張金玉,段貴超,李俊文,王楊,楊昊,姚亞超
天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司 天津 300462
新一代運(yùn)載火箭的特點(diǎn)是綠色、無(wú)毒和無(wú)污染。航天壁板以2219鋁合金材質(zhì)為主,作為新一代運(yùn)載火箭的主要結(jié)構(gòu)件,具有高強(qiáng)度、高韌性和輕量化等特點(diǎn)。新一代運(yùn)載火箭研發(fā)的新型壁板結(jié)構(gòu)——雙面下陷蒙皮壁板,在具備各種力學(xué)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),也帶來(lái)了加工方面的困難和挑戰(zhàn)。
針對(duì)雙面下陷蒙皮壁板加工過(guò)程中,兩面下陷特征相對(duì)位置精度控制以及中空型腔壁厚公差控制進(jìn)行研究,成功解決了雙面兩次定位精度差、找正效率低和壁厚公差難以保證的難題。
雙面下陷蒙皮壁板主要應(yīng)用于新一代運(yùn)載火箭貯箱中,不僅需要承載壓力,還要有良好的工藝性能。為了減輕貯箱質(zhì)量,采用雙面加工的方式代替單面加工來(lái)減輕壁板質(zhì)量。傳統(tǒng)的單面加工利用真空吸附裝夾固定,只需確定加工原點(diǎn),即可完成整個(gè)銑削過(guò)程[1]。雙面加工時(shí),需要對(duì)壁板進(jìn)行翻面加工,且A、B兩面的凹槽下陷位置精度要求控制在0.05mm以內(nèi)。傳統(tǒng)的打表拉直定位方式精度誤差較大,效率低下且容易超差;同時(shí),由于B面凹槽下陷區(qū)域在真空吸附力的作用下易產(chǎn)生變形,因此增加了銑削難度。雙面下陷蒙皮壁板如圖1所示。
1)尋找原點(diǎn)重復(fù)定位困難。壁板原采用單A面加工只需吸盤吸附固定,定好原點(diǎn)就可以完成整個(gè)工序的加工,一次裝夾即可完成?,F(xiàn)采用A面、B面銑削加工,B面加工完成后,翻面定位找正,再進(jìn)行A面加工,這就需要精確保證A面、B面特征元素的位置度。然而壁板尺寸較大,A面、B面加工原點(diǎn)找正困難,尺寸難以對(duì)應(yīng),增加了翻面重復(fù)定位找正的難度和風(fēng)險(xiǎn)[2]。
2)懸空區(qū)域變形大,厚度累積誤差大。當(dāng)壁板在B面凹槽下陷加工完成后進(jìn)行翻面,再進(jìn)行A面凹槽下陷加工,且保證下陷區(qū)域厚度公差為0.2mm時(shí),由于受切削力、吸附力的影響,B面凹槽下陷形成的中空區(qū)域極易產(chǎn)生塌陷變形,造成A面下陷壁厚尺寸超差。
(1)裝夾找正優(yōu)化 貯箱壁板A面、B面加工時(shí),利用百分表打表的方式對(duì)壁板一側(cè)進(jìn)行拉直定位,然后再利用尋邊器找正壁板加工原點(diǎn),這種定位方式缺點(diǎn)明顯:打表拉直費(fèi)時(shí)費(fèi)力,增加工作時(shí)間和人力成本,效率低。通過(guò)對(duì)加工數(shù)據(jù)的測(cè)量、分析和尺寸鏈的研究、計(jì)算,確定將打表定位改為壓板三點(diǎn)定位。三點(diǎn)定位找正如圖2所示。
圖2 三點(diǎn)定位找正示意
壁板B面凹槽下陷加工完成后,在吸盤上利用兩個(gè)壓板在壁板X向一側(cè)進(jìn)行定位,一個(gè)壓板在壁板Y向一側(cè)進(jìn)行定位,此時(shí)只需要沿著X向180°翻轉(zhuǎn)壁板,重新靠緊3個(gè)支點(diǎn),然后進(jìn)行A面加工。這種定位方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便,且保證產(chǎn)品定位誤差在0.05mm以內(nèi),完全滿足公差精度要求,重復(fù)定位精度也得到了保證。
(2)正反面凹槽加工方法優(yōu)化 采用雙面銑削加工方法,當(dāng)產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)到A面時(shí),由于需要在B面對(duì)應(yīng)位置加工A面槽,此時(shí)B面若沒(méi)有支撐,在加工時(shí)極易使(4.5±0.1)mm的總剩余厚度公差超差,因此需要考慮在B面凹槽的位置(見(jiàn)圖3)填充彈性海綿墊、橡膠泥等填充物,避免受到懸空區(qū)域吸附變形的影響。
圖3 填充海綿區(qū)位置示意
