一种多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方法

技术领域

本发明涉及零件加工技术领域，尤其涉及一种多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方法。

背景技术

多孔软质复合材料作为一类结构中含有超过90％纳米级(10～40nm)气孔的特殊材料，具有轻质、低密度、高绝热、高绝缘、吸声、低介电常数与介电损耗等优点，在航空航天领域，常被当做优质的填充或隔热材料使用。例如由石英短纤维混合形成的石英气凝胶因其较强的隔热及耐热性，常被用于航空发动机的高温部件上。为满足装配需求，多孔软质复合材料的数控加工是必不可少的一环。但由于构件材料质地较软，在常规铣削时，极易因切削力过大导致构件被撕裂，因此，多孔软质复合材料构件通常采用超声的方式进行加工。

采用匕首刀进行超声加工内外轮廓时，由于外轮廓是具有开敞性，不存在转角无法加工、加工过切(欠切)等问题。但在加工内轮廓时，由于内轮廓为封闭式结构，且匕首刀为异形刀具，存在因转角过小从而无法加工的情况。同时在内轮廓加工时，为保证切削的高效性及减少切削轴向力，通常会使用固定前倾角的方式进行加工，该方式极易导致内轮廓局部材料过切(欠切)，从而使内轮廓加工后的成形形貌为喇叭状，因此，若不限制过切(欠切)量，将严重影响零件质量。

发明内容

本发明的目的在于为实现多孔软质复合材料的优质高效加工，提出了一种多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方法，该方法基于轮廓超声加工匕首刀刀具结构及加工前倾角大小，通过探索内轮廓最小可加工转角半径，给出匕首刀可加工转角半径域，并在该转角半径域内，结合切削过程的刀具前倾角大小，提出加工过程的最大过切(欠切)量的计算公式，为调整刀具前倾角使最大过切(欠切)量在轮廓公差范围内，从而满足加工需求提供依据。

本发明主要通过下述技术方案实现：

一种多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，预设采用匕首刀以固定前倾角的方式实施构件加工；

S2，选择加工目标构件内轮廓所需的匕首刀安装于机床主轴上，并根据该匕首刀的出厂资料获取其尺寸参数；

S3，根据目标构件设计图纸呈现的构件结构和尺寸，结合匕首刀的尺寸参数，判断目标构件内轮廓的切割方式，并根据切割方式获取最小可加工圆弧半径R；

S4，基于最小可加工圆弧半径R判断目标构件的可加工性；

S5，在目标构件可加工的条件下，根据相应的切割方式获取包括固定前倾角在内的加工参数，将获取的加工参数设置于机床数控系统的加工程序中；

S6，启动数控机床，利用数控机床在加工参数的限制下对目标构件内轮廓进行超声切割，以将目标构件内轮廓尺寸误差限制在允许范围内。

优选的，所述步骤S2中，匕首刀的尺寸参数包括刀尖角角度α、下底面切割点刀具宽度b以及下底面切割点至刀尖距离p；其中，令匕首刀用于切割目标构件下底面的切割点为下底面切割点，则有下底面切割点到匕首刀中心轴的半径长度为下底面切割点刀具宽度b，下底面切割点到匕首刀刀尖的轴向距离为下底面切割点至刀尖距离p。

优选的，所述步骤S3中，判断目标构件内轮廓的切割方式是通过操作人员目测目标构件结构对匕首刀加工姿态的干扰情况来进行判断。

优选的，所述步骤S3中，判断目标构件内轮廓的切割方式是操作人员通过仿真软件对目标构件实施加工仿真来进行判断。

优选的，所述步骤S3中，所述切割方式包括正切加工、过切加工和欠切加工；即根据构件结构对匕首刀加工姿态的干扰情况，使得匕首刀存在加工可达前倾角β

优选的，所述步骤S3中，根据切割方式获取最小可加工圆弧半径的方法为：

当判断切割方式为正切加工时，最小可加工圆弧半径R是通过下述公式一计算获得：

公式一，

当判断切割方式为欠切加工时，最小可加工圆弧半径R是通过下述公式二和公式三联合计算获得：

公式二，

公式三，

当判断切割方式为过切加工时，最小可加工圆弧半径R是通过下述公式四和公式五联合计算获得：

公式四，

公式五，

其中，h表示目标构件的厚度，为由目标构件设计图纸中获得的已知量；β表示固定前倾角，为未知量；Δ表示实际最大欠切量，为未知量；Q表示目标构件内轮廓最大允许公差，为由设计图纸中获得的已知量。

