适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置及方法与流程

1.本发明涉及薄壁零件加工技术领域，尤其涉及一种适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置及方法。


背景技术：

2.在钢铁行业中，结晶器是承接从中间罐注入的钢水并使之按规定断面形状凝固成坚固坯壳的连续铸钢设备，它是连铸机最关键的部件。简单的说，其结构由宽面及窄面四块复合壁板及外框架组成。其中结晶器部件中的水箱、背板与铜板连接，冷却用水在水箱背板中循环，起到冷却铜板，帮助钢水凝固的作用。因此，结晶器背板的机体结构是由单薄的壁板形成壳体状结构且腔体较长，壁板间隔较为狭窄。在整个背板上还设计有大量的供螺栓连接通过的串联孔以及供水循环的通水孔。此种机体结构，在实际加工生产过程中给正常的铣削加工带来非常的阻碍，以致于为了避免铣削过程中由于工艺刚性不足产生的激振，对表面质量的影响，被迫更改加工工艺，改添磨削工序，因此对结晶器背板的加工质量、制造周期以及成本都带来严重影响。
3.此类结构形式属于标准的弱刚性结构，加工过程通常采用设置工艺块、辅助夹具、填料支撑等方式间接提高结构刚度，使工艺系统的固有频率远离切削系统的激励频率，以规避加工颤振的发生。如中国专利文献cn107378582a公开的薄壁支撑管加工夹具以及专利文献cn103465079a公开的汽车活塞缸筒专用薄壁加工胎具，都是通过机械结构的辅助夹具实现对薄壁产品的支撑，但此种支撑方式都需要被加工对象有足够的空间或位置可供这些机构的放置与使用。而针对结晶器背板这种长腔体且板壁间隔较为狭窄的结构，不利于或者说无法提供机械支撑机构的施展。而中国专利文献cn105479114a公开的一种薄壁构件防变形加工方法以及专利文献cn112427885a公开的适用于大型薄壁框环零件加工的方法及支撑机构，都提及以在工件内腔中灌入水溶性固化物如石膏进行支撑的技术路径方法，但此种填料支撑的方法更适用于半封闭空间，对于结晶器背板这种薄壁壳体上存在较多通孔的结构在实施时是极为困难与繁琐的。其次，包括石膏在内的多种水溶性固化物，在灌入后都需要大量的凝固时间，且在完成加工后拆解清理也较为麻烦费时，不适用于大批量的快速生产制造。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置及方法，本装置及方法克服传统类似于结晶器背板较为规则的长腔体、狭窄空间产品加工过程支撑的缺陷，有效抑制由于刚性不足导致的切削激振，保证了产品的加工质量精度，适用于大批量的快速生产制造。
5.为解决上述技术问题，本发明适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置包括气囊、气管、排气阀、调压阀、气泵和形位检测元件，根据薄壁壳体所需加工壁板对应的腔体裁剪所述气囊至相应形状并置于腔体内，所述排气阀、调压阀和气泵通过气管依次连接所述气囊，
所述形位检测元件设于薄壁壳体所需加工壁板表面并检测壁板变形。
6.进一步，所述气囊采用可裁剪的橡胶衬里的特种织物尼龙布制成。
7.进一步，所述气管是pu材质的柔性可弯曲气管。
8.进一步，所述形位检测元件是百分表。
9.进一步，本支撑装置还包括垫片，所述垫片置于所述气囊与壁板之间。
10.进一步，所述垫片是厚度为0.2～0.4mm的不锈钢薄片。
11.一种采用上述填充支撑装置的适用于薄壁壳体加工方法包括如下步骤：步骤一、根据薄壁壳体所需加工壁板对应的腔体裁剪橡胶衬里的特种织物尼龙布制成气囊，并将气囊推入腔体内；步骤二、将气管穿过不受加工影响的薄壁壳体通孔与气囊连接，并采用锁紧扣固定，防止因气压过高致使气管与气囊分离；步骤三、将气管另一头依次与排气阀、调压阀和气泵贯通连接；步骤四、根据薄壁壳体结构和所需加工壁板的表面情况，采用至少一个形位检测元件对壁板表面鼓起变形量进行监测；步骤五、打开气泵，通过调压阀调节气囊胎压，由小至大缓慢升高压力，并关注形位检测元件的数值变化；当气囊胎压过高或壁板鼓起变形量超出预定值时，通过排气阀缓慢排气泄压后，再通过调压阀重新调节气囊胎压，实现对壁板的保压支撑；步骤六、对壁板进行机加工作业，机加工完成后，打开排气阀释放气囊的气压，拔出与气囊连接的气管，并从薄壁壳体通孔处抽取出来，将气囊从薄壁壳体的腔体内缓慢取出，完成薄壁壳体的加工。
