復(fù)合材料深型腔天線罩體頭部厚度檢測及加工補(bǔ)償方法

周榮軍 劉偉峰 卓艾寶 劉志清 毛華章

復(fù)合材料深型腔天線罩體頭部厚度檢測及加工補(bǔ)償方法

周榮軍 劉偉峰 卓艾寶 劉志清 毛華章

（湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司，孝感 432000）

介紹了復(fù)合材料深型腔天線罩體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、內(nèi)型面檢測及加工補(bǔ)償難點(diǎn)，采用一種光電接觸式深度測具并結(jié)合數(shù)控機(jī)床驗(yàn)證了產(chǎn)品的內(nèi)部型面尺寸。提供了一種針對復(fù)合材料異型曲面深型腔的頭部厚度檢測方法和銑加工刀具及殘留厚度補(bǔ)償方法，解決了大型石英陶瓷復(fù)合材料產(chǎn)品在加工過程中和加工完成后無法精確測量深度和產(chǎn)品厚度的問題。

復(fù)合材料；深度檢測；銑加工補(bǔ)償；深度測具

1 引言

天線罩是航天器系統(tǒng)關(guān)鍵零件之一，在惡劣環(huán)境下保護(hù)飛行器制導(dǎo)系統(tǒng)通訊、遙測、制導(dǎo)引爆等系統(tǒng)正常工作。目前，非金屬材料如碳纖維、玻璃纖維和石英陶瓷復(fù)合材料在航天領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。復(fù)合材料在機(jī)械加工及尺寸檢測方面都有別于金屬材料，且傳統(tǒng)天線罩多以圓形和橢球型為主要結(jié)構(gòu)，而石英陶瓷復(fù)合材料乘波體天線罩采用大體量、多曲面、深型腔異型結(jié)構(gòu)，給機(jī)械加工和尺寸檢測帶來了難題。通過分析深型腔罩體，確定檢測方法及論述檢測儀器工作原理，驗(yàn)證了該方法的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

2 天線罩結(jié)構(gòu)分析

2.1 天線罩體材料分析

復(fù)合材料深型腔天線罩體采用石英纖維增強(qiáng)石英復(fù)合陶瓷浸漬工藝，將石英編織體通過真空浸漬等方法使石英膠液中的二氧化硅顆粒均勻滲入并沉積到纖維編織體內(nèi)部，待石英膠液達(dá)到一定密度后加熱保溫并固化定型[1]。

2.2 天線罩體結(jié)構(gòu)分析

復(fù)合材料深型腔罩體結(jié)構(gòu)有別于應(yīng)用較廣泛的球體和錐體結(jié)構(gòu)，剖切截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用不規(guī)則三棱型乘波體異型結(jié)構(gòu)，大端內(nèi)腔采用大曲率小升角不規(guī)則形狀，頭部采用20mm球形，從大端至頭部球心采用多角度漸變曲面結(jié)構(gòu)。內(nèi)型腔深度達(dá)到1310mm，整個內(nèi)型在熱復(fù)合定型后要銑加工至設(shè)計要求尺寸，且保證頭部厚度(40±0.1)mm。

圖1 罩體剖切截面圖

2.3 檢測及補(bǔ)償難點(diǎn)

罩體總長1350mm，頭部厚度40mm，則內(nèi)型腔大端端面到球心頂部深度達(dá)到1310mm，常規(guī)檢具（千分表、卡鉗等）無法測量實(shí)際深度，目前在數(shù)控設(shè)備上使用的光電找正器、機(jī)械偏心式找正器在測量深型腔體時無法實(shí)現(xiàn)，市場上各品牌激光掃描儀掃描深度有局限，自制深度尺精度差無法準(zhǔn)確測量到球心頂點(diǎn)距離，且測量誤差在±2mm無法滿足測量要求。內(nèi)型腔采用臥式加工中心多軸仿形加工成型，在加工過程中因銑刀存在磨損和加工殘留，如果不能準(zhǔn)確測量頭部實(shí)際加工深度，最終加工完成后產(chǎn)品的頭部厚度達(dá)不到設(shè)計要求。

