大型空氣舵舵體數(shù)控加工工藝研究

楊 洋 張海洋 徐鶴洋 戰(zhàn)祥鑫 焉 嵩

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院首都航天機(jī)械公司，北京100076)

空氣舵是火箭艙體尾段上控制方向的重點(diǎn)產(chǎn)品，負(fù)責(zé)彈體的俯仰和偏航導(dǎo)向，對(duì)打擊目標(biāo)的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用(如圖1所示)。

空氣舵的舵體采用分體式結(jié)構(gòu)，由左、右兩個(gè)半舵螺接而成，每個(gè)半舵采用硬鋁合金材料進(jìn)行機(jī)加，舵體螺接在一起后，再與舵軸進(jìn)行鉚接。由于舵體采用分體式螺接結(jié)構(gòu)，這就對(duì)左右兩個(gè)半舵的加工提出了極高的要求，如果不能精確保證左、右兩個(gè)半舵的加工一致性和加工精度，就極容易導(dǎo)致螺接后舵體邊緣對(duì)接不齊或?qū)用娲嬖诎惭b間隙等問(wèn)題。此外，在兩個(gè)半舵螺接在一起后，還要將舵軸插入舵體的插接區(qū)并和舵體進(jìn)行鉚接(如圖2所示)。因此舵體插接區(qū)處的公差尺寸要求極嚴(yán)，該尺寸一旦稍有偏差，就可能導(dǎo)致舵體與舵軸插接不上的情況。

因此，由于該空氣舵獨(dú)特的分體式結(jié)構(gòu)、較大的幾何外形尺寸和極嚴(yán)的公差要求，成為筆者公司至今為止生產(chǎn)的舵類零件中加工難度最大的產(chǎn)品。如何實(shí)現(xiàn)該大型空氣舵分瓣舵體的高精數(shù)控加工，成為了筆者公司目前急需要解決的技術(shù)難題。

1 產(chǎn)品介紹

空氣舵的舵體采用分體式結(jié)構(gòu)，由左右兩個(gè)半舵通過(guò)鈦合金螺釘螺接而成，每個(gè)半舵采用7050的鋁合金材料進(jìn)行數(shù)控加工。半舵的外形尺寸為969.9 mm×656 mm，舵體外側(cè)舵面由3個(gè)斜平面構(gòu)成，舵體內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有減重網(wǎng)格，網(wǎng)格壁厚為2.3 mm，中間由寬6 mm的筋作為骨架進(jìn)行支撐。為了保證兩個(gè)半舵的準(zhǔn)確螺接，半舵的形位公差要求較高，內(nèi)側(cè)對(duì)接面的平面度要求小于0.1 mm。此外，空氣舵的舵體通過(guò)插接區(qū)與舵軸進(jìn)行連接，為了保證后續(xù)裝配中舵軸與舵體的準(zhǔn)確插接，該插接區(qū)域的尺寸精度要求極高，尤其是厚度尺寸公差，要求為2mm，產(chǎn)品的具體尺寸如圖3和圖4所示。

2 零件加工工藝性分析

(1)產(chǎn)品加工過(guò)程中易變形

空氣舵舵體的左、右兩個(gè)半舵采用7050的鋁合金板材進(jìn)行數(shù)控加工，毛坯尺寸為1 380 mm×740 mm×40 mm，與最終成品零件的重量比達(dá)5倍以上，在加工舵體的內(nèi)側(cè)減輕網(wǎng)格和外側(cè)舵面時(shí)，均會(huì)有極高的金屬去除率。因此在加工過(guò)程中，隨著材料的去除，大量釋放的切削熱和切削力極易導(dǎo)致產(chǎn)品變形，并在最終精加工階段，影響產(chǎn)品的形位公差和尺寸精度。

(2)加工薄壁區(qū)域時(shí)易產(chǎn)生“振刀”

空氣舵的舵體屬于典型的大型薄壁類工件，壁厚較薄、面積較大，中間僅有幾根筋條作為骨架進(jìn)行支撐，剛性較弱。在加工過(guò)程中，除了筋條位置外，大面積的薄壁處全部為懸空狀態(tài)，沒有支撐，因此當(dāng)加工薄壁區(qū)域時(shí)，在切削力的作用下，薄壁處就會(huì)由于剛度不足而產(chǎn)生嚴(yán)重的振顫。一旦發(fā)生振刀，將極大地影響產(chǎn)品的加工表面質(zhì)量。