12.进一步，所述步骤一中气囊推入腔体后，将垫片沿着气囊与壁板之间的缝隙塞入，起到后续对气囊的保护作用，预防气囊因腔体内壁的毛刺被损伤。
13.进一步，所述步骤五中气囊的调压大小以及对壁板产生的鼓起变形量，根据所加工对象薄壁壳体的材质、结构、壁厚以及粗加工、精加工下切削力与工艺系统刚性的需求进行调节。
14.进一步，在薄壁壳体的壁板粗加工时，通过调压阀调节气囊胎压，促使壁板鼓起变形量在0.02～0.05mm之间，以得到更高的工艺刚性，提高粗加工刀具切削时的系统刚性；在薄壁壳体的壁板精加工时，为防止泄压后薄壁壳体的壁板表面受反变形的影响产生过大的凹陷，选择相对较小的气囊胎压，并将薄壁壳体的壁板鼓起变形量控制在0.005mm以下，以得到更优的表面加工精度。由于本发明适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置及方法采用了上述技术方案，即本装置根据薄壁壳体所需加工壁板对应的腔体裁剪气囊至相应形状并置于腔体内，排气阀、调压阀和气泵通过气管依次连接气囊，形位检测元件设于薄壁壳体所需加工壁板表面并检测壁板变形。本方法将气囊推入腔体内并依次与排气阀、调压阀和气泵贯通连接；采用形位检测元件对壁板表面鼓起变形量进行监测，打开气泵通过调压阀调节气囊胎压，并关注形位检测元件的数值变化，实现对壁板的保压支撑；对壁板进行机加工作业后拆除气管及气囊。本装置及方法克服传统类似于结晶器背板较为规则的长腔体、狭窄空间产品加工过程支撑的缺陷，有效抑制由于刚性不足导致的切削激振，保证了产品的加工质量精度，适用于大批量的快速生产制造。
附图说明
15.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：图1为本发明适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置示意图；图2为图1的a部放大示意图。
具体实施方式
16.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以钢铁行业连铸结晶器中的薄壁壳体窄面背板加工的填充支撑为例。如图1和图2所示为该窄面背板的侧面剖视图和a部放大图，该窄面背板1的腔体11接近半封闭体，整体被十余个通孔12贯穿，壁板13之间间隔较近且狭长，难以设计出能满足该类产品加工的辅助工装。传统填料支撑的方法，如石膏填充，需要将各通孔12用石蜡等进行密闭，以保证石膏的水溶性固化物不会流出，作业繁琐，较薄的板板也不利于该项工作的开展。其次。水溶性固化物在凝固及后续软化清除过程中耗时太长，不利于产品的批量性快速生产。
17.为解决上述技术问题，本发明适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置包括气囊2、气管3、排气阀4、调压阀5、气泵6和形位检测元件7，根据薄壁壳体所需加工壁板13对应的腔体裁剪所述气囊2至相应形状并置于腔体内，所述排气阀4、调压阀5和气泵6通过气管3依次连接所述气囊2，所述形位检测元件7设于薄壁壳体所需加工壁板13表面并检测壁板13变形。
18.优选的，所述气囊2采用可裁剪的橡胶衬里的特种织物尼龙布制成。
19.优选的，所述气管3是pu材质的柔性可弯曲气管。
20.优选的，所述形位检测元件7是百分表。
21.优选的，本支撑装置还包括垫片8，所述垫片8置于所述气囊2与壁板13之间。为了提升气囊的使用频次及寿命，以及考虑到腔体内可能存在的翻口毛刺对气囊的损伤破坏，采用垫片置于气囊与壁板之间以起到保护气囊的作用。
22.优选的，所述垫片8是厚度为0.2～0.4mm的不锈钢薄片。
