復合材料發射箱箱體加工技術研究

龔菊賢 王鈺奉 王 蔚 連愛珍 胡偉春

(上海航天設備制造總廠有限公司,上海 200245)

文 摘 針對某型號武器復合材料發射箱箱體機加工過程中由于工件剛度差、易變形，導致的加工尺寸超差及質量缺陷(如毛刺、分層、崩邊)等問題，開展發射箱機械加工技術研究和工藝優化。實驗結果表明：通過合理設計發射箱裝夾定位方式，優化加工刀具及工藝參數，能夠實現對加工缺陷的有效控制，保證產品加工質量；通過對箱體不同工序、工步進行優化，統籌安排管理，將發射箱單件加工時間從100 h降到46 h，生產效率提高54%，大幅降低了生產成本。

0 引言

某型號貯運發射箱箱體為復合材料結構，具有提高導彈發射系統的裝填速度、縮短發射準備時間、改善導彈武器系統的應急反應能力等優點，在我國艦載導彈武器發射系統領域有著廣闊的應用前景。本文主要研究復合材料發射箱箱體機加工過程中由于工件剛度差、易變形，導致的加工尺寸超差及質量缺陷(如毛刺、分層、崩邊)等問題，開展發射箱機械加工技術研究和工藝優化。

1 箱體結構簡介

箱體組件結構為長方體中空結構，主要由本體、25根環筋肋骨和前后法蘭組成，其中本體由整體成型工藝制備，主要材料是玻璃纖維增強復合材料(俗

稱玻璃鋼)，內膽表面涂覆厚度約2～3 mm的玻璃纖維耐燒蝕層。環筋肋骨、前后法蘭分別通過膠接工藝與本體成型為一體。

箱體機械加工的主要內容為：三個機構艙窗口、三個機構艙平面、三個機構艙處螺紋底孔Φ12 mm、導軌座Φ140 mm圓孔(兩處)、導軌座十字孔、導軌座凹面、前后法蘭外輪廓(6處)、支撐框外輪廓(6處)、箱體側面充氣閥口(A向)、導軌座Φ6.3 mm孔及圓平面、箱體正面充氣閥口、箱體正面導管孔、機構艙窗口、機構艙平面、機構艙螺紋底孔Φ12 mm、導管孔、前后法蘭輪廓(各一處)、支撐框外輪廓(各一處)、后法蘭增厚區凹面、前后法蘭端面、后法蘭背面、后法蘭4個舵軌尺寸。具體如圖1所示。

圖1 發射箱箱體機械加工內容Fig.1 Machining content of launcher container

2 加工難點分析

2.1 裝夾及定位基準的確定

發射箱箱體采用手工鋪層/熱壓罐成型工藝制成，為典型的薄壁非等厚結構，本體基本尺寸為500 mm×500 mm×5 080 mm，最薄處厚度僅為8.4 mm，除前后法蘭為規則的方形結構，箱體中部外形為不規則弧面形狀。箱體機加工過程中的裝夾及定位基準選擇對加工質量有重要影響。

(1)箱體側壁為薄壁結構，同時箱體長度長達5 m，箱體結構剛性差，為避免箱體整體變形反彈，箱體本體(除前后法蘭處)表面不能搭壓板。加工過程中工件容易發生振動及位移，甚至發生變形，造成加工基準的缺失。

(2)不同批次的箱體之間，甚至同一箱體在翻身加工過程中，其尺寸結構的一致性均難以保證，因此需針對發射箱進行逐個，甚至逐面的加工基準的確定，基于此才能有效保證加工精度。

(3)由于發射箱壁厚的無規律性，對于實現加工余量的確定及控制，需將單一發射箱的特異性、加工參數的選擇及加工過程的實時檢測相統一，系統進行分析。

2.2 復合材料加工缺陷控制

發射箱箱體材料為玻璃纖維增強復合材料，基體為環氧樹脂，該復合材料的機加工有兩方面困難。

(1)由于復合材料獨特的各項異性和非均勻性，層間剪切強度低，導致其在機械加工過程中極易出現諸如撕裂、分層、毛刺、崩邊等缺陷[5-6]。

(2)復合材料屬于難加工材料，而玻璃纖維屬于硬脆性材料，且為熱絕緣體，熱導率小，僅為鋼料的1/175 ～1/450，其較高的耐磨性會造成刀具后刀面的迅速磨損，進而造成刀具的失效，切削區域產生很高的切削熱，加工時熱量不易傳出，樹脂軟化產生糊刀現象，且加工質量差，粉塵污染嚴重。

