毫米波多孔薄板零件的加工工藝

□ 周新山 □ 楊國(guó)祥 □ 鐘 茅

中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司雷華電子技術(shù)研究所 江蘇無(wú)錫 214063

1 零件加工特征分析

平板天線(xiàn)具有輻射效率高、波束指向穩(wěn)定、功率容量大、低副瓣性能等電氣性能,同時(shí)其有較好的剛度和強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)緊湊、厚度薄、質(zhì)量輕、可靠性高等結(jié)構(gòu)性能。毫米波平板天線(xiàn)體積小,質(zhì)量輕,抗干擾能力強(qiáng),安裝條件好,毫米波雷達(dá)制導(dǎo)精度高,反隱身,得到廣泛使用。

毫米波多孔薄板件數(shù)控銑削特點(diǎn)有三方面。一是裝夾困難,使用壓板裝夾等常規(guī)方式或虎鉗等常規(guī)通用工裝裝夾易變形,切削過(guò)程產(chǎn)生的拉力及薄板的彈性退讓使零件易產(chǎn)生軸向振動(dòng),切削穩(wěn)定性較差。二是結(jié)構(gòu)上尺寸小,尺寸精度及形位公差要求高,屬高精度復(fù)雜微細(xì)銑削加工。三是多孔特征的存在增加了其飛邊和毛刺等多余物的去除難度。

通過(guò)以上分析,制定合理裝夾方式是保證零件尺寸精度與位置精度的重要因素。同時(shí)合理優(yōu)化工藝路線(xiàn)與切削參數(shù),也能在一定程度上降低零件應(yīng)力釋放和彈性振動(dòng)引起的超差和變形。

2 零件結(jié)構(gòu)及工藝分析

該毫米波多孔薄板零件外形尺寸為95.5 mm×94.5 mm×1 mm。零件部分結(jié)構(gòu)尺寸要求如圖1～圖3所示,波導(dǎo)腔底面厚度為0.5 mm,且該區(qū)域面積占總面積50%以上,零件波導(dǎo)腔體寬度、深度尺寸公差為±0.02 mm,厚度兩面平面度為0.02 mm。零件材料去除率高達(dá)55.6%,易變形。外形和型腔的尺寸小、精度高,零件無(wú)法通過(guò)常規(guī)手工方式去除毛刺、飛邊等多余物,波導(dǎo)腔底面接刀痕等痕跡較難去除。

▲圖1 零件B面

薄板類(lèi)零件由于剛性差,切削過(guò)程易發(fā)生軸向振動(dòng)和彎曲變形,采用平板式真空吸盤(pán)裝夾是首選裝夾方式。真空夾具運(yùn)用真空密封區(qū)域與外部空間的壓強(qiáng)差吸附零件,可靠性和穩(wěn)定性高。一般來(lái)說(shuō),平板式真空吸盤(pán)均以大于零件最大輪廓構(gòu)造密封區(qū)域,若密封區(qū)域內(nèi)加工通孔,則無(wú)法實(shí)現(xiàn)裝夾。經(jīng)試驗(yàn),采用傳統(tǒng)平板式真空吸盤(pán)+壓板分區(qū)域加工該零件,效果不理想,尤其是真空吸盤(pán)泄壓加裝壓板后,加工中間異型孔區(qū)域后孔口會(huì)出現(xiàn)明顯接刀,若接刀臺(tái)階痕跡達(dá)0.02 mm以上,則無(wú)法滿(mǎn)足圖紙要求。因此需實(shí)現(xiàn)零件B面一次裝夾加工完成,滿(mǎn)足加工穩(wěn)定性和精度要求。

▲圖2 零件A面

3 專(zhuān)用真空夾具工裝設(shè)計(jì)

薄板類(lèi)零部件加工時(shí),采用真空吸盤(pán)裝夾是首選的裝夾方式。真空吸盤(pán)裝夾零部件的原理是通過(guò)真空泵抽氣和橡皮密封圈形成密閉空間,真空泵抽取空氣后使吸盤(pán)的密封空腔產(chǎn)生真空,依靠大氣壓力將工件壓緊,壓緊力分布均勻,吸附面積大,減少了裝夾帶來(lái)的附加受力變形,可靠性、穩(wěn)定性高。但是普通平板式真空吸盤(pán)有其裝夾弊端,即無(wú)法在密封圈密封空間范圍內(nèi)銑穿或鉆穿工件。由分析可知,該薄板件有52處通孔特征,兩面不密封,使用平板式真空吸盤(pán)無(wú)法一次加工到位。經(jīng)試驗(yàn),若采用常規(guī)加工方式真空吸盤(pán)放氣后精加工異型孔,零件會(huì)因變形和彈性振動(dòng)造成零件中間區(qū)域孔口處出現(xiàn)明顯接刀,無(wú)法滿(mǎn)足零件要求。因此,滿(mǎn)足加工穩(wěn)定性即第二面的一次性裝夾加工完成,成為該零件加工質(zhì)量保證的重點(diǎn)。

