基于測量補(bǔ)償?shù)亩喾N曲率壁板共用工裝的誤差分析及加工方法

姚輝， 袁祥祥， 姚亞超， 張金玉， 冀亞東

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津300462）

0 引言

隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展, 我國運(yùn)載火箭迅速進(jìn)入了“高密度并行研制、多型號密集發(fā)射和應(yīng)急快速發(fā)射”的快速發(fā)展期。新一代運(yùn)載火箭從綠色制造出發(fā)摒棄了傳統(tǒng)的化學(xué)銑削，按照“平板銑削-滾彎成型-拼焊”的加工工藝。但此工藝存在壁板在彎曲變形過程中壁板開裂、壁板凸楞和母線不直等問題，特別是對于2195鋁鋰合金，存在室溫塑性差和冷加工容易開裂等特點(diǎn)，常見的先銑后彎的工藝越來越不具有優(yōu)勢[1]。

上述缺陷的成因主要是由于平板壁板存在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，板材越厚網(wǎng)格深度越大，壁板滾彎開裂的風(fēng)險(xiǎn)越大。同時(shí)壁板網(wǎng)格結(jié)構(gòu)越不均勻，滾彎過程中整板受力越不均勻，越容易在某些位置產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)[2]。在實(shí)際生產(chǎn)中，往往通過增大網(wǎng)格區(qū)或者應(yīng)力集中較大處的根部圓角以增強(qiáng)這些位置的強(qiáng)度。但隨著產(chǎn)品材料的更新、結(jié)構(gòu)的不斷升級，以及壁板板材網(wǎng)格深度的逐步增加，上述的工藝缺陷問題越發(fā)凸顯。單純地進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)已不能改善滾彎過程中產(chǎn)生的缺陷。

為克服上述問題，就需要將網(wǎng)格銑削的工序后移至滾彎工序之后，以降低壁板在彎曲變形過程中出現(xiàn)開裂等問題的風(fēng)險(xiǎn)。即采用“滾彎成形-五軸銑削-拼焊”的工藝方案。為此本文將對彎曲壁板機(jī)械銑蒙皮外網(wǎng)格的加工方案進(jìn)行分析，通過輔助工裝及在位測量技術(shù)，解決加工過程中壁厚精度保證及不同半徑壁板共用模胎的誤差分析。

1 整體工藝方案

彎板機(jī)械銑采用的先滾彎后彎曲壁板銑削的加工方式，如圖1所示。為保證零件與工裝的貼合效果，同時(shí)減小壁板彎曲狀態(tài)的加工量，壁板兩面均需要加工并加工至最終尺寸。由于壁板金屬去除率高，加工后殘余應(yīng)力較大。彎板加工后弧板往往會有較大的變形，需要最終再進(jìn)行一次校形。

圖1 彎曲壁板加工流程圖

彎曲壁板的加工采用彎曲真空吸盤進(jìn)行裝夾，如圖2所示。胎膜表面開設(shè)有若干橫縱的氣道可根據(jù)零件大小在相應(yīng)的氣道內(nèi)鋪設(shè)密封膠條形成真空區(qū),使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓,從而將待彎曲壁板吸牢，同時(shí)在壁板周圍設(shè)置輔助壓板以提高吸附效果[3]。工裝模型及實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 工裝模型及實(shí)物圖

圖3 壁厚測量反饋系統(tǒng)

彎曲壁板相對彎曲壁板與胎具的貼合度較差，一般局部均會存在一定的間隙，同時(shí)板材在彎曲成型的過程中會存在一定的壁厚變化。非接觸式的光學(xué)測量方法優(yōu)勢在于，可在較短時(shí)間內(nèi)獲取數(shù)以萬計(jì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在確保測量效率的同時(shí)能更準(zhǔn)確地描述被測對象的特征。然而對于端殼壁板減重網(wǎng)格的壁厚特征，光學(xué)測量無法直接獲得壁厚數(shù)據(jù)[4]。根據(jù)實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，壁板與胎膜不可能毫無縫隙地貼合，這嚴(yán)重影響了非接觸式的光學(xué)測量方法的準(zhǔn)確度，因此實(shí)際生產(chǎn)中一般還是采用超聲測量的方法，如圖3所示。超聲測量裝置由測量探頭機(jī)構(gòu)和耦合劑噴涂機(jī)構(gòu)組成，測量裝置安裝在設(shè)備主軸上通過數(shù)控系統(tǒng)控制，根據(jù)編制好的測量程序?qū)W(wǎng)格按照設(shè)定密度進(jìn)行壁厚測量并反饋測量結(jié)果。并且根據(jù)測量結(jié)果可以對原始的數(shù)控程序進(jìn)行法向位置的精確補(bǔ)償，完成對每個(gè)網(wǎng)格的差異化補(bǔ)償，來保證壁厚的均勻一致性。

