一種錐形筒斜孔加工設(shè)備研制

任高林，張學(xué)偉，張 振，馮 石，徐一慧，高越琪，宋安達(dá)

（中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074）

風(fēng)洞是飛行器研制的主要地面試驗(yàn)設(shè)備，按氣流速度可分為低速風(fēng)洞、亞聲速風(fēng)洞、跨聲速風(fēng)洞、超聲速風(fēng)洞及高超聲速風(fēng)洞[1]。許多風(fēng)洞尤其跨聲速風(fēng)洞，需要在試驗(yàn)段壁板結(jié)構(gòu)件上按照氣動(dòng)規(guī)律加工大量孔徑、角度、表面粗糙度一致的斜孔，以便有效消除激波，加速氣流擴(kuò)張[2]。

試車(chē)臺(tái)等氣動(dòng)地面模擬設(shè)備是導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)前不可或缺的一環(huán)，其中尾室端裝備在發(fā)動(dòng)機(jī)后面，用來(lái)導(dǎo)流發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后的高溫燃?xì)猓鶕?jù)發(fā)動(dòng)機(jī)大小，不僅需要錐段結(jié)構(gòu)，而且需在氣流方向上打若干跟氣流方向一致的斜孔，用來(lái)噴水降溫，防止回流。

由此可見(jiàn)，航空航天領(lǐng)域中存在著大量錐段鉆斜孔的工作。由于航天器件尺寸較大、造型不規(guī)則、厚度較大、孔加工要求復(fù)雜等特點(diǎn)，現(xiàn)有的數(shù)控因結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法全部滿足航天專(zhuān)用件的斜孔加工[3]。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，孔加工的質(zhì)量對(duì)航天器件的安全性能和使用性能有著重要影響。針對(duì)此種情況，研制了一種專(zhuān)用斜孔加工設(shè)備，對(duì)錐形筒件，尤其是厚度高的錐形筒件，在孔加工效率和加工精度方面的提高，具有重要意義。

1 斜孔加工的分類(lèi)及主要方法

機(jī)械加工中，斜孔加工可以歸納為3類(lèi)，即在平面上鉆斜孔、在斜面上鉆孔、在曲面上鉆孔[4]。而錐形筒高精度斜孔加工是其中最難的。斜孔，顧名思義，是指孔的中心線與工件表面不垂直的孔，加工中心線與工件上某1個(gè)或幾個(gè)平面成一定角度關(guān)系（90°除外）的斜孔[5]。如圖1所示。

圖1 直孔與斜孔

錐形筒高精度斜孔加工可以分為下面3種情況。

（1）在平板上直接打斜孔，然后經(jīng)過(guò)卷板機(jī)卷板，制成符合要求的錐形筒件。優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、快捷方面，缺點(diǎn)是斜孔的尺寸公差較大，容易出現(xiàn)幾何精度缺陷，尺寸精度不合格、圓度超差。尤其針對(duì)一些厚度較大的錐形筒件，明顯不適用，現(xiàn)在市面上的卷板機(jī)大多只能卷厚度在35 mm以下的鋼板，一旦超過(guò)35 mm，需要專(zhuān)門(mén)找相應(yīng)超大卷板機(jī)，價(jià)格十分昂貴。

（2）張厚江等人[6]設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的高速鉆削試驗(yàn)臺(tái)。高速電動(dòng)軸通過(guò)變頻器控制，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到24 000 r/min，鉆孔過(guò)程中基本沒(méi)有掉轉(zhuǎn)現(xiàn)象。但由于鉆頭轉(zhuǎn)速過(guò)快，導(dǎo)致鉆頭跟工作面接觸瞬間，會(huì)產(chǎn)生很大的切削力，造成兩切削刃出現(xiàn)偏移，致使鉆頭傾斜、滑移。高速鉆削容易導(dǎo)致孔口刮爛，破壞孔端面平整。速度過(guò)快容易使刀具崩刃，嚴(yán)重時(shí)甚至斷刀在工件內(nèi)部。

（3）數(shù)控鏜削。可以選用JOMAX265高精度龍門(mén)移動(dòng)式鏜削加工中心，銑頭選擇萬(wàn)能搖擺銑頭。這對(duì)機(jī)床要求很高，需要機(jī)床自身攜帶自動(dòng)角度旋轉(zhuǎn)主軸頭，設(shè)備投入很大[7]。數(shù)控鏜削如圖2所示。