3 頭部厚度的檢測方法

通過工藝分析，該產(chǎn)品加工順序：加工外形，保證總長度；再加工內(nèi)型腔進(jìn)而測量內(nèi)型深度，頭部厚度的值計算得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。通過尺寸鏈計算最終得到：=-[2]。

3.1 罩體外形長度L檢測方法

該罩體在加工時采用五軸四聯(lián)動數(shù)控臥式加工中心加工，定位牢固。故將產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)90°，即零件內(nèi)型腔與主軸垂直，采用機(jī)械式偏心找正器測量罩體外型頭部值1和大端端面的相對長度2，與機(jī)械式偏心找正器直徑求差，即可得到外型總長=2-1-

3.2 罩體內(nèi)型深度的檢測方法

3.2.1 深度測量方法

采用同樣的方法，使零件內(nèi)型腔處于與主軸平行的位置，利用自制光電式深度測具測量大端端面參考值1，再測量頭部內(nèi)腔球心的位置得到相對大端端面的相對值2，計算可以得到該產(chǎn)品內(nèi)腔深度=2-1

3.2.2 深度測具的結(jié)構(gòu)及工作原理

a. 深度測具的結(jié)構(gòu)

型腔深度作為該產(chǎn)品測量頭部厚度的最難環(huán)節(jié)，由于該產(chǎn)品型腔復(fù)雜，深度達(dá)到1310mm，傳統(tǒng)量具無法測量，且內(nèi)部空間狹小，即使測得球心位置也無法觀察。為了解決深度測量問題，設(shè)計如圖2所示結(jié)構(gòu)的光電接觸式深度測具，將該測具夾持在機(jī)加刀體上，使用鋁制探針接觸大端端面二極管發(fā)光，此時數(shù)控設(shè)備顯示器上測得的數(shù)值為初始數(shù)值1。將測具沿主軸軸向移動至罩體內(nèi)型腔頂端球心位置，探針接觸罩體內(nèi)型腔頭部最高點(diǎn)，探針另一端觸發(fā)二極管使二極管發(fā)光。此時的位置在數(shù)控設(shè)備顯示器上的相對值即為2。

圖2 光電接觸式深度測具結(jié)構(gòu)示意圖

b. 深度測具工作原理

利用光電技術(shù)，制作光電接觸式深度測具可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量。光電接觸式深度測具利用金屬觸點(diǎn)的導(dǎo)電性（使發(fā)光二極管的兩個觸點(diǎn)連接電池的正負(fù)極，二極管發(fā)光），當(dāng)探針接觸到工件表面時，電流形成回路，發(fā)出聲、光提示信號。探針與發(fā)光二極管的觸點(diǎn)間用一彈簧分開，探針接觸物體時發(fā)生回彈。通過光電接觸式深度測具的指示和機(jī)床坐標(biāo)位置即可得到被測表面的坐標(biāo)位置。利用測具這個特性，將其裝夾在數(shù)控機(jī)床主軸或刀塔上，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量工件軸向尺寸，可以測量金屬和非金屬材料，不受零件材料和環(huán)境的影響。

光電接觸式深度測具在測量工件時，機(jī)床主軸不旋轉(zhuǎn)并保持定向狀態(tài)，該測具安全性高且不損傷工件表面，測量的精度可達(dá)到0.01mm，重復(fù)測量精度達(dá)到0.01mm，保證測量的關(guān)鍵尺寸準(zhǔn)確無誤，發(fā)光二極管的觸點(diǎn)響應(yīng)時間為60ns，充分滿足深度測量的靈敏度要求。

