面向一体式结构薄壁阵列的在位冰冻加工方法
阅读说明：本技术 面向一体式结构薄壁阵列的在位冰冻加工方法 (In-situ freezing processing method for integrated structure thin-wall array ) 是由 刘海波 王永青 王诚鑫 王松建 张德涵 王勇 刘阔 马小飞 郭东明 于 2021-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种面向一体式结构薄壁阵列的在位冰冻加工方法,属于机械加工技术领域。该方法先切除杯间区域；再加工杯阵列外壁；最后充水冰冻,在位冰冻加工杯阵列内壁。然后吊装换面,切除腔间区域；再加工腔阵列外壁；最后充水冰冻,在位冰冻加工腔阵列内壁。该方法实现了工件的在位冰冻装夹,避免了夹具的反复安装导致的误差累积,同时能够高效制冷,抑制了环境与切削热干扰,保证了冰冻装夹稳定性。该方法充分利用了水的流动性,可以满足一体式结构薄壁阵列装夹与加工需求,提高加工效率,节约成本；利用冰的冻粘性和刚性,实现工件的可靠冰冻,有效抑振,大幅度降低了加工变形；冰的低温性能够有效降低切削局部温度,避免热变形。(The invention provides an in-situ freezing processing method for an integrated structure thin-wall array, and belongs to the technical field of machining. Firstly, cutting off the area between cups; processing the outer wall of the cup array; and finally filling water for freezing, and processing the inner wall of the cup array in situ by freezing. Then hoisting and replacing the surface, and cutting off the inter-cavity area; processing the outer wall of the cavity array; finally filling water for freezing, and freezing the inner wall of the processing cavity array in situ. The method realizes in-situ freezing clamping of the workpiece, avoids error accumulation caused by repeated installation of the clamp, can efficiently refrigerate, inhibits interference of environment and cutting heat, and ensures freezing clamping stability. The method fully utilizes the fluidity of water, can meet the requirements of clamping and processing the thin-wall array with the integrated structure, improves the processing efficiency and saves the cost; reliable freezing of the workpiece is realized by utilizing the freezing viscosity and the rigidity of ice, vibration is effectively suppressed, and the processing deformation is greatly reduced; the low temperature property of ice can effectively reduce the local cutting temperature and avoid thermal deformation.)