圖2 鏜銑加工中心加工

除了以上常規(guī)斜孔加工方法外，還有高壓水射流切割、電火花加工、超聲加工以及激光加工等[8]。但是這些方式往往局限于設(shè)備高價(jià)值投入，對(duì)機(jī)床配置要求同樣頗高。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成介紹

本次設(shè)計(jì)和研制的錐形筒斜孔加工設(shè)備，包括床身底座、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、液壓控制機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、牛眼軸承。錐形筒斜孔加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 錐形筒斜孔加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成圖

2.1 床身底座

床身底座是整個(gè)設(shè)備的主要承重主體，它不僅是加工單元的載體，同時(shí)承受著整個(gè)機(jī)床切削力的間接作用[9]。本次床身底座采用空心方管100x100-8和10#槽鋼焊接而成。在保證動(dòng)、靜剛度的前提下，形狀簡(jiǎn)單，增加了其美觀性。無(wú)論是空心方管還是槽鋼，市面上材料采購(gòu)容易，價(jià)格低廉。由于鋼的彈性模量較高，相較同尺寸鑄鐵而言，壁厚較小，重量大大減輕，而且相比鑄件需要制造模具、造型等，可以直接采買(mǎi)從而縮短了加工周期。

機(jī)床底座對(duì)工件的定位精度和相對(duì)位置精度同樣有重要影響，因此在機(jī)床底座四角設(shè)置了4個(gè)高度可調(diào)的地腳杯，它可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺母保證機(jī)床底座水平。機(jī)床底座不僅要抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，還要承受重力、切削力和慣性力的相互作用，因此它的設(shè)計(jì)不能馬虎，對(duì)整個(gè)設(shè)備的使用壽命也有一定影響。本成果這種結(jié)構(gòu)形式使用材料少、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、剛度高且抗震性好。

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括定軸、動(dòng)軸、角接觸球軸承和擋圈組成，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成圖

定軸是一根帶有軸肩的光軸，它的一端直接焊死在機(jī)床底座的一根橫梁之上，定軸上裝有一對(duì)角接觸球軸承，角接觸球軸承依靠定軸和動(dòng)軸的軸肩以及軸承擋圈來(lái)固定，采用過(guò)盈配合，牢固可靠。選用軸承擋圈可以方便裝配和拆卸。不同于一般的深溝球軸承，角接觸球軸承因?yàn)槌蓪?duì)出現(xiàn)，其內(nèi)外圈的滾道可在水平軸線上有相對(duì)位移，因此可以同時(shí)承受徑向和軸向載荷。角接觸球軸承摩擦力矩比較小，成對(duì)布置可以提高軸的剛性，減少回轉(zhuǎn)阻力。動(dòng)軸在幾何中心部位均布4根短軸，短軸一端帶有部分連接螺紋。

2.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由兩部分構(gòu)成，分別是連接桿和鍍銅堵頭。連接桿是一根兩端均有內(nèi)螺紋的光桿。它的一端與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的短軸相連，一端與堵頭相連。連接桿可以根據(jù)目標(biāo)體的直徑大小，適當(dāng)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，完成整個(gè)設(shè)備一機(jī)多用，可以適應(yīng)多種尺寸錐段筒件。鍍銅堵頭主體材質(zhì)是Q235，表面采用電鍍技術(shù)，鍍一層6 mm厚的紫銅T1。紫銅質(zhì)軟，延展性好，它可以直接頂死錐段筒件，保護(hù)目標(biāo)體外表面不受破壞。鍍銅堵頭專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了兩面削平形式，目的是為了固定目標(biāo)體時(shí)，方便使用扳手，增加預(yù)緊力矩，如圖5所示。

圖5 鍍銅堵頭示意圖

2.4 液壓控制機(jī)構(gòu)

液壓控制機(jī)構(gòu)采用單片機(jī)可編程序控制器作為核心，并以觸摸屏為人機(jī)交互界面，操作界面十分友好?？梢愿鶕?jù)需求直接輸入角度參數(shù)，液壓控制機(jī)構(gòu)通過(guò)單片機(jī)控制，可以使機(jī)床底座的動(dòng)支架上升到指定角度。運(yùn)用仿形法理念，使機(jī)床底座內(nèi)側(cè)傾斜角與錐形筒件傾斜角度一致，這樣就可以直接豎直給刀，防止刀具傾斜進(jìn)刀帶來(lái)的易崩刃、易偏移等缺陷。

