ICS01. 100. 01 CCSJ38
团 体 标 准
T/SCGS317001—2023
浮动装夹自适应加工工艺规范
Specificationsforadaptivemachiningprocessoffloatingclamping
2023-12-23发布
2023-12-24实施
中 国 图 学 学 会 中国标准出版社 发 布 出 版
T/SCGS317001—2023
目 次
前言 ………………………………………………………………………………………………………… Ⅲ 引言 ………………………………………………………………………………………………………… Ⅳ 1 范围 ……………………………………………………………………………………………………… 1 2 规范性引用文件 ………………………………………………………………………………………… 1 3 术语和定义 ……………………………………………………………………………………………… 1 4 总体要求 ………………………………………………………………………………………………… 1 4. 1 原理 ………………………………………………………………………………………………… 1 4. 2 工艺要素的分类 …………………………………………………………………………………… 2 5 装夹系统 ………………………………………………………………………………………………… 2 5. 1 通用要求 …………………………………………………………………………………………… 2 5. 2 装夹系统构成 ……………………………………………………………………………………… 2 6 工艺流程 ………………………………………………………………………………………………… 5 6. 1 概述 ………………………………………………………………………………………………… 5 6. 2 加工前工艺准备 …………………………………………………………………………………… 5 6. 3 装夹定位及布局 …………………………………………………………………………………… 7 6. 4 夹具及工件安装 …………………………………………………………………………………… 8 6. 5 自适应加工 ………………………………………………………………………………………… 9 附录 A (规范性) 6+X 定位原理 ……………………………………………………………………… 10 附录 B (资料性) 典型装夹示例 ………………………………………………………………………… 12 参考文献 …………………………………………………………………………………………………… 14 图 1 定位模块示例 ………………………………………………………………………………………… 3 图 2 总流程图 ……………………………………………………………………………………………… 5 图 3 压板式夹紧方式示意图 ……………………………………………………………………………… 6 图 4 拉钉式夹紧方式示意图 ……………………………………………………………………………… 6 图 5 真空式夹紧方式示意图 ……………………………………………………………………………… 7 图 6 定位方式 ……………………………………………………………………………………………… 8 图 7 装夹布局示例 ………………………………………………………………………………………… 8 图 B. 1 压板式夹紧方法 ………………………………………………………………………………… 12 图 B. 2 框式结构压板式夹紧方法 ……………………………………………………………………… 12 图 B. 3 拉钉式夹紧方法 ………………………………………………………………………………… 13 图 B. 4 真空式夹紧方法 ………………………………………………………………………………… 13
Ⅰ
T/SCGS317001—2023
前 言
本文件按照 GB/T1. 1—2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定 起草。 本文件由南京航空航天大学提出。 本文件由中国图学学会归口。 本文件起草单位:南京航空航天大学、航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司、中国商飞上海 飞机制造有限公司、雁栖湖基础制造技术研究院(北京)有限公司。 本文件主要起草人:李迎光、刘长青、牟文平、郝小忠、赵智伟、何方舟、高鑫、冯峰、倪炀、李德华、 李卫东、郭浩楠、王斌利、周光哲、潘新、赵宇杰、陈俊松、王恩宁、陈智斌。
Ⅲ
T/SCGS317001—2023
引 言