(3)產(chǎn)品裝夾定位困難

空氣舵舵體的舵面由3個(gè)斜平面構(gòu)成，由于舵面要求全面積加工，因此沒有壓板裝壓位置。此外即使考慮采用倒壓板加工的方法，由于舵面沒有平面區(qū)域，壓板也會(huì)在斜面上產(chǎn)生竄動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法完全壓穩(wěn)工件。

(4)左右兩個(gè)半舵的加工一致性難以保證

空氣舵的舵體為分體式結(jié)構(gòu)，需要單獨(dú)加工左右兩個(gè)半舵后，再將兩個(gè)半舵螺接在一起，因此就要求兩個(gè)半舵具有極高的加工一致性，否則就會(huì)出現(xiàn)邊緣對(duì)接不齊等問(wèn)題。由于兩個(gè)半舵是分開加工的，每一個(gè)半舵在加工過(guò)程中的裝夾及對(duì)刀都存在一定的系統(tǒng)隨機(jī)誤差，因此難以保證分開加工的兩個(gè)半舵具有極高的加工一致性。

3 整體工藝方案設(shè)計(jì)

為了有效控制工件變形，在制定加工工藝流程時(shí)，采用劃分加工階段、合理分配加工余量、適當(dāng)安排熱處理工序等工藝措施，提早釋放應(yīng)力，減小工件變形。設(shè)計(jì)的總體工藝方案為將加工階段劃分為粗、精加工，先對(duì)舵體的內(nèi)側(cè)網(wǎng)格和外側(cè)舵面進(jìn)行粗銑，在粗銑時(shí)，預(yù)留2 mm加工余量。由于在粗加工階段，需要去除大部分金屬余量，為了減小大量切削力和切削熱可能引起的變形，在粗加工后，安排消除應(yīng)力的時(shí)效工序(溫度為140±5℃，時(shí)間為≥4 h，冷卻方式為空冷)，使大部分加工殘余應(yīng)力得到釋放，為最終精加工控制變形做出保障。待時(shí)效完成后，再對(duì)舵體的內(nèi)側(cè)網(wǎng)格和外側(cè)舵面及插接區(qū)進(jìn)行精銑。具體的加工工藝流程如圖5所示。

為了解決舵體裝夾困難和加工薄壁時(shí)的“振刀”問(wèn)題，在粗銑外側(cè)舵面時(shí)，需為后面的精銑內(nèi)側(cè)網(wǎng)格工序預(yù)留支撐筋。由于舵體的外側(cè)舵面由3個(gè)斜平面組成，如果在粗銑外側(cè)舵面時(shí)不在四周預(yù)留支撐筋，則在后面精銑內(nèi)側(cè)網(wǎng)格時(shí)，由于舵面已經(jīng)粗銑出來(lái)，就會(huì)出現(xiàn)沒有水平面用以裝夾定位的問(wèn)題。因此為了方便加工，粗銑正面的舵面時(shí)，在工件的四周需預(yù)留出10 mm寬的支撐筋(如圖6所示)，支撐筋的高度需高出舵面的高度，這樣4個(gè)支撐筋就能形成一個(gè)定位基準(zhǔn)面，為后面的精銑工序作為定位基準(zhǔn)。同時(shí)考慮到舵體面積過(guò)大，長(zhǎng)、寬近1 m，且壁厚較薄，除了四周支撐筋外，中間部分全部懸空，如果沒有其余輔助支撐，則在精銑網(wǎng)格下陷時(shí)，工件就會(huì)發(fā)生振顫，無(wú)法順利加工。因此在粗銑舵面時(shí)，還需要在中間預(yù)留4條10 mm寬的支撐筋，支撐筋高度和四周工藝凸邊的高度保持一致，這樣中間的4條支撐筋就能作為精銑網(wǎng)格時(shí)的輔助支撐，以有效地減輕加工中的工件振顫。

