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逆向工程在载人舱球壳毛坯精确找正中的应用《资讯》

发布时间:2020-08-17 13:28:15 阅读: 来源:硫酸钡厂家

2019-02-11 16:36:36来源:《金属加工(冷加工)》

4500米载人潜水器作为国家863计划重大项目之一,是我国自主设计并制造的深海资源探测及救援工具。潜水器的核心部件载人舱球壳,材料为TC4钛合金,其毛坯分为上、下两个半球冲压而成,完成机械加工后,最终将两个半球焊接成一个整体圆球。

半球毛坯由一块TC4钛合金圆板冲压而成,受冲压工艺、板材材质、大厚度以及拉伸量过深等因素影响,半球毛坯外形极不规则,内外球面上甚至有多处凹坑,部分位置厚度接近精加工极限尺寸,加工余量偏小且极不均匀。由于毛坯价值非常高,采用传统的划线考料和机床考量找正等方法风险极大,需要确定毛坯所有部位精确的加工余量。

根据这种情况我公司采用三维扫描仪与传统找正相结合的方法,在加工前进行数据验证,最终解决了毛坯找正的难题,完成了产品的加工。

一、毛坯存在的问题及找正风险

球壳毛坯外形极不规则,外径尺寸约为φ2258mm,内径约为φ2065mm,高度约为1261mm,重量为5吨。毛坯内外球面有多处凹坑(见图1、图2),口部直边不平整,用超声波测厚仪检测,厚度最厚达到96mm,底部最薄处厚度为57mm,理论余量3mm,但受内外圆凹坑位置影响,实际余量小于3mm。

图1毛坯球面凹坑1

图2毛坯球面凹坑2

由于半球毛坯存在的问题以及钛合金不规则外形的粗加工变形大,找正误差、装夹以及粗加工后真空退火处理变形等因素,加工风险很大。毛坯找正的重点在于底部最薄位置,同时要兼顾不规则形状和多处凹坑。使用常规的划线考料和机床考量等找正方法,无法确保所有部位加工余量足够。正式加工前的首要问题就是建立毛坯的三维模型,之后实现球壳毛坯精确找正,将逆向工程的毛坯理想状态在机床上找正时重现。

二、建立毛坯三维模型和数据分析

(1)建立毛坯三维模型前的准备。为了使毛坯在机床上能按照逆向工程三维模型给出的数据精确定位,需要在毛坯2个工艺搭子上加工出拉直基准,在开口端面上铣出十字直边,以方便打表定位(见图3)。由于四个工艺搭子不平,需制作自适应调平压紧工装,避免工艺装夹变形。

图3工件在机床上加工拉直基准和十字直边

(2)逆向工程建立三维模型。载人舱球壳采用德国GOM公司的ATOS测量系统来建立毛坯的三维模型。其原理是用测量头的两个相机记录下投射在物体表面的条纹图像,软件计算出测量点云的三维坐标。针对球壳毛坯的内外两个面,将球壳分成多个部分分别进行测量。然后系统利用参考点,自动确定实测测量头的位置,并将所有测量数据转换到一个共同的物体坐标系里,由点云自动生成产品毛坯的三维模型(见图4)。在照相时注重毛坯凹陷位置,力求数据准确。

图4采用ATOS系统进行三维造型

(3)数据分析。通过ATOS三维扫描逆向工程后得到的数据点进行曲面重构,由各曲面通过UG软件缝合成三维模型(见图5),采用ATOS软件与理论模型自动匹配得到基础数据,分析出毛坯余量最小区域和值(见图6)。毛坯最小余量位置在内球面底部,数值为0.9mm。

由于球壳圆周上要开孔,以焊接出入孔座和观察孔座,所以尽可能地将毛坯有缺陷的位置在开孔时去除掉。参照ATOS得出的数据,用UG装配手动调整逆向工程三维模型与理论模型位置,重点考虑底部余量最小区域和凹坑,同时兼顾毛坯各处余量尽可能均匀,得出机床的找正数据。

图5球壳逆向工程得到的三维模型

图6 ATOS自动匹配得到的最小余量数据

三、机床找正及数据验证

(1)机床找正。先将工件吊上自适应调平压紧工装,放平工件,用工装上的支撑柱支撑工件上的4个工艺搭子并进行微调,用百分表粗拉直工艺搭子上的拉直基准。根据分析对比得到的机床找正数据(见图7),用百分表调整工件的端面位置状态,接近于找正数据。用百分表精拉直基准,后重新用百分表调整工件,使打表数据与机床找正数据相同。最后打表压紧工件,工件压紧状态和自由状态,百分表的变动小于0.05mm。

(2)机床数据验证。工件毛坯按高度距离100mm,圆周30°的经纬度进行分点,在机床上用测量探头采集半径数据。数据采集完成后与毛坯三维模型数据对比分析,确定无误后进行产品的基准平面和内、外圆基准的加工。

粗加工时内、外圆单面留量5mm加工,使毛坯大部分见光。工件开孔,焊接孔座,真空热处理后重新逆向工程,建立三维模型,确认工件变形量及毛坯最小余量位置是否需要借量加工。

精加工前,在机床上用直径10mm的球刀试切最小余量位置,见光毛坯面,最终确定是否借量加工。

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