4500米載人潛水器作為國家863計劃重大項目之一，是我國自主設(shè)計并制造的深海資源探測及救援工具。潛水器的核心部件載人艙球殼，材料為TC4鈦合金，其毛坯分為上、下兩個半球沖壓而成，完成機械加工后，最終將兩個半球焊接成一個整體圓球。
半球毛坯由一塊TC4鈦合金圓板沖壓而成，受沖壓工藝、板材材質(zhì)、大厚度以及拉伸量過深等因素影響，半球毛坯外形極不規(guī)則，內(nèi)外球面上甚至有多處凹坑，部分位置厚度接近精加工極限尺寸，加工余量偏小且極不均勻。由于毛坯價值非常高，采用傳統(tǒng)的劃線考料和機床考量找正等方法風險極大，需要確定毛坯所有部位精確的加工余量。
根據(jù)這種情況我公司采用三維掃描儀與傳統(tǒng)找正相結(jié)合的方法，在加工前進行數(shù)據(jù)驗證，最終解決了毛坯找正的難題，完成了產(chǎn)品的加工。
一、毛坯存在的問題及找正風險
球殼毛坯外形極不規(guī)則，外徑尺寸約為φ2258mm，內(nèi)徑約為φ2065mm，高度約為1261mm，重量為5噸。毛坯內(nèi)外球面有多處凹坑（見圖1、圖2），口部直邊不平整，用超聲波測厚儀檢測，厚度最厚達到96mm，底部最薄處厚度為57mm，理論余量3mm，但受內(nèi)外圓凹坑位置影響，實際余量小于3mm。
圖1毛坯球面凹坑1
圖2毛坯球面凹坑2
由于半球毛坯存在的問題以及鈦合金不規(guī)則外形的粗加工變形大，找正誤差、裝夾以及粗加工后真空退火處理變形等因素，加工風險很大。毛坯找正的重點在于底部最薄位置，同時要兼顧不規(guī)則形狀和多處凹坑。使用常規(guī)的劃線考料和機床考量等找正方法，無法確保所有部位加工余量足夠。正式加工前的首要問題就是建立毛坯的三維模型，之后實現(xiàn)球殼毛坯精確找正，將逆向工程的毛坯理想狀態(tài)在機床上找正時重現(xiàn)。
二、建立毛坯三維模型和數(shù)據(jù)分析
（1）建立毛坯三維模型前的準備。為了使毛坯在機床上能按照逆向工程三維模型給出的數(shù)據(jù)精確定位，需要在毛坯2個工藝搭子上加工出拉直基準，在開口端面上銑出十字直邊，以方便打表定位（見圖3）。由于四個工藝搭子不平，需制作自適應(yīng)調(diào)平壓緊工裝，避免工藝裝夾變形。
圖3工件在機床上加工拉直基準和十字直邊
（2）逆向工程建立三維模型。載人艙球殼采用德國GOM公司的ATOS測量系統(tǒng)來建立毛坯的三維模型。其原理是用測量頭的兩個相機記錄下投射在物體表面的條紋圖像，軟件計算出測量點云的三維坐標。針對球殼毛坯的內(nèi)外兩個面，將球殼分成多個部分分別進行測量。然后系統(tǒng)利用參考點，自動確定實測測量頭的位置，并將所有測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個共同的物體坐標系里，由點云自動生成產(chǎn)品毛坯的三維模型（見圖4）。在照相時注重毛坯凹陷位置，力求數(shù)據(jù)準確。
圖4采用ATOS系統(tǒng)進行三維造型
（3）數(shù)據(jù)分析。通過ATOS三維掃描逆向工程后得到的數(shù)據(jù)點進行曲面重構(gòu)，由各曲面通過UG軟件縫合成三維模型（見圖5），采用ATOS軟件與理論模型自動匹配得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析出毛坯余量最小區(qū)域和值（見圖6）。毛坯最小余量位置在內(nèi)球面底部，數(shù)值為0.9mm。
由于球殼圓周上要開孔，以焊接出入孔座和觀察孔座，所以盡可能地將毛坯有缺陷的位置在開孔時去除掉。參照ATOS得出的數(shù)據(jù)，用UG裝配手動調(diào)整逆向工程三維模型與理論模型位置，重點考慮底部余量最小區(qū)域和凹坑，同時兼顧毛坯各處余量盡可能均勻，得出機床的找正數(shù)據(jù)。
圖5球殼逆向工程得到的三維模型
圖6 ATOS自動匹配得到的最小余量數(shù)據(jù)
三、機床找正及數(shù)據(jù)驗證
（1）機床找正。先將工件吊上自適應(yīng)調(diào)平壓緊工裝，放平工件，用工裝上的支撐柱支撐工件上的4個工藝搭子并進行微調(diào)，用百分表粗拉直工藝搭子上的拉直基準。根據(jù)分析對比得到的機床找正數(shù)據(jù)（見圖7），用百分表調(diào)整工件的端面位置狀態(tài)，接近于找正數(shù)據(jù)。用百分表精拉直基準，后重新用百分表調(diào)整工件，使打表數(shù)據(jù)與機床找正數(shù)據(jù)相同。最后打表壓緊工件，工件壓緊狀態(tài)和自由狀態(tài)，百分表的變動小于0.05mm。
（2）機床數(shù)據(jù)驗證。工件毛坯按高度距離100mm，圓周30°的經(jīng)緯度進行分點，在機床上用測量探頭采集半徑數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成后與毛坯三維模型數(shù)據(jù)對比分析，確定無誤后進行產(chǎn)品的基準平面和內(nèi)、外圓基準的加工。
粗加工時內(nèi)、外圓單面留量5mm加工，使毛坯大部分見光。工件開孔，焊接孔座，真空熱處理后重新逆向工程，建立三維模型，確認工件變形量及毛坯最小余量位置是否需要借量加工。
精加工前，在機床上用直徑10mm的球刀試切最小余量位置，見光毛坯面，最終確定是否借量加工。
來源：《金屬加工（冷加工）》
注：文章內(nèi)的所有配圖皆為網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載圖片，侵權(quán)即刪！