航天箱體類零件的設計及工藝分析

楊清麗

摘要:本文不僅從設計角度對航天“關鍵件”、“重要件”——箱體的工況條件、材料選擇、結構特點等做了研究，而且還從工藝角度對航天箱體類零件進行了周密的分析，在航天箱體類零件的設計及生產中具有很好的借鑒作用。

關鍵詞：航天箱體零件設計分析工藝分析

中圖分類號：TH161 文獻標識碼:A 文章編號：1674-098X(2012)06(c)-0070-01

1 航天箱體類零件的功用及工況條件分析

箱體類零件(含機架)是航天產品的基礎零件,它與航天產品中的齒輪、套、軸等有關的一系列零件拼接為一個整體,并使它們之間的互相位置,按照一定的協調傳動關系傳遞動力并固定其它零部件。

常見的航天箱體類零件主要有:自由陀螺殼體、航天雷達機架、渦噴發動機殼體、航天變速器外殼、遙測裝置基座等;

由于航天產品本身的工作環境通常為太空或高空飛行,且許多產品需要做海上打靶等試驗,所以決定了航天箱體類零件的工況條件及選材要求為:(1)耐高溫;(2)能在高濕度的工作環境而不產生風化、發霉、變質等失效現象;(3)能夠承受高的壓力差,這對材料的力學性能及熱處理提出了較高的要求;(4)由于許多產品需做海上打靶等試驗,因而要求產品能夠耐酸性、堿性或鹽性工作環境;(5)重力加速度小于地平面,所以選材要輕,使航天產品能夠克服重力加速度而輕松升空……

2 常用材料及牌號

在實踐中,航天箱體類零件常用的材料為鋁材,原因在于:與鋼材相比,其密度只有鋼材的近1/3,因而比較輕;與非金屬相比,鋁材有具有較高的熔點、導熱系數,較低的摩擦系數以及比非金屬更高的強度和綜合機械性能;與銅、鈦材等有色金屬、貴金屬相比,由于航天箱體類零件通常體積較大因而耗材較多,所以選用鋁材通常可獲得較高的性價比。

根據箱體零件的結構形式不同,可分為整體式箱體和分離式箱體兩大類。前者通過整體鑄造完成,常用材料為鑄鋁,牌號有ZL101、ZL401等;后者可分別制造,常用材料為LY11、LY12等牌號的硬鋁。

3 航天箱體類零件的結構特點及圖紙特點

由于航天零、部件幾乎都需裝在箱體(或機架)上,所以箱體類零件的加工質量將直接影響航天產品的精度、性能和壽命。為確保航天產品的“穩妥可靠、萬無一失”,箱體(含機架)類零件歷來被航天軍工企業定為“關鍵件”、“重要件”,從設計到生產,必然引起高度重視。

由于航天箱體(含機架)多種多樣的結構形式,可是有幾大相同特點,主要是:壁薄不均、形狀繁多,加工部位繁多,內部腔形結構,加工難度頗大,而且要求精度,許多精度要求較低為緊固孔,精度要求較高的為孔系和平面。在航天箱體類零件圖紙中,通常具有以下一些共同特點:

3.1 主平面的表面粗糙度值和形狀精度要求較高

箱體的主要平面是裝配的基礎標準,加工時才定位基準,因此,如果沒有較小的表面粗糙度值和較高的平面度,會直接影響箱體加工時產生的定位精度,從而影響機座與箱體總裝時的相互位置精度和接觸剛度。

一般箱體主要的平面度在0.1～0.03mm,各主要平面對裝配基準面垂直度為0.1/300,表面粗糙度Ra2.5～0.63μm。

3.2 高的孔尺寸精度、幾何形狀精度與表面粗糙度

大孔多為軸承支承孔,若精度如果達不到要求,將影響軸承與箱體孔的配合精度,導致軸的回轉精度下降,容易使傳動件(如齒輪)產生噪聲和振動。因此對孔的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度都要求較高,一般支承孔的尺寸精度為IT6,圓度和圓柱度公差不超過孔徑公差的1/2,表面粗糙度值為Ra0.63～0.32μm。

3.3 主要孔和平面相互位置精度要求較高

同一軸線的承孔要求有一定的同軸度要求,各支承孔之間也要求有一定的孔距尺寸精度及平行度相對應,否則不僅裝配困難,而且會使軸運轉惡化,溫度增高,齒輪嚙合精度下降,軸承磨損加劇,從而引起振動和噪音,進而影響齒輪壽命。一般二言,平行度公差應小于孔距公差;同一軸線上孔的同軸度公差一般為0.04～0.01mm。主要平面與支承孔的平行度公差為0.1～0.05mm。主要平面間和主要平面對支承孔之間垂直度公差為0.1～0.04mm。

4 航天箱體類零件加工工藝分析

航天箱體類零件加工過程復雜,加工精度高,難度大。所涉及到的常見切削加工方法有:銑、刨、磨、鏜、鉆等。加工中需解決的關鍵是主要平面和軸承支承孔的加工。

對于大的零件,一般先在龍門刨床或龍門銑床上加工。在大批量的生產時,基本采用銑削;在主要平面的加工中,對于中、小零件,一般在普通銑床或牛頭刨床上進行。生產批量大并且高精度零件時可采用磨削。要求生產單件小批量精度較高的平面時,除一些高精度的箱體仍然需手工刮研外,一般采用數控加工中心或寬刃精刨完成。

加工箱體支承孔時,一般不鑄出直徑小于50mm的孔,可采用鉆－擴(或半精鏜)－鉸(或精鏜)的方案。對于已鑄出的孔,可采用粗鏜－半精鏜－精鏜(用浮動鏜刀片)的方案。由于主軸軸承孔精度和表面質量要求比其余軸孔高,所以,在精鏜后要用浮動鏜刀片進行精細鏜。對于高精度孔,最后精加工工序也可采用滾壓、珩磨等工藝方法。

5 熱處理及表面處理

航天箱體類零件鑄鋁材料較為普遍,通常采用的熱處理方法為人工時效。在毛坯鑄造后應安排一次人工時效處理,有時甚至在半精加工之后還要再安排一次時效處理,以便快速消除切削加工時產生的內應力和殘留鑄造內應力。相對于高精密度箱體,在機械加工過程中還應安排較長時間的自然時效。

表面處理常用的方法有氧化和涂漆等方法,由于航天箱體類零件多為航天軍品所采用,所以涂漆通常為黑色磁漆,牌號如H04-2黑HG2-603-75等。

參考文獻

[1] 鄧昭銘主編.機械設計基礎.北京:高等教育出版社,2007.

[2] 孟少農主編.機械加工工藝手冊.北京:機械工業出版社,1991.