一種弱剛度錐形零件的精密銑削工藝

王德廷，郭東亮，于曉蕾，李金龍，王元軍

天津航天長征火箭制造有限公司 天津 300462

1 序言

隨著航天制造技術(shù)的發(fā)展，航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，產(chǎn)品尺寸越來越大，精度要求也越來越高。由于錐形零件較球形零件和橢球形零件在空間節(jié)省方面更具優(yōu)勢，所以大尺寸錐形零件的應(yīng)用越來越廣泛。某錐形零件屬于典型的弱剛度薄壁件，同時對產(chǎn)品上孔位尺寸精度要求較高，在產(chǎn)品加工過程中，存在裝夾困難、加工基準(zhǔn)難協(xié)調(diào)的問題。本文通過研究弱剛度錐形零件的精密銑削工藝，優(yōu)化裝夾方案，改進(jìn)加工流程，制定合理的編程策略，解決了該工件的加工難題。

2 加工現(xiàn)狀

（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析 某錐形零件大端長度尺寸為2 300mm，小端長度尺寸為1 000mm，高度約1 700mm，整體壁厚僅有10mm（見圖1），屬于典型的弱剛度薄壁產(chǎn)品。其上有一處裝配孔，孔徑為350mm，要求加工后自由狀態(tài)下孔徑公差僅為0.05mm，精度要求較高。

圖1 弱剛度錐形零件結(jié)構(gòu)示意

（2）產(chǎn)品加工難點 產(chǎn)品加工中的主要難點如下。

1）裝夾困難。零件要求加工后自由狀態(tài)下孔徑公差為0.05mm，對裝夾提出了很高的要求。采用常規(guī)裝夾方式松夾卸荷后會帶來較大的回彈變形，無法滿足精度要求。

2）孔加工定位基準(zhǔn)協(xié)調(diào)困難。產(chǎn)品加工工藝：首先機械銑加工扇形平板，然后采用鈑金滾彎的方式形成錐度，最后采用五軸設(shè)備機械銑加工裝配孔。由于經(jīng)過多道工序的周轉(zhuǎn)，所以在最終孔加工環(huán)節(jié)，會出現(xiàn)孔加工定位基準(zhǔn)協(xié)調(diào)困難的問題。

3）需設(shè)計合理的孔銑削加工策略，從而得到較高的銑削效率，減小加工過程中的振動。

3 加工方案

（1）裝夾方案 常規(guī)的裝夾方案是通過制作裝夾模胎，將工件裝夾固定在模胎上加工。此方式通用性差，專用工裝制作成本高、制造周期長，且無法解決松夾卸荷后的回彈變形問題，無法達(dá)到產(chǎn)品要求的自由狀態(tài)下的孔徑尺寸精度要求。

針對大尺寸錐形零件弱剛性的結(jié)構(gòu)特點，在借鑒傳統(tǒng)裝夾工藝的基礎(chǔ)上，提出適用于錐形零件加工的柔性裝夾工藝。

在眾多種類的柔性支承方案中，多點陣柔性支承方式是航天產(chǎn)品加工過程中常采用的方法。將傳統(tǒng)支承方法替換為多點柔性支承方法，其主要思想是將傳統(tǒng)支承工裝的整體支承面離散為多個支承點來擬合零件支承站位截面，各個離散支承點各向行程獨立可調(diào)。其中每個離散支承點等效于單個柔性支承裝置，并將柔性支承裝置作為基本單元，將傳統(tǒng)支承工裝中的支承托板替換為多個柔性支承裝置，這樣零件各支承站位的多個柔性支承裝置就組成了多點柔性支承陣列。

由于該錐形零件屬于典型的單件小批量生產(chǎn)零件，為此設(shè)計制造的專用柔性工裝繁瑣復(fù)雜，不僅成本高，而且周期長。立足現(xiàn)場加工條件，優(yōu)先選擇現(xiàn)有通用工裝，采用“基本裝夾，下頂上壓”的方式實現(xiàn)零件的柔性裝夾（見圖2）。具體實施方案如下。

圖2 錐形零件柔性裝夾

1）將錐形瓜瓣放置于工作臺面上，在產(chǎn)品前后兩端弓形高度最高處的下側(cè)利用千斤頂頂緊，實現(xiàn)產(chǎn)品的主要裝夾。用兩組支承點來擬合零件支承站位截面，各個離散支承點為可調(diào)千斤頂，其行程獨立可調(diào)，每個離散支承點等效于單個柔性支承裝置，通過調(diào)節(jié)各支承點的空間位置，使柔性支承裝置與零件表面完全貼合，達(dá)到支承目的。