但采用B面凹槽添加填充物的方法存在以下缺點(diǎn):生產(chǎn)成本提高、填充物分布不均勻及加工周期長(zhǎng)等。經(jīng)分析試驗(yàn),在不添加填充物的情況下,采用對(duì)B面“小切削深度、慢進(jìn)給速度、多分層”的銑削方法,也可滿足尺寸精度要求,并提升生產(chǎn)效率,降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。具體實(shí)施方案如下。
1)以壁板厚度、B面槽深度和A面槽厚度組成尺寸鏈,通過(guò)精確計(jì)算,確定A面槽深度尺寸及加工誤差,避免累積誤差。
2)銑削A面槽采用“小切削深度、慢進(jìn)給速度、多分層”的高速切削模式,根據(jù)不同深度確定分層、進(jìn)給速度及切削深度。以2mm切削深度為例,為保證精度,同時(shí)兼顧效率,按0.8m m、0.7mm、0.5mm的分層方式分3層加工,通過(guò)逐層減少切削深度、進(jìn)給速度的方式降低薄壁區(qū)變形,保證A面、B面銑削厚度精度。雙面銑削分層切削參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 雙面銑削分層切削參數(shù)
(1)切削質(zhì)量提升 對(duì)比方案優(yōu)化前后的實(shí)際加工效果,可知傳統(tǒng)加工方法極易出現(xiàn)A面、B面凹槽剩余厚度減薄或增厚的不規(guī)律超差問(wèn)題。方案優(yōu)化前后超差情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。
表2 方案優(yōu)化前后超差情況統(tǒng)計(jì)
由表2得出,用高速銑削“小切削深度、慢進(jìn)給速度、多分層”的理念進(jìn)行加工方式優(yōu)化,一舉避免了B面槽受力變形而影響產(chǎn)品質(zhì)量的復(fù)雜問(wèn)題,保證了產(chǎn)品總厚度精度。且此方式在單面、雙面加工的壁板類零件中均比較適用。
(2)切削效率提高 傳統(tǒng)加工方法由于易出現(xiàn)變形,因此在半精加工和精加工時(shí)需要反復(fù)打表、測(cè)量,計(jì)算并修正變形帶來(lái)的切削誤差。工藝優(yōu)化后采用三點(diǎn)定位找正及“小切削深度、慢進(jìn)給速度、多分層”的切削方法[4,5],通過(guò)三點(diǎn)定位快速地拉直找正,省去了打表拉直壁板找正的繁瑣步驟;“小切削深度、慢進(jìn)給速度、多分層”方法的應(yīng)用,有效解決了加工變形帶來(lái)的干擾,省去了反復(fù)打表、測(cè)量的時(shí)間,同時(shí)省略了B面凹槽裝填充物的時(shí)間,加工效率得到大幅提升。
本文對(duì)壁板雙面銑削加工中遇到的難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和分析,提出了優(yōu)化的工藝方法,通過(guò)技術(shù)革新,在壁板翻面加工中采用三點(diǎn)定位找正和數(shù)控高速銑削方法,將該類型壁板單件產(chǎn)品加工效率至少提升40%,一檢合格率達(dá)到100%,并進(jìn)行了多次實(shí)際加工驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了雙面銑削的快速定位以及加工變形的有效控制,為后續(xù)壁板類零件的工藝優(yōu)化提供了可供參考的新經(jīng)驗(yàn)。
該文針對(duì)雙面下陷蒙皮壁板銑削過(guò)程中遇到的難點(diǎn)問(wèn)題,提出了雙面兩次加工的工藝方法,通過(guò)裝夾方式和正反面凹槽加工方法的優(yōu)化,減少了壁板翻面后重復(fù)定位的難度和時(shí)間,經(jīng)過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證,提高了產(chǎn)品合格率和加工效率。
文章的亮點(diǎn)是薄壁板翻面定位方法和雙面凹槽對(duì)應(yīng)加工技術(shù),通俗易懂,實(shí)用性強(qiáng)。通過(guò)工藝優(yōu)化,壁板翻面后采用三點(diǎn)定位找正,在B面凹槽不增加填充物的情況下,采用“小切削深度、慢進(jìn)給速度、多分層”的銑削方法加工A面對(duì)應(yīng)位置凹槽,有效解決了槽底薄壁處的加工變形問(wèn)題,滿足了雙面銑削的尺寸精度要求。
專家點(diǎn)評(píng)