优选的，所述步骤S5中，判断目标构件的可加工性的方法为：基于目标构件设计图纸获取实际加工圆弧半径R

优选的，所述步骤S5中，根据相应的切割方式获取包括固定前倾角在内的加工参数的方法为：

若切割方式为正切加工，则令固定前倾角β＝β

若切割方式为欠切加工，则将通过公式二和公式三联合计算出的固定前倾角β作为上限设置于机床数控系统加工程序中；

若切割方式为过切加工，则将通过公式四和公式五联合计算出的固定前倾角β作为下限设置于机床数控系统加工程序中。

本发明所带来的有益的技术效果：

1)本技术方案无需改变对多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方式，沿用了现有采用匕首刀以固定前倾角的方式进行声加工，在加工的前期准备当中增加了加工预判，即结合所用匕首刀结合目标构件的结构设计，对目标构件的切割方式和可加工性进行预判。其中，切割方式预判是可加工性预判的前提以及获取加工参数的重要依据，可加工性预判可避免材料的浪费；将基于切割方式获取加工参数设置于机床数控系统的加工程序中加以限制，将将目标构件内轮廓尺寸误差限制在允许范围内，对确保产品质量具有重要意义。

2)本技术方案提出的一种多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方法，通过加工预判实现了设计与制造协同，可反向为目标构件结构(具体为内轮廓半径)的前期设计提供依据，提高产品结构设计的可加工性。

附图说明

图1为本技术方案一种优选的实施流程图；

图2为匕首刀刀尖结构示意图；

图3为匕首刀正切加工姿态即构件轮廓示意图；

图4为匕首刀欠切加工姿态即构件轮廓示意图；

图5为匕首刀过切加工姿态即构件轮廓示意图；

图中：

1、匕首刀；1.1、刀尖角；1.2、下底面切割点；1.3、刀轴；1.4、上底面切割点；2、目标构件；2.1、内轮廓；

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本发明的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开一种多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方法，作为本发明一种基本的实施方案，包括以下步骤：

S1，预设采用匕首刀以固定前倾角的方式实施构件加工；

S2，选择加工目标构件内轮廓所需的匕首刀安装于机床主轴上，并根据该匕首刀的出厂资料获取其尺寸参数；

S3，根据目标构件设计图纸呈现的构件结构和尺寸，结合匕首刀的尺寸参数，判断目标构件内轮廓的切割方式，并根据切割方式获取最小可加工圆弧半径R；

S4，基于最小可加工圆弧半径R判断目标构件的可加工性；

S5，在目标构件可加工的条件下，根据相应的切割方式获取包括固定前倾角在内的加工参数，将获取的加工参数设置于机床数控系统的加工程序中；

S6，启动数控机床，利用数控机床在加工参数的限制下对目标构件内轮廓进行超声切割，以将目标构件内轮廓尺寸误差限制在允许范围内。

本技术方案无需改变对多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方式，沿用了现有采用匕首刀以固定前倾角的方式进行声加工，在加工的前期准备当中增加了加工预判，即结合所用匕首刀结合目标构件的结构设计，对目标构件的切割方式和可加工性进行预判。其中，切割方式预判是可加工性预判的前提以及获取加工参数的重要依据，可加工性预判可避免材料的浪费；将基于切割方式获取加工参数设置于机床数控系统的加工程序中加以限制，将将目标构件内轮廓尺寸误差限制在允许范围内，对确保产品质量具有重要意义。

实施例2

本实施例公开一种多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方法，作为本发明一种基本的实施方案，包括以下步骤：

S1，预设采用匕首刀以固定前倾角的方式实施构件加工；

S2，选择加工目标构件内轮廓所需的匕首刀安装于机床主轴上，并根据该匕首刀的出厂资料获取其尺寸参数；

S3，根据目标构件设计图纸呈现的构件结构和尺寸，结合匕首刀的尺寸参数，判断目标构件内轮廓的切割方式，并根据切割方式获取最小可加工圆弧半径R；其中，判断目标构件内轮廓的切割方式包括：

1)通过操作人员目测目标构件结构对匕首刀加工姿态的干扰情况来进行判断；

2)通过仿真软件对目标构件实施加工仿真来进行判断；

S4，基于最小可加工圆弧半径R判断目标构件的可加工性；

S5，在目标构件可加工的条件下，根据相应的切割方式获取包括固定前倾角在内的加工参数，将获取的加工参数设置于机床数控系统的加工程序中；

S6，启动数控机床，利用数控机床在加工参数的限制下对目标构件内轮廓进行超声切割，以将目标构件内轮廓尺寸误差限制在允许范围内。

本技术方案中，之所以需要判断切割方式，是因为目标构件的结构可能会对加工用匕首刀的前倾角造成干扰，即为了不切割到目标构件上除当前所加工内轮廓以外的其他结构，匕首刀需对相应的结构进行避让，使得相应的内轮廓不能得到理想加工，因此可通过目测的方式大致判断即可，若条件允许，也可以通过仿真的方式精确判断。