4 頭部厚度的銑加工補(bǔ)償

該罩體頭部球形采用曲面造型，構(gòu)造完決定曲面形狀的關(guān)鍵線框后選用曲面生成，在線框上構(gòu)造所需定義的曲面描述零件加工造型的外表面，是數(shù)控銑加工的加工依據(jù)，加工時刀具刀位點(diǎn)會沿著這個曲面形成一系列的線段或者圓弧段，刀具沿著軌跡依次經(jīng)過每一個指令坐標(biāo)點(diǎn)，從而切削出工件的形狀。數(shù)控刀具刀位點(diǎn)沿著坐標(biāo)點(diǎn)移動逼近理想軌跡的運(yùn)動稱為插補(bǔ)運(yùn)動[3]，在銑削曲面時，數(shù)控機(jī)床只能以直線段或者圓弧這兩種簡單的運(yùn)動形式完成插補(bǔ)運(yùn)動，所以在數(shù)控加工誤差中影響到加工后曲面精度的主要有刀具的插補(bǔ)誤差和殘留高度。在加工完成后立即檢測工件，并提供精確的幾何尺寸數(shù)據(jù)如曲線、曲面仿形信息等，控制罩體頭部內(nèi)型面的表面粗糙度和尺寸精度，減少插補(bǔ)誤差和殘留高度。采用以下步驟：

a. 待罩體頭部厚度半精加工后（通常留0.5mm余量），利用深度測具測量內(nèi)腔頭部定點(diǎn)的深度，結(jié)合數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)顯示功能，在內(nèi)球面的同一截面上測量出實(shí)際坐標(biāo)值。

b. 通過采集到的實(shí)際坐標(biāo)數(shù)據(jù)同模型的理論值比較，從而計算出加工后的殘留高度和刀具實(shí)際磨損量，最終利用數(shù)控加工軟件根據(jù)磨損值調(diào)整加工精度和刀具補(bǔ)償值，使銑加工完成后獲得合格內(nèi)腔型面并保證頭部厚度的尺寸。

5 結(jié)束語

通過分析乘波體石英復(fù)合材料罩體的結(jié)構(gòu)和材料，介紹該罩體的頭部厚度檢測方法，總結(jié)了一套非金屬深型腔深度及內(nèi)外形厚度的精確檢測方法，同時自主設(shè)計了一種光電接觸式深度測具，利用深度測具可以采集加工過的曲面數(shù)據(jù)，通過編程軟件精確補(bǔ)償。

實(shí)踐證明，采用以上測量方法檢測非金屬乘波體石英陶瓷復(fù)合材料罩體數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，方法簡單實(shí)用，通過激光三維掃描儀掃描后得到的數(shù)據(jù)與上述方法得到的數(shù)據(jù)一致。較好地解決了非金屬深型腔零件的深度測量加工補(bǔ)償問題。該方法在非金屬零件的測量方面有一定的借鑒意義，具有推廣應(yīng)用價值。

1 劉義華，佘平江. 大厚度植物液相浸漬工藝研究[J]. 航天制造技術(shù)，2012(4)：47

2 李培根. 機(jī)械基礎(chǔ)（高級）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

3 楊偉群. 數(shù)控工藝培訓(xùn)教程（數(shù)控銑部分）[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006

Head Thickness Detection and Processing Compensation Method for Composite Deep Cavity Radome

Zhou Rongjun Liu Weifeng Zhuo Aibao Liu Zhiqing Mao Huazhang

(Jiangbei Machinery Engineering Co., Ltd., Xiaogan 432000)

This paper introduces the structural characteristics of the composite deep cavity radome, and the difficulties of measuring the inner surface and machining compensation. A photoelectric contact depth gauge and a CNC machine tool were used to verify the internal surface dimensions of the product. A method for measuring the head thickness of a deep cavity with composite profiled surfaces and a method for compensating milling cutters and residual thickness were presented. The problem that the depth and thickness of large-scale quartz ceramic composites can not be accurately measured during and after processing was solved.

compound material；depth detection；processing compensation；depth gauge

周榮軍（1984），高級技師，數(shù)控銑工專業(yè)；研究方向：機(jī)械冷加工。

2018-09-12