最后，為了精確保證兩個(gè)半舵的加工一致性，在產(chǎn)品精加工的最后一道工序“精銑舵面及插接區(qū)”，創(chuàng)新地采用一種整體加工方式，自行設(shè)計(jì)一種新型的大型立式裝夾工裝(如圖7所示)，將兩個(gè)半舵分別裝夾在該工裝的兩側(cè)，保證兩個(gè)半舵在一次裝夾下同時(shí)進(jìn)行加工，這樣兩個(gè)半舵在加工時(shí)就具有同一個(gè)定位基準(zhǔn)和加工坐標(biāo)系，最終也就精確保證了兩個(gè)半舵的加工一致性和后續(xù)拼接時(shí)的拼接準(zhǔn)確性。

4 工裝設(shè)計(jì)與裝夾方案

為了在最終的“精銑舵面及插接區(qū)”工序進(jìn)行左右兩個(gè)半舵的整體式加工，工裝及舵體在工裝上的裝夾方案設(shè)計(jì)如下:

4.1 工裝設(shè)計(jì)

考慮到工裝要承受較大的切削力，因此要有足夠的剛度和強(qiáng)度。因此工裝采用45＃鋼材料，工裝的兩側(cè)面為兩個(gè)半舵的安裝面，工裝的中間為中空結(jié)構(gòu)，為了方便操作者從工裝內(nèi)側(cè)擰入緊固螺釘。同時(shí)工裝的中間設(shè)有兩個(gè)加強(qiáng)腹板，以增加工裝的剛度和強(qiáng)度。為了方便起吊，在工裝側(cè)面的上端，設(shè)計(jì)有兩處吊裝孔。另外在工裝的下端還開有四處壓板槽用以安裝壓板，通過(guò)壓板將該工裝壓緊在機(jī)床的床面上，工裝的具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4.2 左右兩個(gè)半舵的裝夾定位方式

每個(gè)半舵在筋與筋的交匯處共有35個(gè)M6的螺紋孔。因此考慮利用該35-M6的螺紋孔進(jìn)行工件的裝夾和定位。在精銑工件的外側(cè)舵面前，在工件上制出33個(gè)M6的螺紋孔(其中兩個(gè)孔預(yù)留不制，作為定位銷孔)，同時(shí)在工裝的兩個(gè)安裝面上的相應(yīng)位置也制出相應(yīng)的螺紋孔位。然后在33個(gè)M6的螺紋孔處，用螺栓從工裝的內(nèi)側(cè)擰入工件，以此將兩個(gè)半舵分別固定在工裝的左右兩個(gè)安裝面上(如圖8所示)。同時(shí)為了準(zhǔn)確定位工件，使左右兩個(gè)半舵基準(zhǔn)統(tǒng)一，以保證兩個(gè)半舵的加工一致性，在工裝的兩個(gè)安裝面及工件上，將預(yù)留沒制的兩個(gè)螺紋孔位處制出?5 mm的定位銷孔，用以定位工件，兩個(gè)安裝面的定位銷孔需一次性制出，以保證兩個(gè)半舵的基準(zhǔn)統(tǒng)一。待精銑完成后，從工裝上卸下工件，再將工件上的兩處定位銷孔制成M6的螺紋孔即可。這樣既滿足了圖紙的要求，又可以有效利用兩處銷孔準(zhǔn)確定位工件。

通過(guò)將兩個(gè)半舵裝夾在立式工裝的兩面進(jìn)行一體式加工的方式(即先加工一個(gè)半舵，然后機(jī)床旋轉(zhuǎn)180°同時(shí)加工另一個(gè)半舵)，有效保證了兩個(gè)半舵在一次裝夾下，具有同一個(gè)定位基準(zhǔn)和加工坐標(biāo)系，因此也保證了兩個(gè)半舵極高的加工一致性。

5 UG編程設(shè)計(jì)及刀具、機(jī)床的選擇

5.1 粗銑內(nèi)側(cè)網(wǎng)格和粗銑外側(cè)舵面

粗銑內(nèi)側(cè)網(wǎng)格和外側(cè)舵面時(shí)，由于底面特征均為斜平面，因此選擇UG的“型腔銑”加工模式，該模式可以有效地識(shí)別腔體的底面特征，并按照底面的斜度智能規(guī)劃每層的加工刀路，使每層的刀路都按照底面斜度的變化而變化，以盡可能均勻地進(jìn)行余量去除，但該模式銑出的底面為階梯狀底面，因此只能用于快速的粗銑去量，不能用于精加工。