技术领域
本发明属于机械加工
技术领域
，涉及面向一体式结构薄壁阵列的在位冰冻加工方法。背景技术
一体式结构薄壁阵列广泛应用于航空航天等领域的高端装备中，其具有结构复杂、刚性弱等特点，增加了加工过程的装夹难度，进而导致加工效率和精度低、表面完整性差，最终降低了使役性能。因此，如何实现一体式结构薄壁阵列的高性能装夹是该领域亟待解决的核心问题之一。
目前，常用薄壁件装夹方式主要包括靠模装夹、盒式装夹、点阵装夹、模块化装夹、吸附装夹等等。其中，靠模装夹工艺简捷、效率高，但模具需要基于工件几何定制，柔性差、成本高、工艺周期长。盒式装夹可以根据工件外形与尺寸，构建相应装夹框架，但仅能实现工件的整体装夹，其装夹方式难以与加工过程相适应。点阵装夹可以根据工件几何调整点阵布局，与工件表面外形相匹配，但夹具与工件接触点处会产生工件表面划痕以及装夹应力，降低表面质量。模块化装夹，柔性高，是一种标准化夹具，可以根据工件构型随机组合实现装夹，但是组合夹具制造成本极高，且调装时间较长，装夹效率低，此外，模块化夹具单元组合时，易产生误差累积，降低装夹精度。吸附装夹利用气压夹紧工件，但吸盘与工件表面直接接触，易产生磨损、漏气等现象。以上装夹方式由于结构与性能的局限性，难以实现一体式结构薄壁阵列的高性能装夹与加工。因此，亟需发展面向一体式结构薄壁阵列的在位冰冻加工方法，提高其装夹可靠性和加工效率，满足该类薄壁件高精度、高性能制造需求。
大连理工大学在专利CN201910123624.5中公开了一种针对大型薄壁件的冰冻支撑装置及方法，通过冰冻系统与辅助系统，在加工区的支撑侧结成一定厚度的冰，来实现对大型薄壁件的冰冻支撑，且随着加工的进行，始终以冰作为支撑，起到随动支撑的效果。但是，该发明支撑与薄壁件表面接触面积较少，无法保证加工过程整体稳定性。苏州金澄精密铸造有限公司在专利CN202020249319.9中公开了一种冰冻薄壁辅助铝合金件加工装置，通过将铝合金件放置在薄壁腔体内，并注水冰冻，实现工件加工的刚性支撑，防止变形；但是该专利没有考虑加工热导致的冰冻的热致损失。
上述研究均未提及面向一体式结构薄壁阵列的在位冰冻加工方法。
发明内容
为了克服上述方法的不足，本发明针对一体式结构薄壁阵列装夹与加工难题，发明了一种面向一体式结构薄壁阵列的在位冰冻加工方法。本发明设计了在位冰冻夹具系统，实现了工件的在位冰冻装夹，避免了夹具的反复安装导致的误差累积，同时能够高效制冷，抑制了环境与切削热干扰，保证了冰冻装夹稳定性。本发明利用水的流动性，实现水结冰前，对薄壁阵列结构空间的填充，保证水结冰后，与工件表面的紧密贴合；利用冰冻刚度，对加工过程提供可靠支撑，达到抑振和降低加工变形的作用；利用冰冻粘性，有效夹紧工件，维持加工过程的稳定性；利用冰的低温性，降低切削热，避免热应力产生。
本发明所采用的技术方案是：
一种面向一体式结构薄壁阵列的在位冰冻夹具系统，该系统由冰冻装置、辅助装置和制冷系统组成。
冰冻装置主要包括冰冻夹具壳体11和保温盖6；冰冻夹具壳体11具有保温作用，且内部设置有制冷管，通过制冷管内的液氮流动实现制冷；保温盖6用于冰冻过程的保温作用。所述辅助装置主要包括压板14、模板7和定位器13；其中，模板7设于冰冻夹具壳体11中，定位器13和模板7用于毛胚15的定位；压板14用于夹紧毛胚15边缘。所述制冷系统主要包括液氮罐8、喷管5和制冷装置12；其中，制冷装置12与冰冻夹具壳体11内的制冷管相连，控制冰冻夹具壳体11的液氮流入，来实现制冷功率调控；喷管5连接液氮罐8，实现对加工局部喷射液氮。
