小型折疊彈翼加工工藝研究

朱 航,郭志偉,孫建邦,李 博,陳 瑤

(西安現代控制技術研究所,陜西 西安 710065)

彈翼是導彈的重要結構件之一,用于產生導彈飛行和機動所需的升力和法向力。為減小導彈在裝箱時所占的空間,以便于其貯存和轉運,導彈的彈翼常設計為折疊式結構[1]。這種結構需保證在導彈飛出發射筒后,彈翼中的外翼能夠可靠且及時地展開,同時展開后的彈翼能達到較高的尺寸精度和形位精度,這對彈翼中各部件的加工精度提出了較高的要求。

某型彈翼為橫向折疊式彈翼,由翼根、外翼、轉軸、鎖緊塊,以及其他附件組成。貯存時,外翼繞轉軸收起,展開時,外翼在扭簧作用下繞轉軸彈開,到達指定位置后,鎖緊塊從翼根上的安裝槽中彈出,插入外翼上的鎖緊槽中鎖緊外翼,展開后的彈翼如圖1所示。

本文介紹了該型彈翼的翼根、外翼的工藝路線和加工過程,結果表明所設計的工藝路線和工藝參數在滿足產品精度要求的前提下,還具有較高的效率和合格率,現簡介如下。

1 彈翼工藝性分析

1.1 材料及結構

翼根和外翼的材料均為7A04-T6超硬鋁,屬Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金,其抗拉強度Rm≥490 MPa,延伸率A≥7%。材料具有比強度高、韌性較高等優點,切削性能良好[2]。

翼根和外翼均為梯形漸收薄板結構,其中翼根的底部厚度為10 mm,翼尖最薄處厚度僅有1 mm,外翼的翼面部分最厚為5.7 mm,翼尖最薄處厚度僅有1.6 mm,彈翼的結構強度較弱。由于外翼和翼根均設置有翼軸孔,孔的外壁直徑為10 mm,同時考慮到設置工藝臺的需要,故兩種翼片在加工時均選用厚度為14 mm的鋁板作為毛坯,此時翼根和外翼的材料去除率分別為60%和83%,切削引起的殘余應力較大,使得彈翼在加工過程中極易發生扭曲、變形,導致尺寸超差[3]。

1.2 轉軸孔加工

2 工藝路線

初步的工藝摸索后發現,在缺乏專業深孔加工機床和刀具的情況下,試加工的深孔均有所偏斜,但95%以上的孔在250 mm范圍內的直線度誤差<0.3 mm。基于此,對翼根和外翼制定了先粗銑,再鉆轉軸孔,最后以轉軸孔作基準精銑外形的總體工藝路線(見圖2)。

圖2 彈翼總體工藝路線

3 工藝難點分析

3.1 翼根

3.1.1 粗銑

粗銑翼根時,使用壓板壓緊工件上下邊所留的兩處長條工藝臺,翻面粗銑外形,各處留余量0.5 mm(見圖3)。粗銑后在自由狀態下放平工件,沿翼根長度方向用百分表測量工件直線度,發現工藝臺的平面度偏差已超過0.2 mm,即工件在粗銑后已產生扭曲變形。為了保證后續加工轉軸孔時工件的定位一致性,需修整工藝臺,將其上下兩面及側面的平面度、平行度和垂直度等形位誤差控制在0.05 mm以內。

圖3 翼根粗銑及鉆孔

修整工藝臺基準時,采用壓板壓或虎鉗夾的方式裝夾工件均會改變工件的變形狀態,在夾持狀態下修平工藝臺后卸下工件,工件即再次產生扭曲,修整基準效果不甚理想。為了消除夾持帶來的影響,嘗試采用膠粘法裝夾工件,使用502粘結劑將自由狀態的工件粘接在工作臺上[5],用立銑刀修整工藝臺后,將工件輕敲離工作臺面,再將工件翻面,用同樣的方法修整另一側工藝臺。采用膠粘法裝夾工件修整工藝臺基準可以取得良好的效果。

