王德廷，郭東亮，于曉蕾，李金龍，王元軍

天津航天長(zhǎng)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(lái)越大，精度要求也越來(lái)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(shì)，所以大尺寸錐形零件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。某錐形零件屬于典型的弱剛度薄壁件，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品上孔位尺寸精度要求較高，在產(chǎn)品加工過(guò)程中，存在裝夾困難、加工基準(zhǔn)難協(xié)調(diào)的問(wèn)題。本文通過(guò)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(zhǎng)度尺寸為2 300mm，小端長(zhǎng)度尺寸為1 000mm，高度約1 700mm，整體壁厚僅有10mm（見(jiàn)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(diǎn) 產(chǎn)品加工中的主要難點(diǎn)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(duì)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(huì)帶來(lái)較大的回彈變形，無(wú)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(jī)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(jī)械銑加工裝配孔。由于經(jīng)過(guò)多道工序的周轉(zhuǎn)，所以在最終孔加工環(huán)節(jié)，會(huì)出現(xiàn)孔加工定位基準(zhǔn)協(xié)調(diào)困難的問(wèn)題。

3）需設(shè)計(jì)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(guò)程中的振動(dòng)。

3 加工方案

（1）裝夾方案 常規(guī)的裝夾方案是通過(guò)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(zhǎng)，且無(wú)法解決松夾卸荷后的回彈變形問(wèn)題，無(wú)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(duì)大尺寸錐形零件弱剛性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(diǎn)陣柔性支承方式是航天產(chǎn)品加工過(guò)程中常采用的方法。將傳統(tǒng)支承方法替換為多點(diǎn)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(gè)支承點(diǎn)來(lái)擬合零件支承站位截面，各個(gè)離散支承點(diǎn)各向行程獨(dú)立可調(diào)。其中每個(gè)離散支承點(diǎn)等效于單個(gè)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(gè)柔性支承裝置，這樣零件各支承站位的多個(gè)柔性支承裝置就組成了多點(diǎn)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(jì)制造的專用柔性工裝繁瑣復(fù)雜，不僅成本高，而且周期長(zhǎng)。立足現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)零件的柔性裝夾（見(jiàn)圖2）。具體實(shí)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(tái)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的主要裝夾。用兩組支承點(diǎn)來(lái)擬合零件支承站位截面，各個(gè)離散支承點(diǎn)為可調(diào)千斤頂，其行程獨(dú)立可調(diào)，每個(gè)離散支承點(diǎn)等效于單個(gè)柔性支承裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)各支承點(diǎn)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(gè)小平面處采用壓板從上方壓緊零件，實(shí)現(xiàn)每一處離散支承點(diǎn)的裝夾定位。在施加壓力的過(guò)程中，盡量使裝夾力沿接觸點(diǎn)（或面）的法向通過(guò)零件傳遞到支承點(diǎn)上，同時(shí)采用千分表頂在小平面下方，監(jiān)控零件壓緊過(guò)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(gè)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(dòng)，實(shí)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(kāi)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(kāi)孔→鉗工去毛刺→檢驗(yàn)。

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(shí)，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(kāi)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(jī)床打表測(cè)量4個(gè)象限點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)仿真擬合出孔的中心線，進(jìn)而確定孔位尺寸，保證開(kāi)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(guò)程中的振動(dòng)，需實(shí)現(xiàn)材料的均勻去除，最佳方案為通過(guò)幾個(gè)特征點(diǎn)獲得產(chǎn)品實(shí)際模型，進(jìn)而采取仿形加工的方式均勻去除材料。

1）機(jī)床打表測(cè)量產(chǎn)品上預(yù)留的5個(gè)特征點(diǎn)（4個(gè)象限點(diǎn)和1個(gè)中心點(diǎn)）的點(diǎn)坐標(biāo)，利用環(huán)向截面上的3個(gè)點(diǎn)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(shí)際外形，如圖6所示。

圖6 獲得錐段及孔實(shí)際外形示意

3）利用孔的實(shí)際外形生成仿形加工程序，實(shí)現(xiàn)材料加工過(guò)程中的均勻去除，減小加工中的振動(dòng)，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(guò)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(shí)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(shí)物

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)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(lái)的裝夾變形問(wèn)題，保證了松夾后孔處于自由狀態(tài)下的精度。通過(guò)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(shí)現(xiàn)，實(shí)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。