航天鉸鏈類零件的單向走絲電火花線切割加工

劉 曉，白 鷹，王 輝，胡斌良

（上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245）

航天鉸鏈類零件的單向走絲電火花線切割加工

劉 曉，白 鷹，王 輝，胡斌良

（上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245）

鉸鏈類零件是航天型號(hào)產(chǎn)品中的關(guān)鍵核心部件，單向走絲電火花線切割是其理想的加工方法。針對(duì)加工過(guò)程中存在的裝夾精度難以保證、零件易變形、加工效率不高的問(wèn)題，從柔性裝夾、多次切割路徑規(guī)劃及變厚度切割優(yōu)化等方面出發(fā)，提出了適合航天鉸鏈類零件的單向走絲電火花線切割加工工藝方案，并通過(guò)實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)驗(yàn)證了該工藝方案的有效性。

單向走絲電火花線切割加工；航天鉸鏈類零件；多次切割路徑規(guī)劃；變厚度切割

飛船、衛(wèi)星等航天型號(hào)產(chǎn)品發(fā)射入軌后，太陽(yáng)電池翼在各電池板間展開鎖定機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，由收攏狀態(tài)轉(zhuǎn)換為展開狀態(tài)，為飛船、衛(wèi)星在軌工作提供電能。鉸鏈類零件是展開鎖定機(jī)構(gòu)的核心部件，其制造精度關(guān)系到太陽(yáng)電池翼能否順利展開，從而直接影響飛船、衛(wèi)星等航天型號(hào)產(chǎn)品的成敗[1]。

在展開鎖定機(jī)構(gòu)中，鉸鏈類零件需與鎖臂、壓簧、索輪、軸承及其他鉸鏈部件裝配，在展開鎖定過(guò)程中，會(huì)與上述功能部件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)[2]。因此，鉸鏈類零件的材質(zhì)多為鋁合金、鎂合金等易變形材料或鈦合金等難加工材料，各特征之間的形位公差要求多高于0.01 mm。以圖1所示的展開鎖定機(jī)構(gòu)母鉸鏈為例，其材質(zhì)為鋁合金，零件毛坯狀態(tài)為六面體整體鍛件，加工過(guò)程中，材料去除量大，薄壁、開檔等特征易發(fā)生變形。該零件的傳統(tǒng)加工工藝為機(jī)械加工，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需在多個(gè)設(shè)備上進(jìn)行多次裝夾；為防止變形，需采用較小的切削量，故加工效率受到影響，且加工質(zhì)量不易保證。由此可見，鉸鏈類零件的加工，已成為太陽(yáng)電池翼展開鎖定機(jī)構(gòu)研制生產(chǎn)中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。

圖1 太陽(yáng)電池翼展開鎖定機(jī)構(gòu)母鉸鏈三維模型

單向走絲電火花線切割加工是利用工具電極絲沿預(yù)先設(shè)定的路徑移動(dòng)，與工件發(fā)生脈沖性火花

放電，進(jìn)而切割工件材料的工藝方法。加工過(guò)程中，不受工件材料本身硬度、熱處理狀態(tài)的影響，適用于難切削材料的加工；同時(shí)，由于電極絲與工件材料之間的宏觀作用力極小，可有效保證薄壁、開檔等易變形特征的加工精度與質(zhì)量[3]。結(jié)合鉸鏈類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與精度要求，單向走絲電火花線切割工藝是實(shí)現(xiàn)其高效、精密加工的理想選擇。

1 確保加工精度的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 柔性裝夾

鉸鏈類零件的單向走絲電火花線切割加工涉及多個(gè)姿態(tài)下的切割，在此過(guò)程中，工件需進(jìn)行多次裝夾找正，各姿態(tài)下的裝夾精度直接關(guān)系到各特征之間的形位公差。傳統(tǒng)的裝夾方式是采用壓鐵或組合夾具固定工件，用千分表對(duì)鉸鏈各方向基準(zhǔn)依次進(jìn)行檢測(cè)，并用塞尺進(jìn)行調(diào)整。在這種裝夾調(diào)整方式下，由于各向基準(zhǔn)的調(diào)整是相對(duì)獨(dú)立進(jìn)行的，故某個(gè)基準(zhǔn)的調(diào)整往往會(huì)造成其他已校調(diào)基準(zhǔn)再次產(chǎn)生誤差；此外，人工裝夾方式消耗了大量的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)、技能提出了很高的要求，極易造成累積裝夾誤差。