一种基于上述在位冰冻夹具系统的一体式结构薄壁阵列的在位冰冻加工方法，首先，开展杯阵列1加工，切除杯阵列1的杯间区域，并留有杯阵列边缘余料18。其次，开展杯阵列1外壁的粗加工与精加工，之后，粗加工杯阵列1内壁。最后，对杯阵列边缘余料18形成的杯阵列凹槽17内及杯阵列1内充水冰冻，开展杯阵列1的杯内壁在位冰冻加工。吊装换面，开展腔阵列2加工，首先，切除腔阵列2的腔间区域，并留有腔阵列边缘余料23。开展腔阵列2外壁的粗加工与精加工，之后，粗加工腔阵列2内壁。最后，对腔阵列边缘余料23形成的腔阵列凹槽22内及腔阵列2内充水冰冻，开展腔阵列2内壁在位冰冻加工。具体实施步骤如下：
第一步，杯阵列侧在位冰冻加工
利用定位销10将冰冻夹具壳体11固定于机床工作台9上，模板7、压板14和定位器13固连于冰冻夹具壳体11中，将毛胚15吊装到模板7上，其中，模板7上设有与杯阵列1相匹配的杯槽21，模板7表面涂有水层16；利用定位器13对毛胚15的侧面进行定位，利用压板14对毛胚15的边缘进行压紧；利用刀具4开展杯阵列1加工：首先，切除杯阵列1的杯间区域，留有杯阵列边缘余料18，形成杯阵列凹槽17；其次，进行杯外壁的粗加工与精加工；最后，进行杯内壁的粗加工；清理切屑，将杯阵列凹槽17及杯阵列1内充满水19，在冰冻夹具壳体11上盖上保温盖6，启动制冷装置12，控制冰冻夹具壳体11对水19进行制冷冰冻。待结冰完成后，移除保温盖6，利用刀具4开展杯阵列1侧杯内壁在位冰冻加工，加工过程中，始终保持制冷装置12和冰冻夹具壳体11的制冷作用，防止环境热干扰导致的冰20融化。喷管5连接液氮罐8，跟随加工轨迹，对加工局部喷射液氮，避免切削热导致的冰20融化。在位冰冻加工完成后，融化冰20，排出废水；在切除杯阵列边缘余料18过程中，为避免压板14对基板3表面产生压痕，移除压板14和定位器13，水层16在制冷装置12和冰冻夹具壳体11的制冷条件下冻结成冰层24，利用冰层24的冻粘性夹紧工件，完成杯阵列边缘余料18的切除。
第二步，腔阵列侧在位冰冻加工
吊装翻面，将杯阵列1插入模板7的杯槽21内，其中，模板7表面涂有水层16；利用定位器13对工件定位，利用压板14对工件压紧；利用刀具4开展腔阵列2的加工：首先，切除腔阵列2的腔间区域，留有腔阵列边缘余料23，形成腔阵列凹槽22；其次，进行腔外壁的粗加工与精加工；最后，进行腔内壁的粗加工；清理切屑，将腔阵列凹槽22及腔阵列2内充满水19，在冰冻夹具壳体11上盖上保温盖6，启动制冷装置12，控制冰冻夹具壳体11对水19进行制冷冰冻。待结冰完成后，移除保温盖6，利用刀具4开展腔阵列2的腔内壁在位冰冻加工，加工过程中，始终保持制冷装置12和冰冻夹具壳体11的制冷作用，防止环境热干扰导致的冰20融化。喷管5连接液氮罐8，跟随加工轨迹，对加工局部喷射液氮，避免切削热导致的冰20融化。在位冰冻加工完成后，融化冰20，排出废水；在切除腔阵列边缘余料23过程中，为避免压板14对基板3表面产生压痕，移除压板14和定位器13，在制冷装置12和冰冻夹具壳体11的制冷条件下，水层16结成冰层24，利用冰层24的冻粘性夹紧工件，完成腔阵列边缘余料23的切除。
至此，一体式结构薄壁阵列加工完成。
本发明的有益效果是：本发明提出了面向一体式结构薄壁阵列的在位冰冻加工方法，实现了工件的在位冰冻装夹，避免了夹具的反复安装导致的误差累积，同时能够高效制冷，抑制了环境与切削热干扰，保证了冰冻装夹稳定性。本发明充分利用了水的流动性，冰的刚度、冻粘性和低温等特性，实现与加工过程相匹配的在位冰冻高性能装夹，有效抑制了一体式结构薄壁阵列由于弱刚性和强时变性导致加工颤振、变形和加工效率低等问题，获得最佳的加工表面质量与精度。
附图说明
图1为一体式结构薄壁阵列的结构示意图。
图2为冰冻夹具系统示意图。
图3为毛胚装夹示意图。
图4为杯阵列侧粗加工示意图。
图5为杯阵列侧在位充水冰冻示意图。
图6为杯阵列侧在位冰冻加工示意图。
图7为杯阵列侧边缘余料去除示意图。
图8为吊装翻面示意图。
图9为腔阵列侧粗加工示意图。
图10为腔阵列侧在位充水冰冻示意图。
图11为腔阵列侧在位冰冻加工示意图。
图12为腔阵列侧边缘余料去除示意图。
图13为图6、7、11、12在A处放大图。
