一種薄壁桁條類零件隨形加工技術研究

樊艷權，王楊，李泊，王元軍，李金龍

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

1 項目介紹

內緣條是火箭殼段主要的組成零件，連接不同的火箭貯箱，起承上啟下的作用，該產品原材料長度10 m，薄壁T形結構壁厚僅2 mm（如圖1）。航天產品殼段中部件內緣條是屬于長桁鈑金類零件。由于鈑金材料在成型中產品尺寸誤差較大[4]，隨之鈑金件在數控機械加工中裝夾過程是一大難題。以內緣條產品為例，在裝夾中以內緣條的底平面為加工基準，底平面的形位基準直接影響產品尺寸精度。內緣條立邊尺寸一致性要求保證（15±0.1）mm。受鈑金薄壁結構件精度影響，給數控整體加工帶來較大困難。

圖1 內緣條產品結構圖

2 內緣條銑削過程問題分析

2.1 原裝夾方案

1）采用現有的壓板拼壓方案加工（如圖2），為保證產品的平整度，需要采用多套壓板夾具拼裝，但數量有限，因長度較長，所以采用分段式加工法，運用60套壓板不斷交替倒換，在加工過程中由于壓板的松放，導致產局部應力的釋放，最終造成產品加工變形。現有加工方法難以滿足公差要求，效率較低，影響交付周期。

圖2 多壓板組合裝夾方式

2）產品屬于薄壁長桁產品，長度超過10 m，剛度不足、易變形，分段裝夾采用壓板替換裝夾方式，產品在精密裝配中多余物難以控制，加工中產生廢屑，壓板多次重復裝夾造成的墊屑壓傷，基準改變等問題。

2.2 改進裝夾方案

1）改善方案后采用4套300 mm精密平鉗口裝夾加工，平行安裝在機床一側（如圖3），使用百分表拉直找正，保證直線度在0.1 mm以內；應用自制型面壓條結合精密平口鉗裝夾產品，保證產品與型面伸出余量滿足加工要求。在加工過程中采用分段式加工方法，優點為：不需裝夾60套壓板，有效減少操作人員勞動強度；對機床工作臺面依賴性較小；裝夾操作簡便。

圖3 采用虎鉗裝夾方式

缺點為：裝夾產品后，由于精密平口鉗之間存在較大空隙，裝夾過程不能有效解決貼合縫隙問題；測量空間受限，不能實現產品加工中的在線測量等問題。質量穩定性差一檢合格率僅為75.6%（如圖4）。

圖4 2019 年內緣條一檢合格率柱狀圖

3）內緣條屬于低價值產品，占用大型設備加工，設備原有價值未能充分發揮，造成大型設備資源的浪費。通過改進還需要依賴機床完成立邊銑削加工，加工工時未能大幅縮短。

3 隨形工裝夾具設計方案

經過前期的調研發現，原有的加工方案受設備的限制。針對桁條類零件快速隨形加工的需求，設計并開發了一套以工裝為定點、內部軸承為滾動摩擦的可靠工裝，以解決桁條類零件加工中的瓶頸問題[2]。

現有加工工藝方法，導致加工效率低。前期大量的試驗加工中，制約產品加工效率。現有的工藝方法是以工裝夾具和產品為定點、刀具相對工裝移動的方式實現產品連續銑削。新型工裝設計的思路，改為以工裝刀具為定點、產品單獨移動的方式。通過設計專用產品組合夾具（如圖5），實現產品基準的統一，在后期隨形加工中得以運用。對內緣條的立邊高度銑削，應用專用組合夾具，保證了工裝內部的工件總高，保證了產品質量。通過工裝能有效減少重復裝夾、粗加工、半精加工、測量等多道工藝步驟時間，降低操作人員勞動強度，提高了效率[3]。

圖5 工裝設計圖

4 組合夾具設計難點

根據內緣條產品特點，設計過程中考慮以刀具為固定軸、工件運動的方式實現產品銑削過程：1）要保證產品在運動過程中不能出現磕傷、劃傷等問題；2）使用過程運動順暢，保證切削過程平穩可靠；3）減輕操作人員勞動強度；4）為了不受設備行程制約，可在不同設備進行銑切加工；5）提高加工效率，以縮短加工周期、降低成本。