因此，對于不同曲率半徑的產(chǎn)品，通過設(shè)備壁厚補(bǔ)償?shù)墓δ?，就可以對弧面不同位置補(bǔ)償不同刀具長度方式，實(shí)現(xiàn)用不同曲率半徑的程序在固定曲率半徑的胎模上加工出等壁厚的壁板。

2 多曲率壁板共用胎具的誤差分析

壁板數(shù)控加工中通常需要設(shè)置程序原點(diǎn)以保證程序軌跡與零件實(shí)物重合，確保零件壁厚均勻。當(dāng)程序原點(diǎn)設(shè)置有偏差時(shí)，即會造成程序軌跡與零件實(shí)物錯(cuò)位，造成零件壁厚出現(xiàn)偏差。

在使用固定胎具加工不同曲率壁板時(shí)，零件裝夾在胎具后其曲率半徑將發(fā)生變化與胎具一致，使得原加工程序軌跡與裝夾后的零件實(shí)物無法完全重合，根據(jù)加工原點(diǎn)設(shè)定對稱居中的原則。原加工程序軌跡與裝夾后的零件實(shí)物將會沿零件中心線方向形成一個(gè)圓心距Δt的偏差。如圖所4示，為方便后續(xù)計(jì)算及表示約定：程序軌跡曲率為R1=1666，零件裝夾后曲率為

R2=1669，R1＜R2；α為銑削位置程序的向心角度（0 ＜α ＜60°），β為實(shí)際加工位置的理論法向角度。

根據(jù)設(shè)備的補(bǔ)償原理，當(dāng)加工點(diǎn)A時(shí)，此時(shí)程序加工角度為α，當(dāng)補(bǔ)償完成后實(shí)際加工位置的理論法向角度β，根據(jù)幾何關(guān)系α與β的關(guān)系為

圖4 程序軌跡輪廓與零件實(shí)物輪廓示意圖

因此程序軌跡與裝夾后的零件在法向位置存在一個(gè)法向補(bǔ)償值ΔR。當(dāng)Δt的值發(fā)生變化時(shí)，銑削位置法向角度及對應(yīng)周向位置與程序理論位置的法向角度及對應(yīng)周向位置將會產(chǎn)生偏差。

根據(jù)幾何關(guān)系，兩曲面以中心線為界，曲面上任意點(diǎn)的位置偏差為其到中心線位置弧長的偏差。根據(jù)弧長公式L=α×R，則補(bǔ)償后曲面上任意位置沿弧面的偏差為

當(dāng)Δt=0，即程序軌跡原點(diǎn)與零件裝夾后原點(diǎn)處于同心時(shí)，程序軌跡任意位置的補(bǔ)償值ΔR均為R2-R1，同時(shí)α=β，則ΔL=α（R2-R1）。

根據(jù)式（1）和式（2）可繪制出ΔL -α 曲 線圖，如圖5～圖7所示。

當(dāng)0 ＜Δt ＜（R2-R1）時(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系可知，隨著Δt的增大，程序軌跡任意位置的補(bǔ)償值ΔR均開始減小，且越遠(yuǎn)離中心線的點(diǎn)ΔR減少的越小。隨著α增大即越遠(yuǎn)離中心線ΔL的增長越快。但由于ΔR的減小，最大ΔL相比Δt=0時(shí)明顯減少。

當(dāng)Δt=( R2-R1)時(shí)，中心線位置 處 的ΔR =0。此時(shí)ΔL雖然仍為單調(diào)遞增，但ΔL的最大值進(jìn)一步減少。

當(dāng)Δt＞( R2-R1)時(shí)，隨著Δt的增大ΔL并不再是單調(diào)遞增，ΔL開始出現(xiàn)負(fù)值，同時(shí)|ΔL|相比Δt≤( R2-R1)時(shí)的|ΔL|，依然有逐漸減小的趨勢。

最后通過計(jì)算可得，在R1=1666，R2=1669的條件下，當(dāng)Δt=3.5時(shí)α在[0,60°] 范圍內(nèi),mix|ΔL|有最小值為0.18 mm。即線性尺寸的偏差的最大值為0.36，滿足生產(chǎn)中GB/T 1804-m級的精度要求。

圖5 ΔL-α曲線關(guān)系圖（R1=1666，R2=1669，Δt=0）

圖6 ΔL-α曲線關(guān)系圖（R1=1666，R2=1669，Δt=2.8）

圖7 ΔL-α曲線關(guān)系圖（R1=1666，R2=1669，Δt=3.5）

3 結(jié)語

本文針對生產(chǎn)過程中多曲率彎曲壁板的加工需多套工裝的問題，制定了不同曲率壁板共用工裝的加工方法，并對共用工裝所帶來的周向弧長偏差進(jìn)行了誤差分析。結(jié)果顯示，通過機(jī)床的測量補(bǔ)償系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)共用工裝的加工方法，加工誤差在產(chǎn)品制造精度要求范圍內(nèi)。在滿足產(chǎn)品制造精度的同時(shí)，減小了產(chǎn)品對工裝的需求，縮短了產(chǎn)品的研制周期。