图中：1-杯阵列；2-腔阵列；3-基板；4-刀具；5-喷管；6-保温盖；7-模板；8-液氮罐；9-机床工作台；10-定位销；11-冰冻夹具壳体；12-制冷装置；13-定位器；14-压板；15-毛胚；16-水层；17-杯阵列凹槽；18-杯阵列边缘余料；19-水；20-冰；21-杯槽；22-腔阵列凹槽；23-腔阵列边缘余料；24-冰层。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一体式结构薄壁阵列为铝合金材料，双面4×4阵列，一面为杯阵列1，另一面为腔阵列2，基板3尺寸为1600mm×1600mm×0.8mm；杯高度为100mm，壁厚0.8mm，杯外壁直径200mm；腔高度为100mm，壁厚0.8mm，腔外壁尺寸220mm×220mm。
该方法具体包括以下步骤：
第一步，杯阵列侧在位冰冻加工
利用定位销10将冰冻夹具壳体11固定于机床工作台9上，模板7、压板14和定位器13固连于冰冻夹具壳体11中，将毛胚15吊装到模板7上，其中，模板7上设有与杯阵列1相匹配的杯槽21，模板7表面涂有水层16；利用定位器13对毛胚15的侧面进行定位，利用压板14对毛胚15的边缘进行压紧，如图3所示；利用刀具4，开展杯阵列1加工：首先，切除杯阵列1的杯间区域，留有杯阵列边缘余料18，形成杯阵列凹槽17；其次，进行杯外壁的粗加工与精加工；最后，进行杯内壁的粗加工，如图4所示；清理切屑，将杯阵列凹槽17及杯阵列1内充满水19，在冰冻夹具壳体11上盖上保温盖6，启动制冷装置12，控制冰冻夹具壳体11对水19进行制冷冰冻，如图5所示。待结冰完成后，移除保温盖6，利用刀具4开展杯阵列1侧杯内壁在位冰冻加工，加工过程中，始终保持制冷装置12和冰冻夹具壳体11的制冷作用，防止环境热干扰导致的冰20融化。喷管5连接液氮罐8，跟随加工轨迹，对加工局部喷射液氮，避免切削热导致的冰20融化，如图6所示。在位冰冻加工完成后，融化冰20，排出废水；在切除杯阵列边缘余料18过程中，为避免压板14对基板3表面产生压痕，移除压板14和定位器13，水层16在制冷装置12和冰冻夹具壳体11的制冷条件下冻结成冰层24，利用冰层24的冻粘性夹紧工件，如图13所示，完成杯阵列边缘余料18的切除，如图7所示。
第二步，腔阵列侧在位冰冻加工
吊装翻面，将杯阵列1插入模板7的杯槽21内，其中，模板7表面涂有水层16；利用定位器13对工件定位，利用压板14对工件压紧，如图8所示；利用刀具4，开展腔阵列2的加工：首先，切除腔阵列2的腔间区域，留有腔阵列边缘余料23，形成腔阵列凹槽22；其次，进行腔外壁的粗加工与精加工；最后，进行腔内壁的粗加工，如图9所示；清理切屑，将腔阵列凹槽22及腔阵列2内充满水19，在冰冻夹具壳体11上盖上保温盖6，启动制冷装置12，控制冰冻夹具壳体11对水19进行制冷冰冻，如图10所示。待结冰完成后，移除保温盖6，利用刀具4开展腔阵列2的腔内壁在位冰冻加工，加工过程中，始终保持制冷装置12和冰冻夹具壳体11的制冷作用，防止环境热干扰导致的冰20融化。喷管5连接液氮罐8，跟随加工轨迹，对加工局部喷射液氮，避免切削热导致的冰20融化，如图11所示。在位冰冻加工完成后，融化冰20，排出废水；在切除腔阵列边缘余料23过程中，为避免压板14对基板3表面产生压痕，移除压板14和定位器13，在制冷装置12和冰冻夹具壳体11的制冷条件下，水层16结成冰层24，利用冰层24的冻粘性夹紧工件，如图13所示，完成腔阵列边缘余料23的切除，如图12所示。至此，一体式结构薄壁阵列加工完成。
本发明提出的面向一体式结构薄壁阵列的在位冰冻加工方法，实现了工件的在位冰冻装夹，避免了夹具的反复安装导致的误差累积，同时能够高效制冷，抑制了环境与切削热干扰，保证了冰冻装夹稳定性。充分利用了水的流动性，其柔性高，可以满足一体式结构薄壁阵列装夹与加工需求，提高加工效率，节约成本；利用冰的冻粘性和刚性，实现工件的可靠冰冻，有效抑振，大幅度降低了加工变形；冰的低温性能够有效降低切削局部温度，避免热变形。
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