液壓控制機(jī)構(gòu)硬件原理如圖6所示。

圖6 控制原理框圖

單片機(jī)可以采用功能強(qiáng)大的8位單片機(jī)，它可以通過(guò)時(shí)鐘電路來(lái)計(jì)算試驗(yàn)頻率，并且通過(guò)簡(jiǎn)單的通用IO口的開(kāi)關(guān)量輸入輸出控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，檢測(cè)報(bào)警輸入信號(hào)，并在特定條件下驅(qū)動(dòng)蜂鳴器聲光報(bào)警?？刂撇糠謱?shí)物如圖7、圖8所示。

圖7 控制部分實(shí)物內(nèi)部圖

圖8 控制部分實(shí)物外觀圖

液壓控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械功能的輕巧化，動(dòng)作可靠，操作性能好，具有適度柔性；容易進(jìn)行無(wú)級(jí)變速，且控制性能好，能讓機(jī)床底座內(nèi)側(cè)傾斜角以很高的響應(yīng)速度正確地進(jìn)行控制，角度可以精確到幾度幾分，保障了錐形筒件斜孔的幾何形位公差。

2.5 夾緊機(jī)構(gòu)

錐形筒件形狀不規(guī)則且尺寸較大，裝夾固定比較困難，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，結(jié)合加工條件，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一種“蟹形”夾緊機(jī)構(gòu)。它由2個(gè)U形塊、1個(gè)連接桿和4個(gè)頂絲固定螺栓組成。該蟹形夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、移動(dòng)性能好、適應(yīng)性廣，對(duì)稱布置，外表美觀大方，工藝觀賞性高，如圖9所示。

圖9 “蟹形”夾緊機(jī)構(gòu)工作圖

2.6 牛眼軸承

牛眼軸承又名萬(wàn)向球，滾動(dòng)靈活，可使錐形筒件在其上靈活滑移。本成果設(shè)置了4個(gè)牛眼軸承，分布在機(jī)床底座的軸承滑道里，點(diǎn)焊固定。牛眼軸承轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，耐用方便，可以減少摩擦力，讓錐形筒件在加工過(guò)程中容易轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，還可以降低因摩擦力而產(chǎn)生的零件損耗，保護(hù)了錐形筒件表面。

3 理論計(jì)算

本錐形斜孔加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真，運(yùn)用的是ANSYS 15.0 Workbench仿真軟件，它采用的分析方法是彈性力學(xué)里的平衡方程、幾何方程和物理方程，計(jì)算及分析方程如下。

3.1 平衡方程

彈性體V域內(nèi)任一點(diǎn)沿坐標(biāo)軸x、y、z方向的平衡方程為：

平衡方程的矩陣形式為：

其中，A是微分算子，即：

3.2 幾何方程——應(yīng)變-位移關(guān)系

在微小位移和微小變形的情況下，略去位移導(dǎo)數(shù)的高次冪，則應(yīng)變向量和位移向量間的幾何關(guān)系為：

3.3 物理方程——應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

彈性力學(xué)中應(yīng)力-應(yīng)變之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系也稱彈性關(guān)系，對(duì)于各項(xiàng)同性材料，應(yīng)力可表示為：

D稱為彈性矩陣，它完全取決于彈性體材料的彈性模量E和泊松比v[10]。

表征彈性體的彈性，也可以采用拉梅（Lame）常數(shù)G和λ，它們和E，v的關(guān)系如下[11-12]：

物理方程中的彈性矩陣D亦可表示為：

4 錐形斜孔加工設(shè)備有限元分析

4.1 錐形斜孔加工設(shè)備幾何模型

錐形斜孔加工設(shè)備采用主流三維繪制軟件UG進(jìn)行數(shù)模建立，轉(zhuǎn)化成x-t格式后導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench中。正式分析前需要對(duì)數(shù)模進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化和修復(fù)，如去除倒角、裝飾螺紋等，以便軟件能快速準(zhǔn)確分析出仿真結(jié)果，如圖10所示。

圖10 錐形斜孔加工設(shè)備幾何模型圖

4.2 網(wǎng)格劃分

錐形斜孔加工設(shè)備是一個(gè)組合件，而且許多是形狀不規(guī)則的曲面型設(shè)計(jì)，因此選用常規(guī)的四面體平滑網(wǎng)格，來(lái)進(jìn)行離散處理。錐形斜孔加工設(shè)備整體采用靜止參考系來(lái)進(jìn)行高效處理和計(jì)算，生成了88 373個(gè)節(jié)點(diǎn)和25 189個(gè)單元。網(wǎng)格劃分結(jié)束后添加材料屬性并施加約束等邊界條件，本次材料主體選擇Q235材質(zhì)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖11所示。

