一種錐形筒斜孔加工設備研制

任高林，張學偉，張 振，馮 石，徐一慧，高越琪，宋安達

（中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074）

風洞是飛行器研制的主要地面試驗設備，按氣流速度可分為低速風洞、亞聲速風洞、跨聲速風洞、超聲速風洞及高超聲速風洞[1]。許多風洞尤其跨聲速風洞，需要在試驗段壁板結構件上按照氣動規律加工大量孔徑、角度、表面粗糙度一致的斜孔，以便有效消除激波，加速氣流擴張[2]。

試車臺等氣動地面模擬設備是導彈發動機裝機前不可或缺的一環，其中尾室端裝備在發動機后面，用來導流發動機燃燒后的高溫燃氣，它根據發動機大小，不僅需要錐段結構，而且需在氣流方向上打若干跟氣流方向一致的斜孔，用來噴水降溫，防止回流。

由此可見，航空航天領域中存在著大量錐段鉆斜孔的工作。由于航天器件尺寸較大、造型不規則、厚度較大、孔加工要求復雜等特點，現有的數控因結構限制，無法全部滿足航天專用件的斜孔加工[3]。但在實際生產過程中，孔加工的質量對航天器件的安全性能和使用性能有著重要影響。針對此種情況，研制了一種專用斜孔加工設備，對錐形筒件，尤其是厚度高的錐形筒件，在孔加工效率和加工精度方面的提高，具有重要意義。

1 斜孔加工的分類及主要方法

機械加工中，斜孔加工可以歸納為3類，即在平面上鉆斜孔、在斜面上鉆孔、在曲面上鉆孔[4]。而錐形筒高精度斜孔加工是其中最難的。斜孔，顧名思義，是指孔的中心線與工件表面不垂直的孔，加工中心線與工件上某1個或幾個平面成一定角度關系（90°除外）的斜孔[5]。如圖1所示。

圖1 直孔與斜孔

錐形筒高精度斜孔加工可以分為下面3種情況。

（1）在平板上直接打斜孔，然后經過卷板機卷板，制成符合要求的錐形筒件。優點是工藝簡單、快捷方面，缺點是斜孔的尺寸公差較大，容易出現幾何精度缺陷，尺寸精度不合格、圓度超差。尤其針對一些厚度較大的錐形筒件，明顯不適用，現在市面上的卷板機大多只能卷厚度在35 mm以下的鋼板，一旦超過35 mm，需要專門找相應超大卷板機，價格十分昂貴。

（2）張厚江等人[6]設計了專門的高速鉆削試驗臺。高速電動軸通過變頻器控制，可實現無級變速，最高轉速可達到24 000 r/min，鉆孔過程中基本沒有掉轉現象。但由于鉆頭轉速過快，導致鉆頭跟工作面接觸瞬間，會產生很大的切削力，造成兩切削刃出現偏移，致使鉆頭傾斜、滑移。高速鉆削容易導致孔口刮爛，破壞孔端面平整。速度過快容易使刀具崩刃，嚴重時甚至斷刀在工件內部。

（3）數控鏜削。可以選用JOMAX265高精度龍門移動式鏜削加工中心，銑頭選擇萬能搖擺銑頭。這對機床要求很高，需要機床自身攜帶自動角度旋轉主軸頭，設備投入很大[7]。數控鏜削如圖2所示。

圖2 鏜銑加工中心加工

除了以上常規斜孔加工方法外，還有高壓水射流切割、電火花加工、超聲加工以及激光加工等[8]。但是這些方式往往局限于設備高價值投入，對機床配置要求同樣頗高。

2 系統結構組成介紹

本次設計和研制的錐形筒斜孔加工設備，包括床身底座、旋轉機構、調節機構、液壓控制機構、夾緊機構、牛眼軸承。錐形筒斜孔加工設備的結構組成如圖3所示。

圖3 錐形筒斜孔加工設備的結構組成圖

2.1 床身底座

床身底座是整個設備的主要承重主體，它不僅是加工單元的載體，同時承受著整個機床切削力的間接作用[9]。本次床身底座采用空心方管100x100-8和10#槽鋼焊接而成。在保證動、靜剛度的前提下，形狀簡單，增加了其美觀性。無論是空心方管還是槽鋼，市面上材料采購容易，價格低廉。由于鋼的彈性模量較高，相較同尺寸鑄鐵而言，壁厚較小，重量大大減輕，而且相比鑄件需要制造模具、造型等，可以直接采買從而縮短了加工周期。

機床底座對工件的定位精度和相對位置精度同樣有重要影響，因此在機床底座四角設置了4個高度可調的地腳杯，它可以通過調節螺母保證機床底座水平。機床底座不僅要抵抗受迫振動和自激振動，還要承受重力、切削力和慣性力的相互作用，因此它的設計不能馬虎，對整個設備的使用壽命也有一定影響。本成果這種結構形式使用材料少、造價低、結構緊湊、穩定性好、剛度高且抗震性好。