新一代机械产品对加工变形控制提出了更高的要求,现有的优化和调整方法基于固定装夹加工工 艺方法,将工件直接固定于工作台上加工,难以在加工过程中释放并消除工件变形,导致工件变形问题 随加工逐步累积,加工完成后松开装夹导致零件变形超差。 浮动装夹自适应加工工艺将工件撑起加工,可在加工过程中释放变形,进而实现加工变形的有效控 制。该工艺已在成飞、上飞等国内大型航空航天企业得到使用。然而,当前国内外均未针对浮动装夹自 适应加工的工艺规范形成相应标准,包括工件毛坯设计、工件装夹布局、工件定位夹紧指标及浮动装夹 加工工艺标准等,制约了该项工艺在国内的推广。 制定浮动装夹自适应加工工艺规范,规定工件浮动装夹自适应加工的总体要求、装夹系统设计制造 的通用要求以及加工工艺流程,可利于浮动装夹自适应加工工艺在国内各家制造单位推广,促进金属材 料框、梁、壁板等机械制造领域零件加工精度的提高。 本文件的发布机构提请注意,声明符合本文件时,可能涉及到专利(CN201610518135. 6)“6+X 定 位方法”,(CN201410768014. 8)“浮动装夹自适应加工方法与工艺装备”、(CN202010747996. 8)“一种在 零件加工过程中精确测量变形力的方法及装置”相关的专利的的使用。 本文件的发布机构对于这些专利的真实性、有效性和范围无任何立场。 该专利持有人已向本文件的发布机构承诺,他愿意同任何申请人在合理且无歧视的条款和条件 下,就专利授权许可进行谈判。该专利持有人的声明已在本文件的发布机构备案。相关信息可以通过 以下联系方式获得: 专利持有人姓名:李迎光、郝小忠、刘长青、赵智伟、陈耿祥、牟文平、赵雪冬 地址:江苏省南京市秦淮区御道街29号南京航空航天大学明故宫校区 请注意除上述专利外,本文件的某些内容仍可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的 责任。
Ⅳ
T/SCGS317001—2023
浮动装夹自适应加工工艺规范
1 范围
本文件规定了工件浮动装夹自适应加工的总体要求、工艺流程,以及浮动装夹系统设计制造的通用
要求。
本文件适用于金属材料框、梁、壁板等制造业领域工件的浮动装夹自适应加工工艺。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注明年份的引用
文件,仅该年份对应的版本适用于本文件;不注年份的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用
于本文件。
GB/T3766—2015 液压传动 系统及其元件的通用规则和安全要求
GB/T4208—2017 外壳防护等级(IP代码)
GB/T4863 机械制造工艺基本术语
GB/T7932—2017 气动 对系统及其元件的一般规则和安全要求
3 术语和定义
GB/T4863界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3. 1 浮动装夹自适应加工 floatingclampingadaptivemachining 在加工中自适应释放、监测并控制工件变形的加工工艺。 3. 2 6+X 定位方法 6+Xlocatingmethod 固定装夹区域限制工件 6 个自由度,浮动装夹区域采用 X 个浮动定位点辅助支撑工件的定位 方法。 3. 3 浮动模块 floatingmodule 装夹装备中用于浮动的组件。
4 总体要求
4. 1 原理 4. 1 6+X 定位方法 将待加工工件划分为固定装夹区域和浮动装夹区域,固定装夹区域限制工件6个自由度,保证加工 基准,浮动装夹区域采用 X 个浮动定位点辅助支撑工件,具体按附录 A 中 A. 1。 [来源:专利“6+X 定位方法”,专利号:CN201610518135. 6] 1
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4.
2 浮动装夹自适应加工
基于6+X 定位方法划分装夹区域,在加工过程中保持工件夹紧,在加工间隙打开浮动装夹区域的
装夹释放工件变形并监测变形信息,根据监测变形信息的实际情况调整对应加工策略。
[来源:专利“浮动装夹自适应加工方法与工艺装备”,专利号:CN201410768014.
8]
4.
2 工艺要素的分类
浮动装夹自适应加工工艺按工艺要素分为:
a) 加工用机床;
b) 加工工件;
c) 浮动装夹系统。
5 装夹系统
5. 1 通用要求 5. 1 使用环境 装夹系统的使用环境满足如下要求: a) 夹具系统的工作温度应在10 ℃~50 ℃内; b) 气动夹具系统的工作气压应在0. 6bar~1bar内,液压夹具系统的工作液压应在2. 5 MPa~ 7MPa范围内。 5. 2 排屑
装夹系统的排屑满足如下要求:
a) 排屑过程应优先去除测量点、支撑面、夹紧面位置的切屑;
b) 夹紧模块选用拉钉式夹紧方式时,夹紧模块应具备气压排屑功能。
5.