▲圖3 零件部分結(jié)構(gòu)尺寸

依據(jù)以上要求,筆者在傳統(tǒng)真空吸盤(pán)原理上進(jìn)行了夾具改制,如圖4所示。改制的真空夾具選用鋁合金LY12材料,外形尺寸為26 mm×185 mm×185 mm。中間部位分別設(shè)計(jì)增加三處區(qū)域密封槽,密封區(qū)域分布原則為避開(kāi)零件異型孔區(qū)域,保證銑穿異型孔時(shí)真空區(qū)域不漏氣。夾具翻面一處腔體聯(lián)通三個(gè)區(qū)域密封槽,側(cè)面一處通氣孔。連接堵頭和設(shè)備開(kāi)啟真空泵后形成真空區(qū)域。

▲圖4 改制真空吸盤(pán)

真空吸盤(pán)吸附力Fj計(jì)算式為:

Fj=PS/100

(1)

式中:P為相對(duì)壓力;S為吸盤(pán)有效吸附面積。

經(jīng)計(jì)算對(duì)比,零件切削力大于μFj,μ為零件與夾具間最大靜摩擦因數(shù)。但僅靠改制真空吸盤(pán)真空吸附力無(wú)法滿(mǎn)足裝夾切削要求?；诟闹普婵瘴P(pán)吸附區(qū)域?yàn)榱慵行?邊緣區(qū)域加工穩(wěn)定性較差。因此在密封槽外側(cè)設(shè)計(jì)12處M4螺釘孔,形成真空吸附+螺釘緊固的組合裝夾方式。

通常真空夾具密封條為硅膠發(fā)泡橡膠條材料,規(guī)格約為φ3.8 mm。一般情況下,真空吸盤(pán)密封槽深度為3 mm,即密封條裝夾壓縮0.8 mm,壓縮比約21%。通過(guò)橡膠條彈力公式及壓縮率計(jì)算,可知單位壓力為0.725 5 MPa。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)分析可知,該零件較薄,加工過(guò)程也會(huì)發(fā)生塑性變形。尤其加工至最低一層時(shí),隨著零件變薄、塑性變形和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的下降,橡膠圈凸起較高的部位單位壓力會(huì)發(fā)生相對(duì)明顯的變化,從而影響零件裝夾。因此,真空夾具的裝夾方式,需考慮適當(dāng)降低橡膠條壓縮量。

通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn),橡膠圈在壓縮量為10%仍然能夠保持較好的密封性。計(jì)算可知,壓縮量為10%條件下的單位壓力為0.255 MPa。零件受到橡膠圈的彈力為正常加工的1/3。結(jié)合本零件外形小的特點(diǎn),將真空夾具上密封槽深度設(shè)計(jì)為3.3～3.4 mm。經(jīng)加工驗(yàn)證,零件加工效果平面度有了較好的提升。

4 工序及工藝參數(shù)

影響多孔薄板件加工變形的因素還有很多,材質(zhì)、零件結(jié)構(gòu)、加工設(shè)備、切削參數(shù)等,主要考慮因素和策略如下。

(1) 毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力。毛坯在生產(chǎn)、處理和加工材料過(guò)程中,由于材料局部產(chǎn)生不均勻的變形和相變,必然導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。同時(shí),毛坯見(jiàn)光去除材料及產(chǎn)生的切削應(yīng)力也會(huì)影響毛坯自身平衡條件,造成殘余應(yīng)力的釋放引起加工變形。該零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度要求高,采用合理方式釋放殘余應(yīng)力十分必要。

(2) 加工方法及條件。不同規(guī)格刀具、不同加工位置產(chǎn)生的切削力不同,造成其切削過(guò)程產(chǎn)生的變形量也不一樣。刀具選用上應(yīng)選擇小規(guī)格刀具,切削參數(shù)上采用小切深加工策略。同時(shí)選用合理下刀方式也能夠減小加工變形。

除了以上因素,機(jī)床精度、刀具夾頭穩(wěn)定性及加工環(huán)境均對(duì)該零件加工誤差產(chǎn)生影響。同時(shí),在每道工序間增加檢驗(yàn),可及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)每道工序問(wèn)題。

