馮常喜 胡興平 楊 凱 張 寧 李永成 鄭海東

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

大型薄壁件是航天器高端裝備中典型的結(jié)構(gòu)件之一。精確地加工壁厚是保障大型薄壁零件整體輕量化和服役性能的前提與基礎(chǔ)[1]。制造過(guò)程中，若不能精確控制構(gòu)件剩余壁厚的，一方面，可能造成零件的“費(fèi)重”增加，致使裝備運(yùn)載效率降低；另一方面，可能造成零件承力能力下降，進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)件工作運(yùn)行的可靠性與安全性[2]。壁厚精確測(cè)量和補(bǔ)償加工成為大型薄壁件制造過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)方法采用理論加工程序試切加人工測(cè)量壁厚，不但加工效率低下，而且人工計(jì)算補(bǔ)償值消耗大量精力，極易出錯(cuò)。如果采用掃描測(cè)頭和壁厚測(cè)頭相結(jié)合的方法，則需要對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理工作，掃描和數(shù)據(jù)處理過(guò)程機(jī)床等待時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致測(cè)量和加工不連續(xù)。本文提出使用超聲壁厚測(cè)頭，建立在機(jī)測(cè)量和補(bǔ)償加工系統(tǒng)。從數(shù)控編程開(kāi)始，到在線測(cè)量，再到補(bǔ)償加工，提供了整套方案，解決了大型薄壁件減輕槽加工時(shí)，壁厚難以控制和加工效率低下的問(wèn)題。

1 產(chǎn)品加工分析

以某航天器為例，直徑尺寸約為3 m，高度約為3.5 m，其外形上分布大量減輕槽網(wǎng)格，底壁設(shè)計(jì)最小厚度達(dá)到1.2 mm，可以起到減重和保證強(qiáng)度的作用。由于毛坯制造和熱處理必然或多或少產(chǎn)生初始?xì)堄鄳?yīng)力[3]，材料在切削加工過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生切削應(yīng)力、初始?xì)堄鄳?yīng)力和切削應(yīng)力均會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品外輪廓度變化。傳統(tǒng)加工方式，首先，采用理論面加工程序，抬離理論面一定距離，保留余量加工減輕槽，一般保證待加工表面見(jiàn)光即可，此過(guò)程稱為“試切”，通過(guò)“試切”的方式，確認(rèn)變形后減輕槽底面外輪廓位置。其次，測(cè)量各個(gè)減輕槽內(nèi)多個(gè)點(diǎn)壁厚，計(jì)算出每個(gè)減輕槽的補(bǔ)償值，再將相同補(bǔ)償值的減輕槽程序合并。最后，按補(bǔ)償值對(duì)刀具長(zhǎng)度進(jìn)行修正，加工減輕槽底面，以達(dá)到產(chǎn)品尺寸要求。此過(guò)程需要大量的人工測(cè)量、記錄數(shù)據(jù)和計(jì)算補(bǔ)償值的工作，且需要數(shù)控編程人員進(jìn)行加工程序拆分和合并工作，造成加工不連續(xù)，加工效率低下，通過(guò)人工記錄和處理數(shù)據(jù)，加工風(fēng)險(xiǎn)大，傳統(tǒng)加工流程如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)加工流程圖

2 在機(jī)測(cè)量和補(bǔ)償加工方法

針對(duì)以往難點(diǎn)，研究在機(jī)測(cè)量和補(bǔ)償加工方法，其設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 在機(jī)測(cè)量和補(bǔ)償加工流程圖

2.1 在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)搭建和精度標(biāo)定

海克斯康超聲測(cè)頭通過(guò)頭部壓縮方式產(chǎn)生信號(hào)，傳遞給接收器和數(shù)控機(jī)床，記錄信號(hào)發(fā)出和停止的時(shí)間t，再根據(jù)h=υ×t，計(jì)算出測(cè)量特征壁厚H1，υ為超聲波在當(dāng)前材料的傳播速率，超聲波在不同材料中傳播速率不一樣，需根據(jù)待測(cè)特征材料標(biāo)定。當(dāng)測(cè)頭發(fā)出觸發(fā)信號(hào)時(shí)，不僅記錄超聲波傳播時(shí)間，同時(shí)記錄當(dāng)前測(cè)頭刀尖點(diǎn)或主軸端面位置坐標(biāo)信息(x1,y1,z1)，即為變形后的減輕槽底面外輪廓度。

選取標(biāo)準(zhǔn)塊，對(duì)在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)壁厚和外輪廓度測(cè)量精度進(jìn)行標(biāo)定，如圖3 所示。將標(biāo)準(zhǔn)塊放置于機(jī)床臺(tái)面，標(biāo)準(zhǔn)塊底面設(shè)置為工件坐標(biāo)系Z0，標(biāo)準(zhǔn)塊幾何中心設(shè)置為工件坐標(biāo)系X0和Y0，執(zhí)行標(biāo)定程序，多次測(cè)量取平均值，查看厚度偏差和Z向位置偏差，根據(jù)偏差值對(duì)超聲在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度進(jìn)行修正。

