大型空氣舵舵體數控加工工藝研究

楊 洋 張海洋 徐鶴洋 戰祥鑫 焉 嵩

(中國運載火箭技術研究院首都航天機械公司，北京100076)

空氣舵是火箭艙體尾段上控制方向的重點產品，負責彈體的俯仰和偏航導向，對打擊目標的準確性起著至關重要的作用(如圖1所示)。

空氣舵的舵體采用分體式結構，由左、右兩個半舵螺接而成，每個半舵采用硬鋁合金材料進行機加，舵體螺接在一起后，再與舵軸進行鉚接。由于舵體采用分體式螺接結構，這就對左右兩個半舵的加工提出了極高的要求，如果不能精確保證左、右兩個半舵的加工一致性和加工精度，就極容易導致螺接后舵體邊緣對接不齊或對接面存在安裝間隙等問題。此外，在兩個半舵螺接在一起后，還要將舵軸插入舵體的插接區并和舵體進行鉚接(如圖2所示)。因此舵體插接區處的公差尺寸要求極嚴，該尺寸一旦稍有偏差，就可能導致舵體與舵軸插接不上的情況。

因此，由于該空氣舵獨特的分體式結構、較大的幾何外形尺寸和極嚴的公差要求，成為筆者公司至今為止生產的舵類零件中加工難度最大的產品。如何實現該大型空氣舵分瓣舵體的高精數控加工，成為了筆者公司目前急需要解決的技術難題。

1 產品介紹

空氣舵的舵體采用分體式結構，由左右兩個半舵通過鈦合金螺釘螺接而成，每個半舵采用7050的鋁合金材料進行數控加工。半舵的外形尺寸為969.9 mm×656 mm，舵體外側舵面由3個斜平面構成，舵體內側設計有減重網格，網格壁厚為2.3 mm，中間由寬6 mm的筋作為骨架進行支撐。為了保證兩個半舵的準確螺接，半舵的形位公差要求較高，內側對接面的平面度要求小于0.1 mm。此外，空氣舵的舵體通過插接區與舵軸進行連接，為了保證后續裝配中舵軸與舵體的準確插接，該插接區域的尺寸精度要求極高，尤其是厚度尺寸公差，要求為2mm，產品的具體尺寸如圖3和圖4所示。

2 零件加工工藝性分析

(1)產品加工過程中易變形

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

(2)加工薄壁區域時易產生“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行支撐，剛性較弱。在加工過程中，除了筋條位置外，大面積的薄壁處全部為懸空狀態，沒有支撐，因此當加工薄壁區域時，在切削力的作用下，薄壁處就會由于剛度不足而產生嚴重的振顫。一旦發生振刀，將極大地影響產品的加工表面質量。

(3)產品裝夾定位困難

空氣舵舵體的舵面由3個斜平面構成，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域，壓板也會在斜面上產生竄動，導致無法完全壓穩工件。

(4)左右兩個半舵的加工一致性難以保證

空氣舵的舵體為分體式結構，需要單獨加工左右兩個半舵后，再將兩個半舵螺接在一起，因此就要求兩個半舵具有極高的加工一致性，否則就會出現邊緣對接不齊等問題。由于兩個半舵是分開加工的，每一個半舵在加工過程中的裝夾及對刀都存在一定的系統隨機誤差，因此難以保證分開加工的兩個半舵具有極高的加工一致性。