3 防水
依据 GB/T4208—2017,装置外壳防护等级应达到IP68级。
5.
2 装夹系统构成
5.
1 通用要求
装夹系统应由硬件与控制系统构成。
5.
2 硬件
52.1 概述
装夹系统的硬件部分包括总体结构、装夹单元、变形监测模块和动力模块。
5.2 总体结构
52.1 夹紧模块
装备夹紧工件的夹紧模式包括压板式夹紧、拉钉式及真空式夹紧,夹紧力大小应满足工件在加工中
防移动的要求。
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5.2 浮动模块
浮动模块在打开时应具备充分释放工件变形的能力,夹紧时应按照工件当前位姿自适应夹紧工
件,夹紧过程不应导致工件产生装夹变形。
52.3 定位模块
定位模块应满足如下要求:
a) 由3个定位部件组成,部件 A 的定位区域由一个小平面及一个圆柱短销组成,部件 B 的定位
区域由1个小平面及1个菱形短销组成,部件C的定位区域由一个小平面组成,定位模块部件
的布置如图 1所示;
b) 定位部件的布置应按照6+X 定位方法;
c) 部件 A 圆柱短销与工件配合的最大间隙及部件 B 菱形短销的长头与工件配合的最大间隙应
满足该工件加工设计的定位精度要求。
图 1 定位模块示例
52.3 装夹单元
52.31 固定装夹单元
固定装夹单元应满足如下要求:
a) 依据6+X 定位,限制工件的6个自由度;
b) 抵抗工件重力载荷;
c) 不干涉工件加工。
5. 2. 2. 3. 2 浮动装夹单元 浮动装夹单元应满足如下要求: a) 包含浮动模块及锁紧模块; b) 能抵抗加工切削力及工件重力载荷; c) 在打开状态下满足工件释放变形需求; d) 能在打开与夹紧状态切换; e) 所提供的夹紧力及刚度能保证工件加工不产生移动; f) 不干涉工件加工。
3
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52.3 辅助支撑单元
辅助支撑单元满足如下条件:
a) 能在打开与夹紧状态切换;
b) 运动行程可保证工件变形充分释放。
52.4 变形监测模块
52.41 变形力监测
变形力监测满足如下要求:
a) 变形力监测装置的量程应大于夹紧单元的夹紧力,精度应不低于量程的5‰;
b) 变形力监测装置应具有足够的强度保持加工过程的稳定性;
c) 装置 应 具 备 防 水、防 污 的 功 能,防 护 等 级 应 符 合 GB/T 4208—2017 外 壳 防 护 等 级 中 的
IP68级。
d) 变形力监测点的位置根据材料几何选择外围角点或边界点,且应保证变形力的测量位置形成
的区域包络整体材料。
5.42 变形量监测 变形量监测装置包括接触式及非接触式,满足如下要求: a) 量程应大于工件变形量,测量精度不低于0. 01mm; b) 防护等级应达到 GB/T4208—2017外壳防护等级中规定的IP68级。 5. 2. 2. 5 动力模块 动力模块满足如下要求: a) 液压控制 压力监测、保压,夹具系统应具有液压保压功能,液压控制设计应按 GB/T3766—2015中液压 传动系统及其元件的通用规则和安全要求; b) 气压控制 压力监测、保压,夹具系统应具有气压保压功能,气压控制设计应按 GB/T7932—2017中气动 对系统及其元件的一般规则和安全要求; c) 电路控制 电路电压、保护,夹具系统内部电路防护等级应高于 GB/T4208—2017 外壳防护等级中的 IP68级。
5.
3 控制系统
5.
2.