針對(duì)鉸鏈類零件的多姿態(tài)裝夾需求，結(jié)合產(chǎn)品精度要求，采用System 3R的柔性虎鉗進(jìn)行裝夾（圖2）。在千分表檢測(cè)的輔助下，用該虎鉗可對(duì)工件各方向基準(zhǔn)同時(shí)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精度0.002 mm以內(nèi)的快速精準(zhǔn)裝夾定位，避免了使用塞尺進(jìn)行調(diào)整的繁復(fù)操作，降低了對(duì)操作人員經(jīng)驗(yàn)、技能的依賴程度。使用柔性虎鉗后，鉸鏈每個(gè)姿態(tài)的裝夾耗時(shí)由10 min縮減至1 min以內(nèi)。轉(zhuǎn)

圖2 基于System 3R夾具的柔性裝夾

1.2 多次切割路徑規(guī)劃

鉸鏈類零件存在一些用于與其他功能部件裝配的開檔薄壁特征，某些開檔特征的壁厚與進(jìn)深比小于1：10。當(dāng)線切割加工此類特征時(shí)，由于應(yīng)力釋放的原因，往往會(huì)造成工件變形，對(duì)此可采用多次切割與合理路徑規(guī)劃的方法予以避免[4]。

多次切割采用第1次切割成形釋放應(yīng)力、第2次切割保證加工精度、第3次切割提高表面質(zhì)量的方案。

第1次切割主要是確保穩(wěn)定高速加工，宜采用大脈寬、高峰值電流加工；由于此時(shí)電極絲為雙邊放電，所以電極絲受對(duì)稱力作用，抖動(dòng)相對(duì)較小，可適當(dāng)采用較高的絲速。

第2次切割在兼顧加工表面質(zhì)量及切割速度的情況下，需減小脈沖能量，主要依靠減小脈寬的方式，但峰值電流不宜過(guò)小；在第2次及后續(xù)的切割中，電極絲為單邊放電，即僅受一個(gè)方向放電力的作用，因此需將絲速逐漸降低以減少抖動(dòng)。

第3次切割的目的是獲得較理想的表面質(zhì)量，此時(shí)材料去除量通常在0.01 mm以下，宜采用小脈寬、低峰值電流加工。

切割路徑與零件的裝夾方向有著直接的關(guān)系，正確的切割路徑應(yīng)從靠近夾具的位置向遠(yuǎn)離夾具的方向運(yùn)動(dòng)，最終再轉(zhuǎn)向夾具方向。圖3是鉸鏈零件在某一姿態(tài)下的多次切割加工路徑。第1次切割時(shí)，自鉸鏈裝夾位置開始，向遠(yuǎn)離裝夾位置的方向運(yùn)動(dòng)，沿逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)刀切割；第2次切割時(shí)，進(jìn)刀方向與第1次切割時(shí)相反。

圖3 鉸鏈多次切割與切割路徑規(guī)劃

1.3 變厚度切割優(yōu)化

在鉸鏈類零件各姿態(tài)的切割過(guò)程中，存在沿切割路徑的工件厚度發(fā)生變化的情況，即變厚度切割。當(dāng)工件厚度沿切割路徑由厚變薄時(shí)，單位長(zhǎng)度電極絲上的熱密度會(huì)增加，易產(chǎn)生放電集中，導(dǎo)致斷絲；當(dāng)工件厚度沿切割路徑由薄變厚時(shí)，若依然采用較小的放電能量，則進(jìn)給速度會(huì)變慢，導(dǎo)致加工效率降低[5]。由此可見，在變厚度切割工況下，能否及時(shí)根據(jù)切割工件厚度調(diào)整脈沖放電能量，是提高加工效率的關(guān)鍵。

針對(duì)鉸鏈類零件的特點(diǎn)，在實(shí)際加工中，采用離線提取工件厚度，根據(jù)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)確定放電參數(shù)的方式，進(jìn)行變厚度切割優(yōu)化。如圖4所示，將用于實(shí)際加工的數(shù)控代碼按一定的步距離散為一系列