2.2 旋轉機構

旋轉機構包括定軸、動軸、角接觸球軸承和擋圈組成，旋轉機構的結構組成如圖4所示。

圖4 旋轉機構的結構組成圖

定軸是一根帶有軸肩的光軸，它的一端直接焊死在機床底座的一根橫梁之上，定軸上裝有一對角接觸球軸承，角接觸球軸承依靠定軸和動軸的軸肩以及軸承擋圈來固定，采用過盈配合，牢固可靠。選用軸承擋圈可以方便裝配和拆卸。不同于一般的深溝球軸承，角接觸球軸承因為成對出現，其內外圈的滾道可在水平軸線上有相對位移，因此可以同時承受徑向和軸向載荷。角接觸球軸承摩擦力矩比較小，成對布置可以提高軸的剛性，減少回轉阻力。動軸在幾何中心部位均布4根短軸，短軸一端帶有部分連接螺紋。

2.3 調節機構

調節機構由兩部分構成，分別是連接桿和鍍銅堵頭。連接桿是一根兩端均有內螺紋的光桿。它的一端與旋轉機構的短軸相連，一端與堵頭相連。連接桿可以根據目標體的直徑大小，適當調節長度，完成整個設備一機多用，可以適應多種尺寸錐段筒件。鍍銅堵頭主體材質是Q235，表面采用電鍍技術，鍍一層6 mm厚的紫銅T1。紫銅質軟，延展性好，它可以直接頂死錐段筒件，保護目標體外表面不受破壞。鍍銅堵頭專門設計了兩面削平形式，目的是為了固定目標體時，方便使用扳手，增加預緊力矩，如圖5所示。

圖5 鍍銅堵頭示意圖

2.4 液壓控制機構

液壓控制機構采用單片機可編程序控制器作為核心，并以觸摸屏為人機交互界面，操作界面十分友好。可以根據需求直接輸入角度參數，液壓控制機構通過單片機控制，可以使機床底座的動支架上升到指定角度。運用仿形法理念，使機床底座內側傾斜角與錐形筒件傾斜角度一致，這樣就可以直接豎直給刀，防止刀具傾斜進刀帶來的易崩刃、易偏移等缺陷。

液壓控制機構硬件原理如圖6所示。

圖6 控制原理框圖

單片機可以采用功能強大的8位單片機，它可以通過時鐘電路來計算試驗頻率，并且通過簡單的通用IO口的開關量輸入輸出控制伺服電機驅動器，檢測報警輸入信號，并在特定條件下驅動蜂鳴器聲光報警。控制部分實物如圖7、圖8所示。

圖7 控制部分實物內部圖

圖8 控制部分實物外觀圖

液壓控制系統可以實現機械功能的輕巧化，動作可靠，操作性能好，具有適度柔性；容易進行無級變速，且控制性能好，能讓機床底座內側傾斜角以很高的響應速度正確地進行控制，角度可以精確到幾度幾分，保障了錐形筒件斜孔的幾何形位公差。

2.5 夾緊機構

錐形筒件形狀不規則且尺寸較大，裝夾固定比較困難，針對這個問題，結合加工條件，專門設計了一種“蟹形”夾緊機構。它由2個U形塊、1個連接桿和4個頂絲固定螺栓組成。該蟹形夾緊機構結構簡單、移動性能好、適應性廣，對稱布置，外表美觀大方，工藝觀賞性高，如圖9所示。

圖9 “蟹形”夾緊機構工作圖

2.6 牛眼軸承

牛眼軸承又名萬向球，滾動靈活，可使錐形筒件在其上靈活滑移。本成果設置了4個牛眼軸承，分布在機床底座的軸承滑道里，點焊固定。牛眼軸承轉動靈活，耐用方便，可以減少摩擦力，讓錐形筒件在加工過程中容易轉動的同時，還可以降低因摩擦力而產生的零件損耗，保護了錐形筒件表面。

3 理論計算

本錐形斜孔加工設備的結構力學仿真，運用的是ANSYS 15.0 Workbench仿真軟件，它采用的分析方法是彈性力學里的平衡方程、幾何方程和物理方程，計算及分析方程如下。