1 概述
控制系统包括通信系统和数据采集系统。
5.
2.
2 通信系统
通信协议的传输距离应大于1000m,传输速率应不小于0.
5mbit/s。
5.
2.
3 数据采集
数据采集系统满足如下要求:
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a) 夹具系统数据采集
应能采集变形数据、力数据。
b) 机床数据采集
应能获得机床加工状态。
6 工艺流程
6. 1 概述 浮动装夹自适应加工工艺流程包括加工前工艺准备、装夹定位及布局、夹具及工件安装以及自适应 加工,流程如图 2所示。
图 2 总流程图
6.
2 加工前工艺准备
6.
1 夹具选型
6.
2.
1 夹紧力大小
夹紧力大小应根据工件加工过程中的切削力确定,保证工件在加工过程中的稳定性。对于航空航
天工件常用材料,铝合金工件夹紧力宜在500N~2000N,钛合金工件夹紧力在5000N~7000N。
6.
2.
2 夹具材料
夹具材料应能够适应存在大量切屑和切削液的加工环境,应选用具有良好耐腐蚀性的材料。用于
铝合金工件加工的夹具,夹具材料宜选用6061铝合金;用于钛合金工件加工的夹具,夹具材料建议选用
45钢。
6.
2.
3 夹紧方式
常见的夹紧方式包括压板式、拉钉式和真空式3种:
a) 压板式
对于切削力较大,加工面有足够空间避免压板和刀具干涉的工件,宜选择压板式夹紧方式,如
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图3所示,典型装夹示例见附录 B中 B.
1和 B.
2;
标引序号说明:
1———压板;
2———压力、位移传感器;
3———支撑模块;
4———浮动机构。
图 3 压板式夹紧方式示意图
b) 拉钉式
对于有多次装夹需求的工件,宜选择拉钉式夹紧方式,如图 4所示,典型装夹示例见 B.
3;
标引序号说明:
1———工件;
2———锁紧销;
3———夹紧拉钉;
4———零点定位。
图 4 拉钉式夹紧方式示意图
6
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c) 真空式
对于切削力较小,无法设计工艺凸台的工件,宜选择真空式夹紧方式,如图 5所示,典型装夹示例
见 B.
4。
标引序号说明:
1———真空吸盘头;
2———工件。
图 5 真空式夹紧方式示意图
6.
2 工件毛坯设计
工件毛坯的设计符合如下要求: a) 工件毛坯的尺寸应保证包络工件最终加工几何形装; b) 工件毛坯应留有用于装夹装置夹紧的区域,如夹紧用凸台或工艺孔: 1) 凸台尺寸应不小于30mm×30mm×30mm,凸台间的间距应不大于300mm; 2) 毛坯用于定位的3个凸台,应设计用于定位的通孔,平面度应小于0. 1mm; 3) 对于采用拉钉式夹紧的毛坯,浮动装夹区域凸台应设计有用于装配拉钉的螺纹孔。 6. 3 装夹定位及布局
6.
1 定位方式
根据6+X 定位方法,在固定装夹区域设置 A、B、C3个定位点,如图 6所示。
7
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标引序号说明:
1———浮动装夹区域;
2———固定装夹区域。
图 6 定位方式
6. 3. 2 工件装夹布局 工件毛坯的装夹布局包含如下要求: a) 根据6+X 定位方法,选取工件中间位置区域作为固定装夹区域,边缘位置区域作为浮动装夹 区域,装夹布局如图 7所示; b) 装夹单元所包围的区域应在长、宽方向上完全包络毛坯; c) 毛坯刚度较弱区域应增加辅助支撑单元。 标引序号说明: 1、3———浮动装夹区域; 2 ———固定装夹区域。
图 7 装夹布局示例
6. 4 夹具及工件安装 夹具及工件安装步骤如下: a) 依 据 6+X 定 位 方 法,安 装 3 个 固 定 装 夹 夹 具,固 定 装 夹 夹 具 的 定 位 面 平 面 度 应 不 大 于0. 02mm; b) 安装 X 个浮动装夹夹具; 8
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c) 放置毛坯,毛坯定位用凸台应贴合固定装夹的定位面,根据固定装夹单元的定位销和定位面
定位工件,并通过固定装夹将毛坯夹紧,完成定位;
d) X 个浮动装夹根据工件当前位姿,同时夹紧工件。
6. 5 自适应加工 6. 5. 1 浮动模块打开 基于加工过程中的力、位移等监测数据或其他工艺设计,确定浮动模块的打开时机,浮动模块打开 后,应不约束工件变形的充分释放。
6.