事實上，相當比例的加工缺陷均是由于刀具磨損造成的，因此需針對不同刀具材料進行復合材料切削性預研試驗，對象材料包括高速鋼(HSS)，硬質合金，涂層刀具(包括TiAlN涂層、TiN涂層、Al2O3涂層、金剛石涂層、DLC涂層等等)，陶瓷刀具，CBN/PCBN刀具，PCD刀具等等[1-2]。更為重要的一點在于需建立科學的刀具磨損檢測及記錄方案，實時監測刀具磨損過程。國內外對復合材料的加工技術研究大多集中于鉆削技術的研究，如歐洲的空客公司、美國的波音公司，國內的大連理工大學、北京航空航天大學、沈陽理工大學等對復合材料的加工機理和加工工藝進行了深刻的研究，對復合材料的刀具研制，加工試驗，有限元仿真等技術做了深層次的理論研究。

張秀麗等對高硅氧玻璃纖維復合材料進行了銑削加工試驗，考察了銑削參數和加工表面分層破壞之間的關系[3]。S.ARUL 選用碳化鎢(WC)硬質合金鉆頭、氮化鈦(TiN)涂層高速鋼鉆頭、高速鋼(HSS)鉆頭鉆削 GFRP 材料，研究了刀具材料對鉆削軸向力的影響[11]。J.RAMKUMAR等人采用了振動切削技術研究玻璃纖維夾層復合材料鉆削技術[11-12]。J.PAULO DAVIM等研究了主軸轉速和進給速度對復合材料加工[4]。

大連理工大學的高航教授針對某40Cr Ni Mo A/玻璃纖維增強塑料(GFRP)航空疊層復合材料構件連接孔的制孔質量差和加工效率低的問題,提出了超聲振動輔助螺旋銑削制孔新工藝[11]。

3 加工工藝優化

3.1 裝夾方式和加工基準的選擇

在設計加工裝夾方式時，需根據產品的結構和材料合理設置著力點及壓緊點，一方面要保證箱體加工時，不會產生振動及變形，另一方面減少箱體翻轉裝夾的次數。經驗證，裝夾位置處于較為規則的前后法蘭輪廓處，可以有效地避免切削加工過程中的振動。同時，為避免加工各窗口時，箱體產生振動和剛性不足的問題，在相應窗口的箱體底部用千斤頂支撐。具體裝夾方式如圖2所示。

圖2 箱體裝夾方式Fig.2 Clamping method of container

加工基準主要有人工劃制和機床劃制兩種方式。在箱體機加工前，設置“劃制加工基準”工序，傳統的人工劃制由鉗工在廠房內的平臺上進行，以導軌座作為箱體調平基準，確定水平中心線，同時檢查確認該中心線是在舵軌的中心處，以水平中心與舵軌中心的交點為測量基準點，對中劃分垂直中心線，然后將水平和垂直中心線引至箱體四周，作為機床加工前的校正基準，人工調平箱體難度大，時間長，上機床后，需重新調整中心，且與鉗工所劃的中心線存在較大誤差。改進的機床劃制方式直接由機床進行找正中心，提高劃線的準確性，并降低了人工操作的風險，縮短了生產周期。

3.2 加工刀具和切削參數的選擇

各向異性、非均質、層間強度低是纖維增強樹脂基復合材料的固有特性[3]，刀具在與纖維和樹脂交替作用下形成切削，去除過程極為復雜，同時，纖維與樹脂在性能上的巨大差異也使去除材料的宏/細觀形態演變極為復雜。根據加工情況，以加工質量(粗糙度、缺陷)、刀具耐磨性、加工材料去除率為考核指標，進行多規格孔系專用刀具性能的試驗研究。分別針對不同小孔徑，試驗研究硬質合金刀具、多刃微切削金剛石磨料制孔刀具和PCD制孔刀具的加工性能、刀具耐磨性試驗。經試驗，此種材料的加工特點是刀具磨損高，切削產生的熱量大。選用耐磨性好、切削效率高的金剛石涂層刀具作為主要切削刀具加工玻璃鋼，以此降低刀具損耗，提高加工質量。選用的刀具及加工區域如下表1所示。