由于粗銑時(shí)需要大余量去除，刀具需承受較大的切削力，如果刀具直徑較小，就會(huì)導(dǎo)致剛度不足，且刀路較密，加工起來(lái)較為費(fèi)時(shí)。為了節(jié)省加工時(shí)間，獲得較高的加工效率，在粗銑內(nèi)側(cè)網(wǎng)格和粗銑外側(cè)舵面時(shí)選用?20R2銑刀。

設(shè)計(jì)程序參數(shù)時(shí)，將每刀的切削深度設(shè)為“恒定”，距離為“3 mm”，因?yàn)槭谴帚娙チ浚梢钥紤]將刀具的平直百分比設(shè)的較大以提高加工效率，在此設(shè)為70%，生成的刀路如圖9和圖10所示。

粗銑內(nèi)側(cè)網(wǎng)格和粗銑外側(cè)舵面都是采用定軸加工，因此選擇三軸數(shù)控銑床VMC850即可，在滿足加工需求的前提下，又可以有效地節(jié)約加工成本。

5.2 精銑內(nèi)側(cè)網(wǎng)格

由于網(wǎng)格底面是與舵面傾角相同的斜平面，且網(wǎng)格的側(cè)壁為垂直側(cè)壁，因此要獲得精確的網(wǎng)格底部型面，只能采用排刀加工。在排刀加工網(wǎng)格底面之前，由于粗加工時(shí)使用的是?20R2銑刀，所以在網(wǎng)格拐角處會(huì)有較大的圓角殘留。如果直接用?10R2銑刀進(jìn)行網(wǎng)格底面的排刀加工，會(huì)在拐角余量較大處產(chǎn)生振顫及讓刀現(xiàn)象。為了避免該現(xiàn)象，需用?10R2銑刀先進(jìn)行清邊程序，將側(cè)面2 mm余量及拐角余量預(yù)先去除，然后再采用排刀的加工方式加工網(wǎng)格底面。因此在UG中先選用“外形輪廓銑”模式清網(wǎng)格側(cè)邊，再選用“區(qū)域銑削”模式精排出網(wǎng)格底面。

設(shè)計(jì)程序參數(shù)時(shí)，選擇“非陡峭切削模式”下的“跟隨周邊”模式，“刀路方向”選擇“向外”，“切削方向”選擇“順銑”，“步距”選擇“恒定”，“最大距離”設(shè)為0.5 mm，然后生成刀路，生成的刀路如圖11和圖12所示。

精銑內(nèi)側(cè)網(wǎng)格和粗銑內(nèi)側(cè)網(wǎng)格工序相同，也為定刀軸加工，因此同樣選擇三軸數(shù)控銑床VMC850即可。

5.3 精銑舵體外形、外側(cè)舵面及插接區(qū)

舵體的舵面由3個(gè)傾角不同的斜平面組合而成，因此加工時(shí)需將刀軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)與加工表面相垂直的角度進(jìn)行加工，由于3個(gè)舵面的角度不盡相同，所以刀軸需要根據(jù)每個(gè)舵面的角度變換刀軸方向，因此采用UG中的“可變軸輪廓銑”模式進(jìn)行加工。同時(shí)為了獲得更好的表面光潔度和更高的加工效率，采用?50 mm的盤銑刀進(jìn)行加工。

設(shè)計(jì)程序參數(shù)時(shí)，“驅(qū)動(dòng)方法”選擇“邊界”，“刀軸”選擇“垂直于部件”，“切削模式”選擇“往復(fù)”，“刀路方向”選擇“向外”，“切削方向”選擇“順銑”，“刀具平直百分比”選擇“70%”，然后生成刀路，生成的刀路如圖13所示。

因?yàn)榫姴褰訁^(qū)下陷和精銑背面網(wǎng)格下陷時(shí)的加工模式相同，在此不再贅述。

在機(jī)床的選擇上，由于在精銑外側(cè)舵面及插接區(qū)時(shí)，需要臥銑，且為變刀軸加工，因此必須使用五軸加工中心才能完成，在此選用DMU125P五軸加工中心進(jìn)行加工。

6 虛擬仿真技術(shù)研究

為提高空氣舵舵體產(chǎn)品加工過(guò)程中的安全可靠性，利用VERICUT仿真軟件對(duì)精加工過(guò)程中的數(shù)控程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對(duì)加工結(jié)果(即過(guò)切、殘留等問(wèn)題)做出提前判斷，使仿真系統(tǒng)充分發(fā)揮其加工糾錯(cuò)的作用，以確保實(shí)際加工時(shí)，數(shù)控加工程序的準(zhǔn)確性和可靠性。