2 浮动模块夹紧
当完成工件变形释放过程后,夹紧浮动模块,夹紧过程不应导致工件产生变形。
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附 录 A
(规范性)
6+X 定位原理
A. 1 6+X 定位方法 A. 1. 1 概述 将加工工件划分为固定装夹和浮动装夹的区域。固定装夹区域限制工件6个自由度,保证加工基 准,浮动装夹区域采用 X 个浮动定位点辅助支撑工件,浮动定位点在加工过程中根据工件变形不断调 整定位位置以充分释放变形。工件的固定装夹区域根据工件中间加工状态质心确定,工件的其余区域 为浮动装夹区域。
A.
2 计算方法
A. 2. 1 中间加工状态质心的计算方法 首先,通过分析工件的结构特征和加工特点,对工件进行加工特征分类,并定义各特征加工时的材 料去除区域为该特征的加工几何;再根据工件加工工艺参数对加工几何进行分层,以单个特征加工几何 的单个加工层为一个加工单元,工件加工过程中每去除一个加 工单元,即产生一个新的中间加工状 态,计算所有加工单元所对应的中间加工状态下的质心。如式(A. 1)所示,中间加工状态几何表示为毛 坯减掉已去除的加工单元: k PG =SG -∑ i=1 MGi ……………………(A. 1) 式中: PG ———当前中间加工状态几何; SG ———毛坯几何; k ———当前已去除的加工单元的数量; MGi ———工件的第i个加工单元的几何。 工件中间加工状态质心由毛坯的质心和加工单元的质心计算如式(A. 2)所示: rp → = msrs → -∑ i=1 k k mir → i ……………………(A. 2) ms -∑ i=1 mi 式中: r → p ———当前中间加工状态质心的位置矢量; ms ———毛坯质量; rs → ———毛坯质心位置矢量; mi ———第i个加工单元的质量; r → i ———第i个加工单元的质心位置矢量; k ———当前已去除的加工单元的数量。
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A.
2.
2 固定装夹区域的确定方法
A.21 方法1
在工件上确定主定位面,在主定位面上确定一个三角形包络工件所有中间加工状态质心,从而使工
件所受的支撑力和重力保持平衡,保持工件稳定,再优化三角形区域顶点位置,使其面积最小,从而减小
其对释放变形的影响,三角形区域即为固定装夹区域。方法步骤如下:
步骤一:根据工件特征确定主定位面,一般选取工件的下表面;
步骤二:将工件的全部中间加工状态的质心投影到主定位面上;
步骤三:采用优化算法求解三角形区域。以包络所有质心投影为约束,并保证三角形三边边长都不
小于定位元件所需要的尺寸,以三角形区域面积最小为优化目标,求解最优3个顶点坐标,解得的三角
形区域即为固定装夹区域。
A1.2 方法2 首先在工件上确定主定位面,再计算中间加工状态质心集的中心,根据实验法或计算分析法在工件 主定位面上确定变形满足一定条件的区域Sur,在区域Sur内找到一个三角形区域,使其包络最多的中 间加工状态质心,从而使工件所受的支撑力和重力保持平衡,保持工件稳定,再使优化顶点面积最小,从 而减小其对释放变形的影响,求解的三角形区域即为固定装夹区域。方法步骤如下: 步骤一:根据工件特征选取主定位面,一般选取工件的下表面; 步骤二:将工件的全部中间加工状态的质心投影到主定位面上; 步骤三:按式(A. 3)计算中间加工状态质心集的中心r0 →。设工件有n 个加工单元,则有n 个中间加 工状态质心,则r0 →表示为: n r0 → =∑ p=1 n r → p ……………………(A. 3) 式中: r → p———第p 个中间加工状态的质心位置矢量,将r0 →投影到主定位面上,投影为O0。 