai_d :

(1) S形检测试件13能相对的反映五轴数控加工中心联动精度,也得到了国际上的认可和广泛关注^ :文献|5]提出的检测方法缺少对S形试件曲面结构参数的精度检测特性分析,在几何构型参数与加工中心联动性能、动态刚度检测的相关性研究尚未完全解决。

但是这些通用的标准试件本身并不完全具备现在航空薄壁零件的大部分特征,缺乏对航空薄壁零件薄壁、规律性可变化薄壁、悬臂特征与多个开闭角转换等几何特征的理论研究,在零件几何构造、数控加工中心联动性能、动态刚度与加工复杂度方面缺少充分地相关的理论研究因此,本文从现在通用的各种标准试件中总结对检测加工中心特性产生巨大作用的几何特征与型面特征,综合考虑大量航空薄壁零件的特征,特征能够体现的加工中心精度特性,待加工加工中心加工标准试件所能够判断出的加工中心特性,对检测加工中心的精度将起到更加明确的理论研究,对于带动和提升我国加工中心工业水平具有重要的战略意义M

1 “X ”形新型航空薄壁标准试件的提出及设

计方法

本文在深入总结以上几种常用标准试件的集合特征与型面特征,从大量常用的航空薄壁零件的几何特征与型面特征进行归纳,进行了重新的设计与构造,设计出“X”形新型航空薄壁标准试件“\ ”形新型航空薄壁标准试件具有以前大部分标准试件的主要几何特征与型面特征,参考目前航空零件的主要特征,构思出全新的航空标准件的几何特征与型面特征。待加工加工中心通过加工“X”形件,从“X”形标准试件的加工精度,通过“X”形件加工精度与待加工加工中心精度的映射关系可以更好的判断加工中心的多轴联动精度、动态刚度特性,能够反映出待加工数控加工中心对于航空薄壁零件的加工特性。

1.1 X形新型航空薄壁标准试件简介

“X”形新型航空薄壁标准试件的几何构造如图1所示,首先在中、下三个平面经过给定的24个标准点分别构建一条“-X ”形二阶样条曲线,在上平面上构造圆,在中、下平面上通过上下两条样条曲线构造直纹面,其次在上中两个平面上的曲线进行三维抽样就可以构造出三维模型的A面,然后再在上、中、下三个平面构造偏置2 mm的与原来一样的样条曲线,同样的方法构造出模型的B面,最后在A面上拉伸出来两个圆柱孔,再加上矩形基座,这样就形成“X ”形新型航空薄壁标准试I-整个三维模型分为AB两面,每一个型面又分为上下两层如图2所示。而且“\ ”形新型航空薄壁标准试件在几何型面上具有很大的优势。(I )_AB面的下层直纹面在基座平面的投影是不重合的,而是相互交叉形成扭曲角,直纹面下缘在基座平面上成“X”形非均匀变化走向,A面上层则形成复杂且对称的变化的型面。(2) AB面形成壁厚从1 liim4 mm的非均匀变化薄壁厚度。

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结束语:

本文通过设计、分析、加工与检测“x ”形新型航空薄壁试件,分析其结构特征与加工中心加工性能的映射关系,研究与验证了该标准试件_系列几何结构与刚度特性,提出验证零件加工难度系数,弥补目前标准件设计中存在的部分缺陷,能够较大范围内提高加工中心综合精度检测的全面性、准确性与有效性

1)    结合航空航天类企业的加工零件特征,从悬臂、薄壁、曲面等特征构建了 “X ”形新型航空薄壁试件的结构,并结合标准件特征与加工中心加工性能的映射关系,综合设计了基于加工中心精度检测的航空薄壁标准件,,

2)  提出了基于“X”形标准件的加工复杂度系数指标,通过犾取特征加工刚度和平均值A/v可以科学评价X件抵抗变形的能力,该系数越小,能力越弱,加工复杂度越高《动态刚度和平均值AC以成功预测和评估薄壁件的加工复杂度,

3)  研究及验证了 “\ ”形试件的开闭角变化机理、“X ”形试件的曲面曲率变化规律,结果证明本标准件能全面体现和覆盖加工中心实际加工的各种复杂姿态,并更好地找到及匹配加工中心的动态刚度缺陷.

'X”形航空薄壁试件的设计及在加工中心加工精度的验证在_定程度上体现了标准件检测加工中心精度的有效性,弥补及改进了目前国内外标准件设计中存在的部分缺陷,基于本标准件与加工复杂度系数模型,能够较大范围内提高加工中心综合精度检测的全面性、准确性与有效性。但由于航空航天领域薄壁件加工种类多,批量小的特点,需进行大量的工程试验论证,在后续的工作中,将继续与合作企业开展更深层次的验证及改进,以进_步完善航空航天专用标准件的设计及应用=形成具有自主知识产权的国内外通用型航空航天标准件。


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