3.1.2 加工轉軸孔

深孔加工的常用手段有鉆→擴加工工藝、鉆→擴→鉸加工工藝、槍鉆加工工藝、BTA鉆加工工藝、電火花加工工藝等。考慮到轉軸孔的深度、精度和形位要求,以及西安現代控制技術研究所缺乏專業深孔加工機床和鉆頭,且任務節點要求緊迫的現狀,決定采用常規的先鉆后擴工藝對轉軸孔進行加工。能否控制轉軸孔的偏斜誤差在工藝要求的范圍內,決定了轉軸孔加工的成敗[6-7],為了盡量減小孔的直線度偏差,應采取如下兩個措施:1)在鉆深孔前應先在孔口處加工引孔,一方面在鉆深孔前段時引導長鉆頭沿準確的方向進給,另一方面可以降低長鉆頭剛開始鉆削時的切削量,使切削力小而平穩,進而提高深孔的直線度;2)由于鉆深孔時鉆頭較長,鉆頭的剛性差且易振動,啄鉆時每次退刀應注意鉆頭不可完全退出孔口,需留部分鉆桿在孔內,使鉆頭以其柄部和頭部作兩點支承,以免再次進刀時鉆頭尖部跳動而鉆傷孔口,使得口部直徑過大,鉆頭缺乏支承,而最終導致轉軸孔偏斜。

為滿足轉軸孔直線度及孔徑精度要求,制定了先預鉆再擴孔、由淺及深的加工策略。加工時,以工藝臺定位,先精銑孔口端面,后點出中心孔,再鉆引孔,隨后分多次鉆孔和擴孔操作將孔逐步加工到尺寸,具體的工步設置和工藝參數見表1[8]。最終加工的轉軸孔全部滿足工藝要求的直線度和尺寸公差。

表1 鉆轉軸孔各工步設置及參數

3.1.3 精銑

精銑外形時應以轉軸孔的中心線作為基準,但由于轉軸孔深徑比大,在實際加工時很難在機床上直接找正該基準,故應先將轉軸孔軸線基準“復印”到工藝臺上,便于在機床上找正工件。本文采用的“復印”方法是先制作一個基準軸,令其以微小的間隙配合插入轉軸孔中,再以該基準軸作基準,精銑工藝臺各面。

考慮到使用普通三軸或四軸加工中心均難以根據基準軸來修整圖3中所示的工藝臺Y方向上的基準,故將“復印”基準工序調至帶有工作臺旋轉功能的三十二軸加工中心上,具體操作步驟如下:1)將翼根立起裝夾,粗銑出頂部的兩處凹槽;2)將基準軸插入轉軸孔中;3)放平翼根,將兩處凹槽中露出來的基準軸靠緊工作臺上固定的兩處定位鍵,沿Z方向找正基準軸,用壓板壓緊翼根;4)繞Z軸旋轉工作臺,沿Y方向找正基準軸;5)銑工藝臺中Z-、Z+兩個方向上的兩個平面,及Y方向上的一側平面;6)翻面,放平工件,銑工藝臺Y方向上的另一側平面。獲得工藝臺精基準后,即可依次翻面精銑翼根上下左右4個方向上的外形及各處特征,最后進行表面處理,完成加工。

3.2 外翼

翼根底部厚10 mm,頂部厚5.7 mm,翼面平均厚度為7.8 mm,結構強度較高,且粗銑后經過長時間的自然時效,粗加工產生的應力基本消除,精加工過程中翼片受切削殘余應力引起的變形量基本可以忽略。外翼則不同,其根部厚5.7 mm,頂部厚2 mm,平均厚度為3.9 mm,加工過程中單側切削去除量較翼根增加約70%,受切削殘余應力增加和翼片本身結構強度降低兩方面因素影響,切削后產生的變形無法忽略[9-10]。試加工結果顯示,采用常規的多次翻面逐層加工得到的外翼,翼面的平面度偏差可達1～2 mm,應力變化引起的變形對外翼的加工帶來了很大挑戰。