实施例3

本实施例公开一种多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方法，作为本发明一种基本的实施方案，包括以下步骤：

S1，预设采用匕首刀以固定前倾角的方式实施构件加工。

S2，选择加工目标构件内轮廓所需的匕首刀安装于机床主轴上，并根据该匕首刀的出厂资料获取其尺寸参数；包括刀尖角角度α、下底面切割点刀具宽度b以及下底面切割点至刀尖距离p；其中，令匕首刀用于切割目标构件下底面的切割点为下底面切割点，则有下底面切割点到匕首刀中心轴的半径长度为下底面切割点刀具宽度b，下底面切割点到匕首刀刀尖的轴向距离为下底面切割点至刀尖距离p。

S3，根据目标构件设计图纸呈现的构件结构和尺寸，结合匕首刀的尺寸参数，判断目标构件内轮廓的切割方式，并根据切割方式获取最小可加工圆弧半径R；其中，切割方式包括正切加工、过切加工和欠切加工；即根据构件结构对匕首刀加工姿态的干扰情况，使得匕首刀存在加工可达前倾角β

S4，基于最小可加工圆弧半径R判断目标构件的可加工性。即步骤S3中所述需要将误差控制在允许范围内，若当前车间设备条件无法将误差控制在允许范围内，则判断为不可加工。具体的：判断目标构件的可加工性的方法为：基于目标构件设计图纸获取实际加工圆弧半径R

S5，在目标构件可加工的条件下，根据相应的切割方式获取包括固定前倾角在内的加工参数，将获取的加工参数设置于机床数控系统的加工程序中。

S6，启动数控机床，利用数控机床在加工参数的限制下对目标构件内轮廓进行超声切割，以将目标构件内轮廓尺寸误差限制在允许范围内。

实施例4

本实施例公开一种多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方法，作为本发明一种基本的实施方案，包括以下步骤：

S1，预设采用匕首刀以固定前倾角的方式实施构件加工。

S2，选择加工目标构件内轮廓所需的匕首刀安装于机床主轴上，并根据该匕首刀的出厂资料获取其尺寸参数；包括刀尖角角度α、下底面切割点刀具宽度b以及下底面切割点至刀尖距离p；其中，令匕首刀用于切割目标构件下底面的切割点为下底面切割点，则有下底面切割点到匕首刀中心轴的半径长度为下底面切割点刀具宽度b，下底面切割点到匕首刀刀尖的轴向距离为下底面切割点至刀尖距离p。

S3，根据目标构件设计图纸呈现的构件结构和尺寸，结合匕首刀的尺寸参数，判断目标构件内轮廓的切割方式，并根据切割方式获取最小可加工圆弧半径R。其中，切割方式包括正切加工、过切加工和欠切加工；即根据构件结构对匕首刀加工姿态的干扰情况，使得匕首刀存在加工可达前倾角β

进一步的，根据切割方式获取最小可加工圆弧半径的方法为：

当判断切割方式为正切加工时，最小可加工圆弧半径R是通过下述公式一计算获得：

公式一，

当判断切割方式为欠切加工时，最小可加工圆弧半径R是通过下述公式二和公式三联合计算获得：

公式二，

公式三，

当判断切割方式为过切加工时，最小可加工圆弧半径R是通过下述公式四和公式五联合计算获得：

公式四，

公式五，

其中，h表示目标构件的厚度，为由目标构件设计图纸中获得的已知量；β表示固定前倾角，为未知量；Δ表示实际最大欠切量，为未知量；Q表示目标构件内轮廓最大允许公差，为由设计图纸中获得的已知量。

S4，基于最小可加工圆弧半径R判断目标构件的可加工性。具体的：判断目标构件的可加工性的方法为：基于目标构件设计图纸获取实际加工圆弧半径R

S5，在目标构件可加工的条件下，根据相应的切割方式获取包括固定前倾角在内的加工参数，将获取的加工参数设置于机床数控系统的加工程序中。具体的，根据相应的切割方式获取包括固定前倾角在内的加工参数的方法为：

若切割方式为正切加工，则令固定前倾角β＝β

若切割方式为欠切加工，则将通过公式二和公式三联合计算出的固定前倾角β作为上限设置于机床数控系统加工程序中；

若切割方式为过切加工，则将通过公式四和公式五联合计算出的固定前倾角β作为下限设置于机床数控系统加工程序中。

S6，启动数控机床，利用数控机床在加工参数的限制下对目标构件内轮廓进行超声切割，以将目标构件内轮廓尺寸误差限制在允许范围内。

实施例5

本实施例公开一种多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方法，作为本发明一种基本的实施方案，本实施例以待加工气凝胶复合材料构件一为例，其厚度h＝4mm，包括以下步骤：