2）為限制零件向上的自由度，每個小平面處采用壓板從上方壓緊零件，實現(xiàn)每一處離散支承點的裝夾定位。在施加壓力的過程中，盡量使裝夾力沿接觸點（或面）的法向通過零件傳遞到支承點上，同時采用千分表頂在小平面下方，監(jiān)控零件壓緊過程中千分表的讀數(shù)變化量。鑒于零件自由狀態(tài)下的精度要求，變形量最好控制在0.1mm以內(nèi)，一旦超出范圍則應(yīng)重新松夾，調(diào)整后再次壓緊直至滿足微量變形指標(biāo)，保證產(chǎn)品松夾后孔的變形最小。

3）在產(chǎn)品4個角的位置設(shè)置限位壓板，限制零件水平方向自由度，防止產(chǎn)品在水平方向出現(xiàn)竄動，實現(xiàn)產(chǎn)品的基本裝夾。

（2）孔加工定位基準(zhǔn)精度保證方案優(yōu)化 為保證滾彎后錐底零件開孔位置的準(zhǔn)確性，優(yōu)化工藝方案為：平板產(chǎn)品在理論位置刻孔位象限線→產(chǎn)品滾彎→柔性裝夾→孔位擬合技術(shù)→根據(jù)擬合位置開孔→鉗工去毛刺→檢驗。

1）平板產(chǎn)品在理論位置刻位置象限線。由于孔位精度要求較高，為保證滾彎狀態(tài)下孔位置的準(zhǔn)確性，在產(chǎn)品處于平板狀態(tài)時，刻出孔的理論位置象限線（一條象限線沿錐段母線方向，另一條象限線為錐段環(huán)向截面線），作為后續(xù)滾彎后開孔的找正基準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 孔的理論位置象限線

2）孔位擬合。產(chǎn)品柔性裝夾定位后，機床打表測量4個象限點的坐標(biāo)，通過仿真擬合出孔的中心線，進(jìn)而確定孔位尺寸，保證開孔位置為理論位置，如圖4所示。

圖4 孔位擬合示意

（3）仿形加工 為減小孔加工過程中的振動，需實現(xiàn)材料的均勻去除，最佳方案為通過幾個特征點獲得產(chǎn)品實際模型，進(jìn)而采取仿形加工的方式均勻去除材料。

1）機床打表測量產(chǎn)品上預(yù)留的5個特征點（4個象限點和1個中心點）的點坐標(biāo)，利用環(huán)向截面上的3個點擬合出錐段圓形截面，進(jìn)而獲得錐段中心軸線，如圖5所示。

圖5 獲得環(huán)向截面與錐段中心軸線示意

2）利用母線及錐段中心軸線經(jīng)旋轉(zhuǎn)形成錐段三維模型圖，利用孔中心軸線生成的φ350mm圓柱與錐段求差獲得孔的實際外形，如圖6所示。

圖6 獲得錐段及孔實際外形示意

3）利用孔的實際外形生成仿形加工程序，實現(xiàn)材料加工過程中的均勻去除，減小加工中的振動，提高孔加工效率。仿形程序刀具軌跡如圖7所示。

圖7 仿形程序刀具軌跡示意

（4）加工效果 通過采用柔性裝夾方案、孔加工定位基準(zhǔn)精度保證方案和仿形加工方案，實現(xiàn)了弱剛度錐形零件的精密加工，加工后產(chǎn)品如圖8所示。加工后，自由狀態(tài)下孔徑尺寸滿足公差0.05mm的精度要求。

圖8 產(chǎn)品實物

4 結(jié)束語

本文通過改進(jìn)加工流程、采用柔性裝夾方案，解決了弱剛度錐形零件難裝夾、基準(zhǔn)不易協(xié)調(diào)的難題。采用柔性裝夾方案避免了常規(guī)裝夾方案松夾卸荷后帶來的裝夾變形問題，保證了松夾后孔處于自由狀態(tài)下的精度。通過基準(zhǔn)協(xié)調(diào)方案及仿形加工方案，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品加工精度及加工效率。弱剛度錐形零件的精密銑削加工方案易于實現(xiàn)，實施效果明顯，可推廣至各類弱剛度薄壁工件的裝夾，解決弱剛度薄壁零件的裝夾、基準(zhǔn)協(xié)調(diào)及高效加工的難題。