3 整體工藝方案設計

為了有效控制工件變形，在制定加工工藝流程時，采用劃分加工階段、合理分配加工余量、適當安排熱處理工序等工藝措施，提早釋放應力，減小工件變形。設計的總體工藝方案為將加工階段劃分為粗、精加工，先對舵體的內側網格和外側舵面進行粗銑，在粗銑時，預留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，安排消除應力的時效工序(溫度為140±5℃，時間為≥4 h，冷卻方式為空冷)，使大部分加工殘余應力得到釋放，為最終精加工控制變形做出保障。待時效完成后，再對舵體的內側網格和外側舵面及插接區進行精銑。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的“振刀”問題，在粗銑外側舵面時，需為后面的精銑內側網格工序預留支撐筋。由于舵體的外側舵面由3個斜平面組成，如果在粗銑外側舵面時不在四周預留支撐筋，則在后面精銑內側網格時，由于舵面已經粗銑出來，就會出現沒有水平面用以裝夾定位的問題。因此為了方便加工，粗銑正面的舵面時，在工件的四周需預留出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個支撐筋就能形成一個定位基準面，為后面的精銑工序作為定位基準。同時考慮到舵體面積過大，長、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，則在精銑網格下陷時，工件就會發生振顫，無法順利加工。因此在粗銑舵面時，還需要在中間預留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格時的輔助支撐，以有效地減輕加工中的工件振顫。

最后，為了精確保證兩個半舵的加工一致性，在產品精加工的最后一道工序“精銑舵面及插接區”，創新地采用一種整體加工方式，自行設計一種新型的大型立式裝夾工裝(如圖7所示)，將兩個半舵分別裝夾在該工裝的兩側，保證兩個半舵在一次裝夾下同時進行加工，這樣兩個半舵在加工時就具有同一個定位基準和加工坐標系，最終也就精確保證了兩個半舵的加工一致性和后續拼接時的拼接準確性。

4 工裝設計與裝夾方案

為了在最終的“精銑舵面及插接區”工序進行左右兩個半舵的整體式加工，工裝及舵體在工裝上的裝夾方案設計如下:

4.1 工裝設計

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度。因此工裝采用45＃鋼材料，工裝的兩側面為兩個半舵的安裝面，工裝的中間為中空結構，為了方便操作者從工裝內側擰入緊固螺釘。同時工裝的中間設有兩個加強腹板，以增加工裝的剛度和強度。為了方便起吊，在工裝側面的上端，設計有兩處吊裝孔。另外在工裝的下端還開有四處壓板槽用以安裝壓板，通過壓板將該工裝壓緊在機床的床面上，工裝的具體結構如圖7所示。

4.2 左右兩個半舵的裝夾定位方式

每個半舵在筋與筋的交匯處共有35個M6的螺紋孔。因此考慮利用該35-M6的螺紋孔進行工件的裝夾和定位。在精銑工件的外側舵面前，在工件上制出33個M6的螺紋孔(其中兩個孔預留不制，作為定位銷孔)，同時在工裝的兩個安裝面上的相應位置也制出相應的螺紋孔位。然后在33個M6的螺紋孔處，用螺栓從工裝的內側擰入工件，以此將兩個半舵分別固定在工裝的左右兩個安裝面上(如圖8所示)。同時為了準確定位工件，使左右兩個半舵基準統一，以保證兩個半舵的加工一致性，在工裝的兩個安裝面及工件上，將預留沒制的兩個螺紋孔位處制出?5 mm的定位銷孔，用以定位工件，兩個安裝面的定位銷孔需一次性制出，以保證兩個半舵的基準統一。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確定位工件。

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

5 UG編程設計及刀具、機床的選擇

5.1 粗銑內側網格和粗銑外側舵面

粗銑內側網格和外側舵面時，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別腔體的底面特征，并按照底面的斜度智能規劃每層的加工刀路，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，就會導致剛度不足，且刀路較密，加工起來較為費時。為了節省加工時間，獲得較高的加工效率，在粗銑內側網格和粗銑外側舵面時選用?20R2銑刀。

設計程序參數時，將每刀的切削深度設為“恒定”，距離為“3 mm”，因為是粗銑去量，可以考慮將刀具的平直百分比設的較大以提高加工效率，在此設為70%，生成的刀路如圖9和圖10所示。