圖3 在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)精度標(biāo)定

2.2 測(cè)量壁厚和外輪廓度

切削應(yīng)力對(duì)被加工減輕槽和待加工減輕槽變形有一定影響，在兼顧加工質(zhì)量和效率的前提下，結(jié)合艙體尺寸，一般選取4～8 個(gè)槽為一組進(jìn)行加工，如圖4 所示，根據(jù)減輕槽網(wǎng)格大小，設(shè)置單個(gè)減輕槽測(cè)量點(diǎn)數(shù)量，一般選取5 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖5 所示。

圖4 減輕槽測(cè)量程序示意圖

圖5 減輕槽測(cè)量點(diǎn)分布

設(shè)置各個(gè)減輕槽測(cè)量點(diǎn)位，通過(guò)NX 編程軟件，編制超聲在機(jī)測(cè)量軌跡，并通過(guò)后處理生成測(cè)量程序，對(duì)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行厚度和外輪廓度測(cè)量，然后記錄到系統(tǒng)變量中，以供后續(xù)補(bǔ)償值計(jì)算調(diào)用。本文針對(duì)華中數(shù)控系統(tǒng)，基于NX 編程軟件開(kāi)發(fā)了超聲在機(jī)測(cè)量程序后處理，測(cè)量程序格式如下：

單個(gè)點(diǎn)通過(guò)5 行程序?qū)崿F(xiàn)超聲在機(jī)測(cè)量，N2～N6 行控制單個(gè)點(diǎn)一次測(cè)量過(guò)程，N2 為將機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸定位到測(cè)量點(diǎn)法向矢量，N3 為定位刀尖點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)上方安全距離，N4 為定位到距離測(cè)量點(diǎn)上方附近距離，N5 為測(cè)量底面壁厚和外輪廓度，N6 為退刀到安全距離。

2.3 補(bǔ)償值計(jì)算原理及方法

前文提到，由于初始?xì)堄鄳?yīng)力和切削應(yīng)力存在，導(dǎo)致底壁變形，外輪廓發(fā)生改變，加之需要對(duì)底壁進(jìn)行切削，共同影響了最終補(bǔ)償值。測(cè)量減輕槽底面壁厚H1和外輪廓度 (x1,y1,z1)，理論壁厚為H0和理論外輪廓度為 (x0,y0,z0)，補(bǔ)償值計(jì)算原理如圖6 所示。

圖6 補(bǔ)償值計(jì)算原理圖

根據(jù)測(cè)量壁厚H1和理論壁厚H0，計(jì)算出壁厚偏差值 ΔH，根據(jù)測(cè)量外輪廓度Z1和理論外輪廓度，計(jì)算外輪廓度偏差值 ΔZ，最終，根據(jù)厚度偏差值和外輪廓度偏差值，計(jì)算得到綜合補(bǔ)償值，計(jì)算式為

由于外輪廓變形的影響，測(cè)量點(diǎn)和理論點(diǎn)不在同一法向矢量，為了消除偏差影響，需對(duì)外輪廓度偏差進(jìn)行法向矢量投影。以AC 雙擺頭機(jī)床為例，根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)和A、C軸角度，則理論法向矢量：

A、C角度均為弧度值，且理論矢量的模為1。測(cè)量點(diǎn)和理論點(diǎn)的兩點(diǎn)矢量：

將外輪廓偏差做實(shí)際矢量向理論矢量投影，則得到外輪廓度偏差：

以每個(gè)槽測(cè)量5 點(diǎn)為例，通過(guò)2.3 中補(bǔ)償值計(jì)算式得到單個(gè)槽內(nèi)5 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的補(bǔ)償值。每個(gè)點(diǎn)補(bǔ)償值均以理論壁厚或期望壁厚為基礎(chǔ)計(jì)算得到，5點(diǎn)單獨(dú)補(bǔ)償情況下均能保證測(cè)量點(diǎn)處壁厚，如圖7所示。圖7 中5 個(gè)點(diǎn)補(bǔ)償值不相等。工程應(yīng)用中，無(wú)法直接應(yīng)用5 點(diǎn)單獨(dú)補(bǔ)償進(jìn)行加工，需將每個(gè)槽內(nèi)5 個(gè)補(bǔ)償值優(yōu)化為一個(gè)補(bǔ)償值，以某一點(diǎn)補(bǔ)償值為基準(zhǔn)，則補(bǔ)償值典型分布如圖8 所示。