3.1 平衡方程

彈性體V域內任一點沿坐標軸x、y、z方向的平衡方程為：

平衡方程的矩陣形式為：

其中，A是微分算子，即：

3.2 幾何方程——應變-位移關系

在微小位移和微小變形的情況下，略去位移導數的高次冪，則應變向量和位移向量間的幾何關系為：

3.3 物理方程——應力-應變關系

彈性力學中應力-應變之間的轉換關系也稱彈性關系，對于各項同性材料，應力可表示為：

D稱為彈性矩陣，它完全取決于彈性體材料的彈性模量E和泊松比v[10]。

表征彈性體的彈性，也可以采用拉梅（Lame）常數G和λ，它們和E，v的關系如下[11-12]：

物理方程中的彈性矩陣D亦可表示為：

4 錐形斜孔加工設備有限元分析

4.1 錐形斜孔加工設備幾何模型

錐形斜孔加工設備采用主流三維繪制軟件UG進行數模建立，轉化成x-t格式后導入有限元分析軟件ANSYS Workbench中。正式分析前需要對數模進行一定的簡化和修復，如去除倒角、裝飾螺紋等，以便軟件能快速準確分析出仿真結果，如圖10所示。

圖10 錐形斜孔加工設備幾何模型圖

4.2 網格劃分

錐形斜孔加工設備是一個組合件，而且許多是形狀不規則的曲面型設計，因此選用常規的四面體平滑網格，來進行離散處理。錐形斜孔加工設備整體采用靜止參考系來進行高效處理和計算，生成了88 373個節點和25 189個單元。網格劃分結束后添加材料屬性并施加約束等邊界條件，本次材料主體選擇Q235材質。網格劃分結果如圖11所示。

圖11 網格劃分

4.3 錐形斜孔加工設備有限元分析

對錐形斜孔加工設備有限元仿真模擬通過商用軟件ANSYS 15.0 Workbench實現，求解時采用隱式求解算法。通過對有限元仿真計算結果分析發現如圖12、圖13所示，整個錐形斜孔加工設備結構里，受應力最大且最薄弱的地方是中間橫梁和豎板的連接部位，最容易發生形變的位置是鍍銅堵頭處。

圖12 對心調節機構應力強度云圖

圖13 對心調節機構總變形云圖

經有限元分析，對錐形斜孔加工設備局部進行材質升級和優化處理。錐形斜孔加工設備整體采用碳鋼Q235，橫梁則采用45#鋼，用來提高橫梁的最大屈服強度，提高錐形斜孔加工設備的整體安全使用性。除材質升級外，此連接處的焊縫采用滿焊+100%射線檢測。Q235和45#鋼的材料屬性見表1。

表1 材料屬性

另一方面，對易變形部分的優化升級措施是，改變和優化錐形斜孔加工設備的裝配工藝流程。在錐形斜孔加工設備的夾緊機構工作時，盡量用蟹形夾緊機構的“一鉗”夾在錐形筒件下半身，靠近鍍銅堵頭與錐形筒件接觸部位，增加此處的整體剛度，減少此處的應變。

5 安裝與調節流程

本次設計和研制的錐形筒斜孔加工設備是一種專門針對錐形筒件上加工高精度斜孔的設備，它本身具有調節和固定功能，類似一種特殊角度夾具，可以通過控制系統設置，讓錐形筒件呈所需角度固定在上面。它讓斜孔的加工軸線和機床主軸軸線在豎直方向重合，提升了普通機床的局限性。

工作流程為：利用液壓控制機構，通過單片機控制，在設置屏幕上設置傾斜角度（精確到幾度幾分）。床身底座在液壓元件的幫助下，緩慢增加傾斜角度，提升至指定位置。

根據目標體——錐形筒件的直徑大小，選取相應長度的連接桿和鍍銅堵頭，通過連接桿兩端內螺紋，將兩者與旋轉機構連成一體。將4個牛眼軸承通過軸承滑道到達指定位置，然后點焊固定。

將目標體——錐形筒件通過調節機構固定在床身底座上，并用六角扳手或者活扳手，作用鍍銅堵頭使其直接頂死在錐形筒件內部。然后用蟹形夾緊裝置固定目標體，并利用水平儀等工具，通過床身底座4個活動地腳杯，使床身底座水平放置，保證了錐形筒件斜孔的位置精度。

待第一個斜孔加工完成后，可以借助牛眼軸承和旋轉機構進行下一個斜孔加工。

6 結論

從實踐效果來看，本設備成功實現了錐形尾室500個Φ10 mm斜孔的加工，斜孔合格率100%，達到了先進國標標準。錐Φ形筒斜孔加工設備完美實現了斜孔加工過程中，孔中心軸線與機床主軸軸線在豎直方向上的重合，這樣一來，提高了普通機床加工錐形筒件斜孔的局限性，具有現實指導意義。本次錐形筒斜孔加工設備造價成本低廉，避免了高價值機床的價格投入，方便操作易上手，真正實現了一機多用的效果。而且豎直進刀平穩，保障了錐形筒件在加工斜孔過程中孔的位置精度和尺寸公差，保證了孔加工端面的平整性。