的電極絲路徑點(diǎn)，對(duì)零件三維模型上的高度信息及孔、臺(tái)階等特征進(jìn)行辨識(shí)，獲取每個(gè)路徑點(diǎn)上的工件厚度值。結(jié)合單向走絲電火花線切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)切割厚度選擇出不同的加工參數(shù)，對(duì)各相鄰離散路徑點(diǎn)之間的脈沖寬度、峰值電流、進(jìn)給速度、放電頻率進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)變厚度工況下的優(yōu)化切割。

圖4 鉸鏈變厚度切割

2 加工實(shí)驗(yàn)

太陽(yáng)電池翼展開鎖定機(jī)構(gòu)母鉸鏈加工實(shí)驗(yàn)在ROBOFIL 440CCS型單向走絲電火花線切割機(jī)床上進(jìn)行，采用表面包覆CuZn50、直徑0.25 mm的黃銅電極絲進(jìn)行加工。加工過(guò)程中采用3次切割的工藝方法，每次切割中的電極絲中心軌跡補(bǔ)償量對(duì)產(chǎn)品加工精度有著至關(guān)重要的影響[6]。第i次切割的電極絲中心軌跡補(bǔ)償量fi可表示為：

式中：δi為該次切割所用加工參數(shù)的放電間隙；d為電極絲直徑；εi為該次切割的去除量。

在母鉸鏈的加工中，d=0.25 mm，δ1=0.061，δ2= 0.011，δ3=0.011，ε1=0.087，ε2=0.05，ε3=0，f1=0.273，f2= 0.186，f3=0.136（圖5）。完成線切割工序后的母鉸鏈見圖6，加工用時(shí)約6 h。加工樣件經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢驗(yàn)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 鉸鏈3次切割過(guò)程中的電極絲中心軌跡補(bǔ)償量

圖6 完成線切割工序后的太陽(yáng)電池翼展開鎖定機(jī)構(gòu)母鉸鏈

3 結(jié)語(yǔ)

單向走絲電火花線切割工藝是加工航天鉸鏈類零件的理想方法，如何進(jìn)行多姿態(tài)精準(zhǔn)快速裝夾、防止切割變形、提高加工效率是確保鉸鏈型號(hào)產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵。本文結(jié)合柔性裝夾、多次切割路徑規(guī)劃及變厚度切割優(yōu)化等一系列工藝方法，提出了適合航天鉸鏈類零件批產(chǎn)的工藝方案。通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)，全面證實(shí)了該工藝方案的可行性與有效性，為后續(xù)具有類似結(jié)構(gòu)特征的型號(hào)產(chǎn)品生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的工藝基礎(chǔ)與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

[1] 王治易，董毅，陳建祥，等.空間實(shí)驗(yàn)室低軌高壓長(zhǎng)壽命半剛性太陽(yáng)電池翼技術(shù)研究 [J].上海航天，2011（6）：23-28.

[2] 張武，瞿玉棣.太陽(yáng)電池陣多次展開鎖定機(jī)構(gòu)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2006（5）：9-11.

[3] 劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4] 李建軍，劉志東，程國(guó)柱.硬質(zhì)合金加工中的電火花多次切割工藝研究[J].電加工與模具，2009（2）：56-57.

[5] Dou Shangcheng，Xi Xuecheng，Zhao Wansheng.Workpiece height estimation in wire electrical discharge machining by using support vector regression[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B：Journal of Engineering Manufacture，2013，227（4）：565-577.

[6] 林朝平.模具線切割加工中電極絲偏移補(bǔ)償量的確定[J].電加工與模具，2006（S1）：67-69.

Unidirectional Travelling Wire Electrical-discharge Machining of Gemel Components in Aerospace

Liu Xiao，Bai Ying，Wang Hui，Hu Binliang
（Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer，Shanghai 200245，China）

Unidirectional travelling wire electrical-discharge machining is an effective approach for processing gemel components which play a key role in the aerospace product.Aiming at the problem such as the improper accuracy of clamping，the part distortion and the low processing efficiency，a processing scheme for gemel compoents，which based on the flexible fixture，multi-cutting processing and variable-thickness cutting processing，is proposed.The validity of this method was proved with an processing experiment.

unidirectionaltravelling wire electrical-discharge machining；aerospace gemel components；multi-cutting processing；variable-thickness cutting

TG661

A

1009－279X（2014）03－0035-03

2014-01-16

劉曉，男，1983年生，工程師。