圖7 單個(gè)點(diǎn)單獨(dú)補(bǔ)償

圖8 以某一點(diǎn)為基準(zhǔn)補(bǔ)償

當(dāng)單點(diǎn)補(bǔ)償值分布如圖8 中a、b、c 這3 種情況時(shí)，為了滿足尺寸公差要求以及將上差和下差尺寸的加工風(fēng)險(xiǎn)均分，求取5 點(diǎn)補(bǔ)償值最大值和最小值，并計(jì)算得到中間值，用作對(duì)應(yīng)減輕槽的最終補(bǔ)償值，當(dāng)補(bǔ)償值如圖8 中的d 情況時(shí)，為了保證最小壁厚滿足尺寸要求，將最大補(bǔ)償值作為基準(zhǔn)，計(jì)算補(bǔ)償值作為對(duì)應(yīng)減輕槽的最終補(bǔ)償值。其補(bǔ)償值計(jì)算子程序如下：

2.4 補(bǔ)償值存儲(chǔ)和調(diào)用

前文實(shí)現(xiàn)了在機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和補(bǔ)償值計(jì)算，以每個(gè)槽測(cè)量5 個(gè)點(diǎn)為例，5 個(gè)點(diǎn)包含有10 個(gè)測(cè)量信息，即5 個(gè)壁厚信息和5 個(gè)外輪廓度信息。通過(guò)壁厚信息和外輪廓度信息計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的綜合補(bǔ)償值，根據(jù)槽內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的綜合補(bǔ)償值，計(jì)算出最終補(bǔ)償值，并儲(chǔ)存在系統(tǒng)變量中，供加工時(shí)調(diào)用。其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

每個(gè)減輕槽計(jì)算得到一個(gè)最終補(bǔ)償值，通過(guò)修改刀具長(zhǎng)度磨損指令，將補(bǔ)償值調(diào)用到加工程序中，其加工程序格式如下：

搭建在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)之后，通過(guò)對(duì)在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)精度標(biāo)定、補(bǔ)償值計(jì)算原理和補(bǔ)償值計(jì)算方法研究，得到了每個(gè)槽的最終補(bǔ)償值。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將測(cè)量結(jié)果以及計(jì)算結(jié)果儲(chǔ)存到相應(yīng)變量中，并通過(guò)在加工程序中插入刀具長(zhǎng)度磨損值修改指令，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償值的自動(dòng)調(diào)用并指導(dǎo)加工，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化執(zhí)行。

3 基于NX 的測(cè)量程序后處理開(kāi)發(fā)

基于NX 編程軟件開(kāi)發(fā)在機(jī)測(cè)量程序后處理，通過(guò)對(duì)NX 中“打孔”模板的研究，實(shí)現(xiàn)基于NX編程軟件的在機(jī)測(cè)量程序快速編制。

以試驗(yàn)件為例，圖9 為試驗(yàn)件模型，其上分布有5 個(gè)減輕槽網(wǎng)格，在每個(gè)減輕槽內(nèi)選取測(cè)量點(diǎn)，生成程序，圖10 為在機(jī)測(cè)量程序的CLS 刀位文件，開(kāi)發(fā)后處理的作用是將CLS 刀位文件轉(zhuǎn)化為機(jī)床可執(zhí)行代碼。

圖9 在機(jī)測(cè)量程序軌跡

圖10 在機(jī)測(cè)量程序CLS 文件

調(diào)用“打孔”模板，并選擇“標(biāo)準(zhǔn)鉆，深孔”循環(huán)類型，如圖11 所示。此類型中，包含有多個(gè)STEP 值，滿足在機(jī)測(cè)量程序編制時(shí)需要設(shè)定的定位安全距離、逼近距離、退刀安全距離、理論厚度和公差數(shù)值。圖12 表明，設(shè)定定位安全距離為測(cè)量點(diǎn)上方100 mm，退刀安全距離與定位安全距離相同，理論厚度值為8 mm，公差值為0.15 mm，逼近距離通過(guò)在“循環(huán)類型”的最小安全距離中設(shè)定。測(cè)量程序中的各點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)相應(yīng)距離值乘以法向矢量，再疊加測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的方式得到。

圖11 循環(huán)類型

圖12 STEP 參數(shù)表

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)加工方法效率低下、過(guò)程繁瑣和加工質(zhì)量難以保證的問(wèn)題，應(yīng)用超聲測(cè)頭，建立超聲在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，分析了補(bǔ)償值計(jì)算原理以及設(shè)計(jì)了補(bǔ)償值計(jì)算方法，并通過(guò)轉(zhuǎn)化為機(jī)床代碼的形式，自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償值的計(jì)算。通過(guò)在機(jī)測(cè)量和補(bǔ)償加工方法的研究，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化在機(jī)測(cè)量和記錄數(shù)據(jù)，自動(dòng)處理生成單個(gè)減輕槽的補(bǔ)償值，自動(dòng)化調(diào)入對(duì)應(yīng)減輕槽補(bǔ)償值到加工程序中，節(jié)省大量人力，大幅度降低出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。省去“試切”過(guò)程，縮短加工環(huán)節(jié)和時(shí)間，減少編程人員在加工工序中的介入頻率，減少等待時(shí)間。通過(guò)對(duì)NX 編程軟件后處理開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)了在機(jī)測(cè)量程序編制方法，對(duì)于工程實(shí)踐應(yīng)用具有重要的意義。