結(jié)合以上工件加工特征、結(jié)構(gòu)工藝分析、專(zhuān)用真空夾具設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)制定策略,形成的該零件加工工序流程如圖5所示。

▲圖5 零件加工工序流程

加工路線(xiàn)中,工序2數(shù)銑兩面見(jiàn)光至厚度為2.5 mm,去應(yīng)力后見(jiàn)光量控制較少,能夠在一定程度降低工序4數(shù)銑加工切削應(yīng)力。工序4數(shù)銑加工A面時(shí)零件厚度大于2 mm,且體積較小,無(wú)需真空裝夾,螺釘裝夾即可,加工B面需螺釘配合真空吸附裝夾,裝夾方式如圖6所示。

▲圖6 零件加工裝夾

在切削參數(shù)設(shè)置方面,選用φ0.8 mm刀具,通常單層切深為0.5～1.0 mm,轉(zhuǎn)速為8 000～9 000 r/min,進(jìn)給量為100～200 mm/min。通過(guò)以上分析可知,切削過(guò)程中單層切深與刀具軸向切削力關(guān)系密切,單層切深較大時(shí)薄板更容易軸向變形。因此,綜合考慮加工精度及加工效率,可參照高效切削方法合理安排加工參數(shù)。高效切削即在高速切削基礎(chǔ)上,兼顧質(zhì)量和效率。在本次切削精加工過(guò)程中,筆者將轉(zhuǎn)速增加至15 000 r/min,單層切削深度改為0.3～0.5 mm,同時(shí)增加進(jìn)給量至400～600 mm/min,經(jīng)切削仿真以及實(shí)際加工驗(yàn)證,加工效果有了較大改善,同時(shí)也滿(mǎn)足了加工效率。切削腔體總加工用時(shí)縮短64%。

參照結(jié)構(gòu)分析可知,手工方法去除毛刺,一方面由于腔體寬度小、深度淺的特征,工具無(wú)法深入,難以實(shí)現(xiàn)毛刺去除;另一方面棱邊易產(chǎn)生損傷,影響零件的質(zhì)量。

磁力拋光是利用磁力高頻變化,傳動(dòng)細(xì)小的研磨不銹鋼針,產(chǎn)生高速流動(dòng)、掉頭、振動(dòng)等動(dòng)作,使清洗劑產(chǎn)生高速旋浮流動(dòng)、換向翻滾,同時(shí)眾多不銹鋼針滑過(guò)工件各表面及工件內(nèi)腔、內(nèi)孔,達(dá)到清洗、去油垢雜質(zhì)、去除毛刺、研磨光亮的拋光效果。

選用磁力拋光設(shè)備去毛刺,使用磁力拋光機(jī)時(shí)選用0.3 mm不銹鋼針,拋光時(shí)間小于10 min。經(jīng)試驗(yàn),能夠滿(mǎn)足微毛刺去除的前提下,棱邊倒鈍不大于0.01 mm,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

5 加工效果

零件加工完成后,由精密檢驗(yàn)室的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量精度見(jiàn)表1。表1中,L為目標(biāo)尺寸。

表1 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量精度 μm

本次加工的多孔薄板零件和差陣面主要包含波導(dǎo)腔及功分腔體,對(duì)首件加工后的功分腔體數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè),數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。表2中主要展示了三組波導(dǎo)腔的尺寸檢驗(yàn),包含零件由中間到邊界的三個(gè)區(qū)域。

表2 和差陣面加工檢測(cè)數(shù)據(jù) mm

對(duì)隨機(jī)截取的表2數(shù)據(jù)分析,縫中心尺寸X方向局部存在超差,超差的尺寸為微米級(jí)以下,最大超差為0.002 mm,由于圖紙尺寸為0.00 mm級(jí),按四舍五入原則這一超差尺寸可以認(rèn)為是尺寸的上限尺寸,也是滿(mǎn)足尺寸要求的。

顯微鏡下零件加工后的部分特征放大圖如圖7所示。從圖7中可以看出,零件腔體底面以及孔口處無(wú)明顯接刀痕,經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量,波導(dǎo)腔各面平面度較好,接刀痕小于0.007 mm,符合設(shè)計(jì)使用需求。

▲圖7 部分加工特征放大圖

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)毫米波多孔薄板件的加工工藝研究,從理論上分析了多孔薄板件的加工特征及難點(diǎn),在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)專(zhuān)用真空夾具,強(qiáng)化了加工穩(wěn)定性,優(yōu)化了切削參數(shù),解決了高精度薄板多孔加工的難題,也為同類(lèi)型零件加工提供了工藝思路。