粗銑內側網格和粗銑外側舵面都是采用定軸加工，因此選擇三軸數控銑床VMC850即可，在滿足加工需求的前提下，又可以有效地節約加工成本。

5.2 精銑內側網格

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

設計程序參數時，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。

精銑內側網格和粗銑內側網格工序相同，也為定刀軸加工，因此同樣選擇三軸數控銑床VMC850即可。

5.3 精銑舵體外形、外側舵面及插接區

舵體的舵面由3個傾角不同的斜平面組合而成，因此加工時需將刀軸旋轉一個與加工表面相垂直的角度進行加工，由于3個舵面的角度不盡相同，所以刀軸需要根據每個舵面的角度變換刀軸方向，因此采用UG中的“可變軸輪廓銑”模式進行加工。同時為了獲得更好的表面光潔度和更高的加工效率，采用?50 mm的盤銑刀進行加工。

設計程序參數時，“驅動方法”選擇“邊界”，“刀軸”選擇“垂直于部件”，“切削模式”選擇“往復”，“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。

因為精銑插接區下陷和精銑背面網格下陷時的加工模式相同，在此不再贅述。

在機床的選擇上，由于在精銑外側舵面及插接區時，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五軸加工中心進行加工。

6 虛擬仿真技術研究

為提高空氣舵舵體產品加工過程中的安全可靠性，利用VERICUT仿真軟件對精加工過程中的數控程序進行仿真驗證，對加工結果(即過切、殘留等問題)做出提前判斷，使仿真系統充分發揮其加工糾錯的作用，以確保實際加工時，數控加工程序的準確性和可靠性。

第一步導入機床、毛坯及設計模型。將已經創建好的DMU125p機床模型導入到項目樹的“機床”項目中，同理，將空氣舵舵體的設計模型和毛坯模型分別導入到項目樹的“設計”項目和“stock”項目中。

第二步進行坐標系設置。選擇項目樹的“坐標系統”項目，新建一個坐標系“CSYS1”，然后設置為“附坐標系到stock”，并將該坐標系的位置移動到與程序中的加工坐標系的位置相一致。

第三步進行G代碼設置(如圖14所示)。選擇項目樹的“G代碼偏置”項目，新建一個工作偏置。將“子系統名”設置為“1”，“寄存器”設置為“0”，“子寄存器”設置為1，并將“選則從/到定位”設置為“從組件B軸到坐標原點csys1”。

第四步建立刀具庫。選擇項目樹的“加工刀具”項目，創建刀具文件并命名為“TOOL”，在刀具文件中創建精加工使用的刀具如?50銑刀等。在創建刀具后選則“自動裝夾”和“自動對刀點”。

第五步導入數控程序。將在UG中已經后處理好的精加工程序導入到項目樹的“數控程序”項目。

第六步運行程序并對程序的正確性進行檢查。在主窗口右下角單擊play按鈕，開始執行程序，仿真過程如圖15所示。

等待程序執行完成后，將切削模型和設計模型進行比對。選擇菜單欄“分析”項目下的“自動比較”命令，選擇“比較類型”為“過切和殘留”，然后在“過切”項目下，將“過切檢查精度”設為“0.01”，并選擇“red”標明過切部位，將“殘留檢查精度”也設為“0.01”，并選擇“blue”標明殘留部位，然后選擇“比較”，比較后可以查找出是否存在“殘留”或“過切”，并定位出殘留和過切的具體部位，最后點擊“報告”，生成自動比較報告，如圖16和圖17所示。如果檢查出有過切或殘留部位，及時對該加工部位的程序進行修改，然后再次運行程序并進行自動比較，直到沒有過切或殘留為止，仿真過程結束。

7 結語

本文通過對大型空氣舵舵體的加工工藝性進行分析，設計了舵體的整體數控加工工藝方案，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半舵的一體式加工。同時本文還研究了大型空氣舵舵體的數控加工編程方法，并運用虛擬仿真技術進行仿真，以規避加工風險，確保產品加工過程可控。

通過數控車間的實際生產驗證，本文研究的大型空氣舵舵體的數控加工方法可以有效保證產品的尺寸精度、形位公差及加工一致性，實現了大型空氣舵舵體的高精加工，同時也為同類大型空氣舵舵體的加工提供了借鑒和指導作用。