23.一种采用上述填充支撑装置的适用于薄壁壳体加工方法包括如下步骤：步骤一、用橡胶衬里的特种织物尼龙布，根据该窄面背板腔体形状裁剪并制成两个气囊2，为了保证填充支撑有效的同时又能便于气囊2的放入，在设计裁剪气囊2大小时气囊2与腔体轮廓间留出10～20mm的间距；步骤二、将两个气囊2分别推入窄面背板上下两个水槽的壁板13之间狭长的水槽腔体11内；步骤三、同样根据所需加工支撑的窄面背板形状裁剪出比气囊2大小略大的垫片8；如图2所示，将垫片8沿着气囊2与壁板13间的缝隙塞入，以起到后续对气囊2的保护作用，预防气囊2因腔体内壁的毛刺等被损伤，而影响到支撑效果；步骤四、从窄面背板1背面的上部和下部通孔12将气管3穿入水槽腔体11内与气囊2连接，并保证紧固；步骤五、为了保证上下两个水槽腔体11内气囊压力均能得到精确控制，设计上下两路压力分别精确控制的管道路线；通过气管3将上下两路的排气阀4、调压阀5单独连接后，汇聚至三通接头9处；步骤六、通过气管3将三通接头9与气泵6连接贯通；
步骤七、采用两个形位检测元件7支顶于窄面背板1的壁板11表面，对鼓起变形量进行监测；步骤八、打开气泵6，通过上下两个调压阀5分别调节上下两个气囊2中的胎压，且由小至大缓慢升高压力，并关注壁板13表面上形位检测元件7的数值变化；若气囊2胎压过高或壁板13鼓起变形量超出预定值时，通过排气阀4缓慢排气泄压，再通过调压阀5重新调节气囊2胎压；步骤九、当上述步骤完成，便可对壁板13进行正常的机加工作业；该窄面背板1的壁板13按技术工艺分粗加工和精加工两个工序；粗加工去除量约2.5mm，为保证壁板13具有较好的工艺刚性，在实际粗加工前，通过调压阀5调节气囊2胎压，促使壁板13鼓起变形量在0.05mm左右，在粗加工结束后，通过排气阀4将气囊2中的气压进行释放并进行一定时间的时效处理；在精加工前，再通过调压阀5调节气囊2胎压，促使壁板13鼓起变形量至0.005mm并不超过0.01mm的范围内，对壁板13表面进行精加工，以保证加工表面的平整；步骤十、机加工完成，打开排气阀4全部释放出气囊2的气压；步骤十一、拔出与气囊2连接的气管3，并从窄面背板1的通孔12处抽取出来，并将衬入气囊2与壁板13缝隙间的垫片8抽取出来；步骤十二、将气囊2从窄面背板1的腔体11内缓慢取出，避免因快速抽取导致的气囊2表面因壁板13表面毛刺等对其的损伤，便于重复使用。
24.本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本装置及方法对于此类具有薄壁壳体特征的狭长腔体起到有效填充支撑作用，使切削激振能得到有效抑制，有利于切削加工的进行，保证了产品表面加工的质量精度。
25.2、相较于机械支撑的机构方式，解决了机械支撑机构对于此类狭长腔体受机械结构限制难以设计相应辅助支撑机构以及受空间限制无法施展使用的问题。
26.3、相较于传统填料支撑的技术方法，采用以气囊式填充为主的方法有效克服了所需填充腔体壁板孔洞多难以密闭，影响或限制包括石膏在内的多种水溶性固化物填充的难题。
27.4、在狭长腔体，相较于所采用的传统水溶性固化物填充支撑方法，本发明所采用以气囊式填充为主的方法，无需等待填充物凝固及后续拆除过程中软化清除的等待时间与工序，大幅缩短产品生产周期。
28.5、本发明所采用的气囊式结构，使其具有可重复使用且环保，降低了产品生产成本，适用于大批量快速生产制造的需要。
29.本装置及方法简单有效，可重复使用，对于类似产品的填充支撑具有很好的借鉴意义和广泛的推广价值。通过本装置及方法的实施，有效解决了薄壁壳体由于壁板单薄切削激振严重，加工缓慢、表面质量难以保证的问题，使得加工变得简单、高效。大幅缩短传统加工前石膏填充等的准备及其加工后软化清理的时间，提高加工效率的同时，减少了加工成本，具有显著的技术效果。

技术特征：