步骤四:根据实验法或计算法得到工件整体变形分布,在工件主定位面上选择相对于中间加工状态 质心集的中心O0变形量小于δ1的连续区域为 Sur。式中δ1根据工件允许变形量(δ0)选取,δ1=μ* δ0,其中,μ 通过经验确定,一般取0. 2~0. 5; 步骤五:以区域Sur为三角形顶点的约束,以三角形区域所包络质心数量为优化目标,采用优化算 法求解三角形区域所能包络的最大质心数目P; 步骤六:采用优化算法在区域Sur内求解三角形,使其包络P 个质心,以三角形区域面积最小为优 化目标,并保证三角形三边边长都不小于定位元件所需要的尺寸,求解最优3个顶点坐标,解得的三角 形区域即为固定装夹区域。三角形区域未包络的质心所对应的中间加工状态不能进行变形释放。
1
1
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附 录 B
(资料性)
典型装夹示例
B.
1 概述
依据本文件规定的浮动装夹装备装夹方法,给出所罗列4种装夹方式工件的装夹示例。
B. 2 单面特征钛合金结构件装夹案例 针对单面具有特征的钛合金结构件,由于其加工过程切削力较大,加工面有足够空间避免压板和刀 具干涉的工件,采用压板式夹紧方法,如图 B. 1所示。 图 B. 1 压板式夹紧方法
B.
3 双面特征结构件装夹案例
针对双面具有特征的结构件,由于双面加工及变形释放的需要,采用框式结构压板式夹紧方法,如
图 B.
2所示。
图 B.
2 框式结构压板式夹紧方法
B.
4 单面特征铝合金结构件装夹案例
针对单面具有特征的铝合金结构件,由于其加工过程切削力较小,加工过程有多次装夹需求,采用
1
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拉钉式夹紧方法,如图 B.
3所示。
图 B.
3 拉钉式夹紧方法
B.
5 单面特征无工艺凸台工件装夹案例
针对单面特征无工艺凸台工件,由于对加工过程装夹稳定的保证,采用真空式夹紧方法,如图 B.
4
所示。
图 B.
4 真空式夹紧方法
1
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参 考 文 献
[1] 郝小忠,李迎光,陈耿祥等.6+X 定位方法:CN201610518135. 6[P]. 2017-06-27. [2] 李迎 光,郝 小 忠,刘 长 青 等.浮 动 装 夹 自 适 应 加 工 方 法 与 工 艺 装 备:CN201410768014. 8 [P]. 2015-10-28. [3] 李 迎 光,刘 长 青,赵 智 伟 等.一 种 在 零 件 加 工 过 程 中 精 确 测 量 变 形 力 的 方 法 及 装 置: CN202010747996. 8[P].2022-02-11. [4] HaoXZ,LiY G * ,ChenG X,LiuC Q.6+Xlocatingprinciplebasedondynamicmass centersofstructuralpartsmachinedbyresponsivefixtures[J].InternationalJournalofMachineTools andManufacture,2018,125:112-122. [5] XiaozhongHao,YingguangLi * ,GengxiangChen,ChangqingLiu.6+ Xlocatingprinciple basedondynamicmasscentersofstructuralpartsmachinedbyresponsivefixtures[J].International JournalofMachineToolsandManufacture,2018,125:112-122.
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