第一步導(dǎo)入機(jī)床、毛坯及設(shè)計(jì)模型。將已經(jīng)創(chuàng)建好的DMU125p機(jī)床模型導(dǎo)入到項(xiàng)目樹的“機(jī)床”項(xiàng)目中，同理，將空氣舵舵體的設(shè)計(jì)模型和毛坯模型分別導(dǎo)入到項(xiàng)目樹的“設(shè)計(jì)”項(xiàng)目和“stock”項(xiàng)目中。

第二步進(jìn)行坐標(biāo)系設(shè)置。選擇項(xiàng)目樹的“坐標(biāo)系統(tǒng)”項(xiàng)目，新建一個(gè)坐標(biāo)系“CSYS1”，然后設(shè)置為“附坐標(biāo)系到stock”，并將該坐標(biāo)系的位置移動(dòng)到與程序中的加工坐標(biāo)系的位置相一致。

第三步進(jìn)行G代碼設(shè)置(如圖14所示)。選擇項(xiàng)目樹的“G代碼偏置”項(xiàng)目，新建一個(gè)工作偏置。將“子系統(tǒng)名”設(shè)置為“1”，“寄存器”設(shè)置為“0”，“子寄存器”設(shè)置為1，并將“選則從/到定位”設(shè)置為“從組件B軸到坐標(biāo)原點(diǎn)csys1”。

第四步建立刀具庫(kù)。選擇項(xiàng)目樹的“加工刀具”項(xiàng)目，創(chuàng)建刀具文件并命名為“TOOL”，在刀具文件中創(chuàng)建精加工使用的刀具如?50銑刀等。在創(chuàng)建刀具后選則“自動(dòng)裝夾”和“自動(dòng)對(duì)刀點(diǎn)”。

第五步導(dǎo)入數(shù)控程序。將在UG中已經(jīng)后處理好的精加工程序?qū)氲巾?xiàng)目樹的“數(shù)控程序”項(xiàng)目。

第六步運(yùn)行程序并對(duì)程序的正確性進(jìn)行檢查。在主窗口右下角單擊play按鈕，開始執(zhí)行程序，仿真過(guò)程如圖15所示。

等待程序執(zhí)行完成后，將切削模型和設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì)。選擇菜單欄“分析”項(xiàng)目下的“自動(dòng)比較”命令，選擇“比較類型”為“過(guò)切和殘留”，然后在“過(guò)切”項(xiàng)目下，將“過(guò)切檢查精度”設(shè)為“0.01”，并選擇“red”標(biāo)明過(guò)切部位，將“殘留檢查精度”也設(shè)為“0.01”，并選擇“blue”標(biāo)明殘留部位，然后選擇“比較”，比較后可以查找出是否存在“殘留”或“過(guò)切”，并定位出殘留和過(guò)切的具體部位，最后點(diǎn)擊“報(bào)告”，生成自動(dòng)比較報(bào)告，如圖16和圖17所示。如果檢查出有過(guò)切或殘留部位，及時(shí)對(duì)該加工部位的程序進(jìn)行修改，然后再次運(yùn)行程序并進(jìn)行自動(dòng)比較，直到?jīng)]有過(guò)切或殘留為止，仿真過(guò)程結(jié)束。

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)大型空氣舵舵體的加工工藝性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了舵體的整體數(shù)控加工工藝方案，研究了舵體的裝夾定位方式，并制造了一種合理的裝夾工裝完成了左右兩個(gè)半舵的一體式加工。同時(shí)本文還研究了大型空氣舵舵體的數(shù)控加工編程方法，并運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行仿真，以規(guī)避加工風(fēng)險(xiǎn)，確保產(chǎn)品加工過(guò)程可控。

通過(guò)數(shù)控車間的實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，本文研究的大型空氣舵舵體的數(shù)控加工方法可以有效保證產(chǎn)品的尺寸精度、形位公差及加工一致性，實(shí)現(xiàn)了大型空氣舵舵體的高精加工，同時(shí)也為同類大型空氣舵舵體的加工提供了借鑒和指導(dǎo)作用。