表1 箱體加工刀具

切削參數的合理選擇，影響加工質量和加工效率。切削參數中，切削速度v對切削溫度的影響最高，進給量f次之，被吃刀量ap最小。切削速度越快，加工表面質量越好，但隨著切削速度的增加，切削溫度隨之上升，導致刀具磨損嚴重，換刀頻率增大。進給量越大，加工效率越高，但進給量太大，會導致加工表面質量下降。背吃刀量增大，切削效率提高，但隨著被吃刀量的增大，切削力明顯增大，工件振動明顯，加工表面質量下降。經過多次切削試驗，銑削時選用切削速度約為40 m/min，選用進給量約為0.4 mm/r，選用被吃刀量約為0.3 mm較為合適。

3.3 工藝方法的優化

3.3.1優化裝夾方式及加工順序

箱體加工采用濟南二機床集團有限公司生產的XK2425×60數控定梁龍門鏜銑床，其臺面尺寸為2.5 m×6 m，行程為6 m。改進前，機床上放置1只箱體，如圖3(a)所示。整個加工過程，箱體需要翻轉2次，角尺頭需要調換3次。箱體底部有三個窗口，每個窗口的加工需使用三種不同的刀具，按窗口的加工順序，共需換刀九次，單只箱體加工時間為80 h。

通過工藝優化，合理布置箱體在龍門銑床上的位置，可以同時放置2只箱體，如圖3(b)所示。2只箱體同時加工，同時翻轉，可以減少換刀次數和角尺頭調換次數。另外，為了減少換刀頻率，提高加工效率，將同一種刀具的加工內容合并，即按窗口相同加工內容的順序，換刀三次即可將三個窗口加工完畢，兩只箱體加工時間為90 h，約合單只箱體45 h。

圖3 箱體裝夾加工改進前后對比Fig.3 Clamping and machining mothod of two container

因此，2只箱體同時加工，合并相同的加工內容，減少換刀和換角尺頭頻次，使單只箱體總的加工周期縮短35 h。

3.3.2合理分配長度余量，減少舵軌端面加工

舵軌端面與法蘭端面有尺寸要求，改進前平均分配總長加工余量，因此每次都需加工舵軌端面，以保證舵軌端面與法蘭端面的距離，加工時間為8 h。為了降低加工周期，合理安排箱體兩端的加工余量，不實行平均分配總長加工余量。改進后舵軌端面不再加工，一端法蘭厚度也不需加工，節約加工時間8 h。

3.3.3工藝方法改進

在加工法蘭面兩側及R20 mm時，側面的加工余量與R20 mm圓角處的加工余量不同，加工到法蘭側面時，圓角處的余量較大，易使箱體產生振動和移動，影響產品質量。然而加工到圓角時卻未加工到法蘭面兩側，導致空行程較多，影響加工周期，單只箱體前后法蘭兩側加工共需時間12 h。改為先由鉗工手工打磨圓角至R25 mm，再上機床進行銑加工，僅需粗精加工就完成法蘭面兩側及圓角R20 mm，鉗工打磨和機加工共需時間1 h，既避免了質量隱患，又提高了加工效率，保證了產品質量。通過此改進節約加工時間11 h。

綜上所述，優化前單件總加工時間為100 h，優化后單件總加工時間為46 h，加工效率提高了54%。

4 結論

本文針對復合材料發射箱箱體特點，分析了機加工過程的難點，針對難點制定了合理的加工工藝，經過長時間的摸索，進行工藝優化，制訂了一套加工玻璃纖維復合材料箱體的刀具和加工參數，減少了分層、毛刺、孔口撕裂的缺陷，提高了加工質量，生產周期也由優化前的100 h降到了現在的46 h。加工效率提高了54%，顯著降低了加工成本。