S1，预设采用匕首刀以固定前倾角的方式实施构件加工；

S2，选择加工目标构件内轮廓所需的匕首刀安装于机床主轴上，并根据该匕首刀的出厂资料获取其尺寸参数；其中，匕首刀的尺寸参数包括刀尖角角度α＝20°、下底面切割点刀具宽度b＝5mm以及下底面切割点至刀尖距离p＝10mm；

S3，根据目标构件设计图纸呈现的构件结构和尺寸，结合匕首刀的尺寸参数，判断目标构件内轮廓的切割方式和可加工性；具体的，根据待加工气凝胶复合材料构件一结构对匕首刀加工姿态的干扰情况，切割方式判断为正切加工，则可加工最小转角半径

S4，若实际加工圆弧半径R

S，5，在目标构件可加工的条件下，将匕首刀存在加工可达前倾角β

S6，启动数控机床，利用数控机床在加工参数的限制下对目标构件内轮廓进行超声切割，以将目标构件内轮廓尺寸误差限制在允许范围内。

实施例6

本实施例公开一种多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方法，作为本发明一种基本的实施方案，本实施例以待加工气凝胶复合材料构件二为例，其厚度h＝4mm，内轮廓最大允许公差Q＝0.5mm包括以下步骤：

S1，预设采用匕首刀以固定前倾角的方式实施构件加工；

S2，选择加工目标构件内轮廓所需的匕首刀安装于机床主轴上，并根据该匕首刀的出厂资料获取其尺寸参数；其中，匕首刀的尺寸参数包括刀尖角角度α＝20°、下底面切割点刀具宽度b＝5mm以及下底面切割点至刀尖距离p＝10mm；

S3，根据目标构件设计图纸呈现的构件结构和尺寸，结合匕首刀的尺寸参数，判断目标构件内轮廓的切割方式和可加工性；具体的，根据待加工气凝胶复合材料构件二结构对对匕首刀加工姿态的干扰情况，切割方式为欠切加工，则可加工最小转角半径

其中，h表示目标构件厚度，为由设计图纸中获得的已知量；β表示固定前倾角，即需要设置于机床数控系统加工程序中的加工参数，为未知量；Δ表示实际最大欠切量，为未知量；Q表示目标构件内轮廓最大允许公差，为由设计图纸中获得的已知量。

S4，若实际加工圆弧半径R

S5，在目标构件可加工的条件下，将加工参数β＝77.8°设置于机床数控系统加工程序中，使β＝77.8°作为加工所允许固定前倾角的上限；

S6，启动数控机床，利用数控机床在加工参数的限制下对目标构件内轮廓进行超声切割，以将目标构件内轮廓尺寸误差限制在允许范围内。

实施例7

本实施例公开一种多孔软质复合材料构件内轮廓超声加工方法，作为本发明一种基本的实施方案，本实施例以待加工气凝胶复合材料构件三为例，其厚度h＝4mm，内轮廓最大允许公差Q＝0.5mm包括以下步骤：

S1，预设采用匕首刀以固定前倾角的方式实施构件加工；

S2，选择加工目标构件内轮廓所需的匕首刀安装于机床主轴上，并根据该匕首刀的出厂资料获取其尺寸参数；其中，匕首刀的尺寸参数包括刀尖角角度α＝20°、下底面切割点刀具宽度b＝5mm以及下底面切割点至刀尖距离p＝10mm；

S3，根据目标构件设计图纸呈现的构件结构和尺寸，结合匕首刀的尺寸参数，判断目标构件内轮廓的切割方式和可加工性；具体的，根据待加工气凝胶复合材料构件三结构对对匕首刀加工姿态的干扰情况，切割方式为过切加工，则可加工最小转角半径

其中，h表示目标构件厚度，为由设计图纸中获得的已知量；β表示固定前倾角，即需要设置于机床数控系统加工程序中的加工参数，为未知量；Δ表示实际最大欠切量，为未知量；Q表示目标构件内轮廓最大允许公差，为由设计图纸中获得的已知量；计算的最终结果为。

S4，若实际加工圆弧半径R

S5，在目标构件可加工的条件下，将将加工参数β＝101.69°设置于机床数控系统加工程序中，使β＝101.69°作为加工所允许固定前倾角的下限；

S6，启动数控机床，利用数控机床在加工参数的限制下对目标构件内轮廓进行超声切割，以将目标构件内轮廓尺寸误差限制在允许范围内。