圖11 網(wǎng)格劃分

4.3 錐形斜孔加工設(shè)備有限元分析

對(duì)錐形斜孔加工設(shè)備有限元仿真模擬通過(guò)商用軟件ANSYS 15.0 Workbench實(shí)現(xiàn)，求解時(shí)采用隱式求解算法。通過(guò)對(duì)有限元仿真計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)如圖12、圖13所示，整個(gè)錐形斜孔加工設(shè)備結(jié)構(gòu)里，受應(yīng)力最大且最薄弱的地方是中間橫梁和豎板的連接部位，最容易發(fā)生形變的位置是鍍銅堵頭處。

圖12 對(duì)心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度云圖

圖13 對(duì)心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)總變形云圖

經(jīng)有限元分析，對(duì)錐形斜孔加工設(shè)備局部進(jìn)行材質(zhì)升級(jí)和優(yōu)化處理。錐形斜孔加工設(shè)備整體采用碳鋼Q235，橫梁則采用45#鋼，用來(lái)提高橫梁的最大屈服強(qiáng)度，提高錐形斜孔加工設(shè)備的整體安全使用性。除材質(zhì)升級(jí)外，此連接處的焊縫采用滿焊+100%射線檢測(cè)。Q235和45#鋼的材料屬性見(jiàn)表1。

表1 材料屬性

另一方面，對(duì)易變形部分的優(yōu)化升級(jí)措施是，改變和優(yōu)化錐形斜孔加工設(shè)備的裝配工藝流程。在錐形斜孔加工設(shè)備的夾緊機(jī)構(gòu)工作時(shí)，盡量用蟹形夾緊機(jī)構(gòu)的“一鉗”夾在錐形筒件下半身，靠近鍍銅堵頭與錐形筒件接觸部位，增加此處的整體剛度，減少此處的應(yīng)變。

5 安裝與調(diào)節(jié)流程

本次設(shè)計(jì)和研制的錐形筒斜孔加工設(shè)備是一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)錐形筒件上加工高精度斜孔的設(shè)備，它本身具有調(diào)節(jié)和固定功能，類(lèi)似一種特殊角度夾具，可以通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)置，讓錐形筒件呈所需角度固定在上面。它讓斜孔的加工軸線和機(jī)床主軸軸線在豎直方向重合，提升了普通機(jī)床的局限性。

工作流程為：利用液壓控制機(jī)構(gòu)，通過(guò)單片機(jī)控制，在設(shè)置屏幕上設(shè)置傾斜角度（精確到幾度幾分）。床身底座在液壓元件的幫助下，緩慢增加傾斜角度，提升至指定位置。

根據(jù)目標(biāo)體——錐形筒件的直徑大小，選取相應(yīng)長(zhǎng)度的連接桿和鍍銅堵頭，通過(guò)連接桿兩端內(nèi)螺紋，將兩者與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連成一體。將4個(gè)牛眼軸承通過(guò)軸承滑道到達(dá)指定位置，然后點(diǎn)焊固定。

將目標(biāo)體——錐形筒件通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在床身底座上，并用六角扳手或者活扳手，作用鍍銅堵頭使其直接頂死在錐形筒件內(nèi)部。然后用蟹形夾緊裝置固定目標(biāo)體，并利用水平儀等工具，通過(guò)床身底座4個(gè)活動(dòng)地腳杯，使床身底座水平放置，保證了錐形筒件斜孔的位置精度。

待第一個(gè)斜孔加工完成后，可以借助牛眼軸承和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行下一個(gè)斜孔加工。

6 結(jié)論

從實(shí)踐效果來(lái)看，本設(shè)備成功實(shí)現(xiàn)了錐形尾室500個(gè)Φ10 mm斜孔的加工，斜孔合格率100%，達(dá)到了先進(jìn)國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。錐Φ形筒斜孔加工設(shè)備完美實(shí)現(xiàn)了斜孔加工過(guò)程中，孔中心軸線與機(jī)床主軸軸線在豎直方向上的重合，這樣一來(lái)，提高了普通機(jī)床加工錐形筒件斜孔的局限性，具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。本次錐形筒斜孔加工設(shè)備造價(jià)成本低廉，避免了高價(jià)值機(jī)床的價(jià)格投入，方便操作易上手，真正實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用的效果。而且豎直進(jìn)刀平穩(wěn)，保障了錐形筒件在加工斜孔過(guò)程中孔的位置精度和尺寸公差，保證了孔加工端面的平整性。