3.2.1 粗銑及鉆孔

粗銑外翼時,其側面輪廓留1 mm余量,對稱銑厚度至13 mm(見圖4),此時工件基本無變形。鉆孔時,以工件輪廓定位,壓板壓緊工件,參考翼根中轉軸孔的加工策略及切削參數,完成外翼轉軸孔的加工。

圖4 外翼粗銑及鉆孔

3.2.2 精銑

試加工時發現,采用傳統的多次翻面逐層加工策略時,所加工的外翼變形嚴重,無法滿足設計要求。本文在分析外翼結構特征后,提出立式裝夾逐層仿形加工的切削策略,該策略有如下2個優勢:1)工件精銑前的厚度達12 mm,剛性較好,且外翼翼型為上窄下寬的梯形,切削時刀具僅有刀尖部分與工件接觸,工件—刀具系統振動小,加工表面的表面粗糙度優良;2)逐層仿形銑削時每層切深僅為0.1 mm,切寬從最頂部的5 mm逐漸減小至底部的3.65 mm,切削力小,進而工件內部因切削產生的應力變化較小,使得工件的變形較小。經試加工驗證,采用立式裝夾逐層仿形加工策略加工的外翼,翼面沿其長度方向的直線度偏差<0.03 mm,滿足設計要求。

圍繞制定的翼型加工策略,設計外翼精銑工步如下。

1)以轉軸孔作為基準,銑出基準面。具體操作方法與翼根類似,先銑出底部凸臺,將定制的基準軸插入翼軸孔中,以露出來的基準軸作定位,分兩次裝夾,在三十二軸加工中心上銑出翼面兩側及頂部的工藝臺基準面(見圖5a)。

a) 銑出基準面

b) 銑外翼底部特征圖5 外翼精銑工步1和工步2

2)獲得工藝臺基準后,翻面以虎鉗夾持工藝臺,精銑底部兩處凸臺上的斜面及凹槽、翼面底部圓弧槽等特征,同時銑兩處凸臺側面作后續加工的基準面(見圖5b)。

3)再次翻面,以虎鉗加持底部凸臺,用逐層仿形切削策略精銑翼面外形(見圖6a)。

a) 仿形銑翼面

b) 銑凸臺兩側外形圖6 外翼精銑工步3和工步4

4)放平工件,使用專用工裝以外翼斜面定位,壓緊工件后精銑底部凸臺兩側外形(見圖6b)。

精銑后對產品進行表面處理,完成加工。

4 工藝驗證

經過一輪工藝摸索后,最終形成的折疊彈翼翼根和外翼的工藝流程見表2。

表2 翼根和外翼的工藝流程

依照上述工藝流程完成本批折疊彈翼的加工(見圖7)。

a) 翼根

b) 外翼圖7 翼根和外翼成品

使用量具對翼根和外翼上的轉軸孔進行測量,結果顯示其尺寸精度和直線度均達到圖樣要求,且轉軸孔相對于兩側翼面的對稱度<0.03 mm,遠優于以往加工此類產品時精銑后再鉆孔所能達到的約0.1 mm的對稱度。

使用三坐標測量儀對加工的外翼進行檢測,結果顯示其平面度偏差均<0.05 mm,較試加工外翼時采用多次翻面逐層加工方法所得的1～2 mm的平面度偏差有了較大提升,可以認為外翼基本無變形。折疊彈翼裝配后,在三坐標測量儀上檢測翼根和外翼形成的平面(見圖8),結果顯示其整體平面度偏差<0.1 mm,較以往加工的此類產品有較大提升。

圖8 檢驗折疊彈翼平面度

5 結語

此型折疊彈翼尺寸及形位精度要求較高,本文對此類彈翼提出合理的工藝路線,并針對翼片易變形及深孔難加工兩大工藝難點,提出了較好的解決方案,有效指導了生產。此外,也為翼片類產品的加工提供了一種思路,供工藝人員借鑒。