5 方案驗證

解決方案：對產品接觸工裝的部位進行圓角設計，其余棱角進行R角銼修處理，確保內緣條通過夾具間隙。通過對30件內緣條進行銑削試驗，改變工裝兩輔助支撐的距離實現工裝與產品貼合間隙的變化，在內緣條高度余量區銑削，測量高度與理論值的誤差，確定產品是否合格，具體試驗數據如表1所示。

表1 貼合間隙與產品個數數據匯總

γ＞γα=γ0.05=0.361，因此貼合間隙與超差品個數為強正相關。

圖6說明，超差品個數隨著貼合間隙減小而減少，但是當工裝與內緣條貼合間隙趨近于0時，會給產品嵌入工裝帶來較大操作難度[1]。因此，綜合考慮操作難易程度與內緣條產品一檢合格率，將工裝與內緣條貼合間隙定為0.1 mm（如圖7）。

圖6 工裝產品貼合間隙與超差產品個數的關系散布圖

圖7 組合夾具間隙測量

6 應用效果

為驗證本文中桁條類零件基于隨形加工設計研發的工裝的可靠性和實用性效果，2020年8、9月繼續進行內緣條加工，共生產3批300件內緣條，一檢合格率高達98%（如表2），成功驗證了新型工裝在桁條類零件加工應用的可靠性。如表3所示，對6件不合格品的超差情況進行分析，超差現象為粗糙度超差和表面劃傷，說明癥結問題已經解決。

表2 一檢合格率統計表

表3 不合格產品超差現象分析表

該加工方法采用組合夾具以刀具為定點，產品單獨移動的方式（如圖8）。組合夾具具有限制5個自由度功能特點，以產品移動自由度做切削運動方向進給。采用內部軸承壓制方式實現產品與工裝剛性浮動加工。由于定位精準度的提高，產品的加工精度隨之提高，可控制在0.1 mm之內。通常，鈑金材料在成型中產品尺寸誤差較大，數控定位加工基準不重合，加工尺寸狀態不穩定。運用此組合夾具在產品長度為10 m的狀態下，立邊尺寸均勻且無超差問題出現。

圖8 產品加工方式

在生產模式方面，原加工方案為單件生產模式，每件產品的每1.2 m范圍裝夾一次，每次裝夾需2次切削才能滿足要求。使用該加工方法后，切削參數設定后只需1次切削就能滿足要求，且下一件產品可直接加工，無需試切，減少了中途粗、精銑加工和輔助測量的時間，實現了產品“流水線”生產方式作業[5]。在批量生產中，產品的尺寸精度一致性得到了可靠保證，一檢合格率得到了全面提升（如圖9）。

圖9 內緣條用組合夾具加工效果

7 結論

該項組合夾具設計以產品外輪廓作為仿形導向，由仿形機構、滾動機構、支撐機構組成。在滿足使用的前提下，將工裝寬度設計成60 mm，內置滾動軸承以保證工件順利通過仿形工裝，銑削時仿形機構、滾動機構等限制工件的5個自由度以滿足銑削加工。把銑刀作為固定點，工件依次通過工裝，實現工件的連續加工。用鑲嵌的方式將兩個軸承安裝在工裝底板內，并且高于底板上表面0.5 mm，夾具既能起到剛性支撐又能實現滾動摩擦，保證產品在切削過程中穩定可靠；通過將組合夾具內部安裝6組軸承，實現產品跟隨組合夾具運動，保證產品總高恒定輸出，不受產品變形的影響。銑削固定點設置在工裝的中間位置，工件通過固定銑削點離開工裝時的最大距離為30 mm，可以實現每30 mm一個測量點對已加工面進行測量，且測量點密度是要求值的6倍，操作人員的勞動強度大幅度降低，加工時間由8 h縮短至12 min，效率提升近40倍，大大降低生產成本，解決了大型航天長桁類產品的加工瓶頸，為型號任務的研制節約了寶貴的時間。

通過應用該加工方法和使用內緣條組合夾具，解決了設備的使用限制。可適用于中、小型加工設備完成10 m級鈑金長桁類機械加工應用。該加工方法已形成了內緣條快速加工流程，此工裝在后期加工中多次用到，該方法在目前航天對接桁的仿形打磨過程中得到應用，未來航天產品大批量任務不斷增加，單件的生產方式已無法滿足未來發展的需求。隨形技術、柔性加工是提高效率、實現自動化、智能化的最好解決途徑。