雙面下陷蒙皮壁板快速定位及變形控制技術(shù)

張金玉，段貴超，李俊文，王楊，楊昊，姚亞超

天津航天長征火箭制造有限公司 天津 300462

1 序言

新一代運載火箭的特點是綠色、無毒和無污染。航天壁板以2219鋁合金材質(zhì)為主，作為新一代運載火箭的主要結(jié)構(gòu)件，具有高強度、高韌性和輕量化等特點。新一代運載火箭研發(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)點的同時，也帶來了加工方面的困難和挑戰(zhàn)。

針對雙面下陷蒙皮壁板加工過程中，兩面下陷特征相對位置精度控制以及中空型腔壁厚公差控制進行研究，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。

2 加工方式

雙面下陷蒙皮壁板主要應(yīng)用于新一代運載火箭貯箱中，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，即可完成整個銑削過程[1]。雙面加工時，需要對壁板進行翻面加工，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，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。

3 加工難點

1）尋找原點重復(fù)定位困難。壁板原采用單A面加工只需吸盤吸附固定，定好原點就可以完成整個工序的加工，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面加工原點找正困難，尺寸難以對應(yīng)，增加了翻面重復(fù)定位找正的難度和風(fēng)險[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行翻面，再進行A面凹槽下陷加工，且保證下陷區(qū)域厚度公差為0.2mm時，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。

4 加工方案優(yōu)化

（1）裝夾找正優(yōu)化 貯箱壁板A面、B面加工時，利用百分表打表的方式對壁板一側(cè)進行拉直定位，然后再利用尋邊器找正壁板加工原點，這種定位方式缺點明顯：打表拉直費時費力，增加工作時間和人力成本，效率低。通過對加工數(shù)據(jù)的測量、分析和尺寸鏈的研究、計算，確定將打表定位改為壓板三點定位。三點定位找正如圖2所示。

圖2 三點定位找正示意

壁板B面凹槽下陷加工完成后，在吸盤上利用兩個壓板在壁板X向一側(cè)進行定位，一個壓板在壁板Y向一側(cè)進行定位，此時只需要沿著X向180°翻轉(zhuǎn)壁板，重新靠緊3個支點，然后進行A面加工。這種定位方式結(jié)構(gòu)簡單、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，由于需要在B面對應(yīng)位置加工A面槽，此時B面若沒有支撐，在加工時極易使（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：生產(chǎn)成本提高、填充物分布不均勻及加工周期長等。經(jīng)分析試驗，在不添加填充物的情況下，采用對B面“小切削深度、慢進給速度、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，降低操作人員勞動強度[3]。具體實施方案如下。

1）以壁板厚度、B面槽深度和A面槽厚度組成尺寸鏈，通過精確計算，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、進給速度及切削深度。以2mm切削深度為例，為保證精度，同時兼顧效率，按0.8m m、0.7mm、0.5mm的分層方式分3層加工，通過逐層減少切削深度、進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)見表1。

表1 雙面銑削分層切削參數(shù)

5 加工效果對比

（1）切削質(zhì)量提升 對比方案優(yōu)化前后的實際加工效果，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)律超差問題。方案優(yōu)化前后超差情況統(tǒng)計見表2。

表2 方案優(yōu)化前后超差情況統(tǒng)計

由表2得出，用高速銑削“小切削深度、慢進給速度、多分層”的理念進行加工方式優(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需要反復(fù)打表、測量，計算并修正變形帶來的切削誤差。工藝優(yōu)化后采用三點定位找正及“小切削深度、慢進給速度、多分層”的切削方法[4，5]，通過三點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、慢進給速度、多分層”方法的應(yīng)用，有效解決了加工變形帶來的干擾，省去了反復(fù)打表、測量的時間，同時省略了B面凹槽裝填充物的時間，加工效率得到大幅提升。

6 結(jié)束語

本文對壁板雙面銑削加工中遇到的難點問題進行了詳細(xì)的闡述和分析，提出了優(yōu)化的工藝方法，通過技術(shù)革新，在壁板翻面加工中采用三點定位找正和數(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%，一檢合格率達到100%，并進行了多次實際加工驗證，實現(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。

該文針對雙面下陷蒙皮壁板銑削過程中遇到的難點問題，提出了雙面兩次加工的工藝方法，通過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)定位的難度和時間，經(jīng)過實際加工驗證，提高了產(chǎn)品合格率和加工效率。

文章的亮點是薄壁板翻面定位方法和雙面凹槽對應(yīng)加工技術(shù)，通俗易懂，實用性強。通過工藝優(yōu)化，壁板翻面后采用三點定位找正，在B面凹槽不增加填充物的情況下，采用“小切削深度、慢進給速度、多分層”的銑削方法加工A面對應(yīng)位置凹槽，有效解決了槽底薄壁處的加工變形問題，滿足了雙面銑削的尺寸精度要求。

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