1.一种适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置，其特征在于：包括气囊、气管、排气阀、调压阀、气泵和形位检测元件，根据薄壁壳体所需加工壁板对应的腔体裁剪所述气囊至相应形状并置于腔体内，所述排气阀、调压阀和气泵通过气管依次连接所述气囊，所述形位检测元件设于薄壁壳体所需加工壁板表面并检测壁板变形。2.根据权利要求1所述的适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置，其特征在于：所述气囊采用可裁剪的橡胶衬里的特种织物尼龙布制成。3.根据权利要求1或2所述的适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置，其特征在于：所述气管是pu材质的柔性可弯曲气管。4.根据权利要求3所述的适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置，其特征在于：所述形位检测元件是百分表。5.根据权利要求3所述的适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置，其特征在于：本支撑装置还包括垫片，所述垫片置于所述气囊与壁板之间。6.根据权利要求5所述的适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置，其特征在于：所述垫片是厚度为0.2～0.4mm的不锈钢薄片。7.一种采用权利要求1至6任一项所述填充支撑装置的适用于薄壁壳体加工方法，其特征在于本方法包括如下步骤：步骤一、根据薄壁壳体所需加工壁板对应的腔体裁剪橡胶衬里的特种织物尼龙布制成气囊，并将气囊推入腔体内；步骤二、将气管穿过不受加工影响的薄壁壳体通孔与气囊连接，并采用锁紧扣固定，防止因气压过高致使气管与气囊分离；步骤三、将气管另一头依次与排气阀、调压阀和气泵贯通连接；步骤四、根据薄壁壳体结构和所需加工壁板的表面情况，采用至少一个形位检测元件对壁板表面鼓起变形量进行监测；步骤五、打开气泵，通过调压阀调节气囊胎压，由小至大缓慢升高压力，并关注形位检测元件的数值变化；当气囊胎压过高或壁板鼓起变形量超出预定值时，通过排气阀缓慢排气泄压后，再通过调压阀重新调节气囊胎压，实现对壁板的保压支撑；步骤六、对壁板进行机加工作业，机加工完成后，打开排气阀释放气囊的气压，拔出与气囊连接的气管，并从薄壁壳体通孔处抽取出来，将气囊从薄壁壳体的腔体内缓慢取出，完成薄壁壳体的加工。8.根据权利要求7所述的适用于薄壁壳体加工方法，其特征在于：所述步骤一中气囊推入腔体后，将垫片沿着气囊与壁板之间的缝隙塞入，起到后续对气囊的保护作用，预防气囊因腔体内壁的毛刺被损伤。9.根据权利要求7所述的适用于薄壁壳体加工方法，其特征在于：所述步骤五中气囊的调压大小以及对壁板产生的鼓起变形量，根据所加工对象薄壁壳体的材质、结构、壁厚以及粗加工、精加工下切削力与工艺系统刚性的需求进行调节。10.根据权利要求9所述的适用于薄壁壳体加工方法，其特征在于：在薄壁壳体的壁板粗加工时，通过调压阀调节气囊胎压，促使壁板鼓起变形量在0.02～0.05mm之间，以得到更高的工艺刚性，提高粗加工刀具切削时的系统刚性；在薄壁壳体的壁板精加工时，为防止泄压后薄壁壳体的壁板表面受反变形的影响产生过大的凹陷，选择相对较小的气囊胎压，并
将薄壁壳体的壁板鼓起变形量控制在0.005mm以下，以得到更优的表面加工精度。

技术总结
本发明公开了一种适用于薄壁壳体加工的填充支撑装置及方法，本装置根据薄壁壳体所需加工壁板对应的腔体裁剪气囊至相应形状并置于腔体内，排气阀、调压阀和气泵通过气管依次连接气囊，形位检测元件设于薄壁壳体所需加工壁板表面并检测壁板变形。本方法将气囊推入腔体内并依次与排气阀、调压阀和气泵贯通连接；采用形位检测元件对壁板表面鼓起变形量进行监测，打开气泵通过调压阀调节气囊胎压，并关注形位检测元件的数值变化，实现对壁板的保压支撑；对壁板进行机加工作业后拆除气管及气囊。本装置及方法有效抑制由于刚性不足导致的切削激振，保证了产品的加工质量精度，适用于大批量的快速生产制造。大批量的快速生产制造。大批量的快速生产制造。


技术研发人员：董黎和 归卓骏 吕秋萍 郑顺荣 赵杰
受保护的技术使用者：宝武装备智能科技有限公司
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/14