毫米波多孔薄板零件的加工工藝

□ 周新山 □ 楊國祥 □ 鐘 茅

中國航空工業集團公司雷華電子技術研究所 江蘇無錫 214063

1 零件加工特征分析

平板天線具有輻射效率高、波束指向穩定、功率容量大、低副瓣性能等電氣性能,同時其有較好的剛度和強度、結構緊湊、厚度薄、質量輕、可靠性高等結構性能。毫米波平板天線體積小,質量輕,抗干擾能力強,安裝條件好,毫米波雷達制導精度高,反隱身,得到廣泛使用。

毫米波多孔薄板件數控銑削特點有三方面。一是裝夾困難,使用壓板裝夾等常規方式或虎鉗等常規通用工裝裝夾易變形,切削過程產生的拉力及薄板的彈性退讓使零件易產生軸向振動,切削穩定性較差。二是結構上尺寸小,尺寸精度及形位公差要求高,屬高精度復雜微細銑削加工。三是多孔特征的存在增加了其飛邊和毛刺等多余物的去除難度。

通過以上分析,制定合理裝夾方式是保證零件尺寸精度與位置精度的重要因素。同時合理優化工藝路線與切削參數,也能在一定程度上降低零件應力釋放和彈性振動引起的超差和變形。

2 零件結構及工藝分析

該毫米波多孔薄板零件外形尺寸為95.5 mm×94.5 mm×1 mm。零件部分結構尺寸要求如圖1～圖3所示,波導腔底面厚度為0.5 mm,且該區域面積占總面積50%以上,零件波導腔體寬度、深度尺寸公差為±0.02 mm,厚度兩面平面度為0.02 mm。零件材料去除率高達55.6%,易變形。外形和型腔的尺寸小、精度高,零件無法通過常規手工方式去除毛刺、飛邊等多余物,波導腔底面接刀痕等痕跡較難去除。

▲圖1 零件B面

薄板類零件由于剛性差,切削過程易發生軸向振動和彎曲變形,采用平板式真空吸盤裝夾是首選裝夾方式。真空夾具運用真空密封區域與外部空間的壓強差吸附零件,可靠性和穩定性高。一般來說,平板式真空吸盤均以大于零件最大輪廓構造密封區域,若密封區域內加工通孔,則無法實現裝夾。經試驗,采用傳統平板式真空吸盤+壓板分區域加工該零件,效果不理想,尤其是真空吸盤泄壓加裝壓板后,加工中間異型孔區域后孔口會出現明顯接刀,若接刀臺階痕跡達0.02 mm以上,則無法滿足圖紙要求。因此需實現零件B面一次裝夾加工完成,滿足加工穩定性和精度要求。

▲圖2 零件A面

3 專用真空夾具工裝設計

薄板類零部件加工時,采用真空吸盤裝夾是首選的裝夾方式。真空吸盤裝夾零部件的原理是通過真空泵抽氣和橡皮密封圈形成密閉空間,真空泵抽取空氣后使吸盤的密封空腔產生真空,依靠大氣壓力將工件壓緊,壓緊力分布均勻,吸附面積大,減少了裝夾帶來的附加受力變形,可靠性、穩定性高。但是普通平板式真空吸盤有其裝夾弊端,即無法在密封圈密封空間范圍內銑穿或鉆穿工件。由分析可知,該薄板件有52處通孔特征,兩面不密封,使用平板式真空吸盤無法一次加工到位。經試驗,若采用常規加工方式真空吸盤放氣后精加工異型孔,零件會因變形和彈性振動造成零件中間區域孔口處出現明顯接刀,無法滿足零件要求。因此,滿足加工穩定性即第二面的一次性裝夾加工完成,成為該零件加工質量保證的重點。

▲圖3 零件部分結構尺寸

依據以上要求,筆者在傳統真空吸盤原理上進行了夾具改制,如圖4所示。改制的真空夾具選用鋁合金LY12材料,外形尺寸為26 mm×185 mm×185 mm。中間部位分別設計增加三處區域密封槽,密封區域分布原則為避開零件異型孔區域,保證銑穿異型孔時真空區域不漏氣。夾具翻面一處腔體聯通三個區域密封槽,側面一處通氣孔。連接堵頭和設備開啟真空泵后形成真空區域。

▲圖4 改制真空吸盤

真空吸盤吸附力Fj計算式為:

Fj=PS/100

(1)

式中:P為相對壓力;S為吸盤有效吸附面積。

經計算對比,零件切削力大于μFj,μ為零件與夾具間最大靜摩擦因數。但僅靠改制真空吸盤真空吸附力無法滿足裝夾切削要求。基于改制真空吸盤吸附區域為零件中心,邊緣區域加工穩定性較差。因此在密封槽外側設計12處M4螺釘孔,形成真空吸附+螺釘緊固的組合裝夾方式。

通常真空夾具密封條為硅膠發泡橡膠條材料,規格約為φ3.8 mm。一般情況下,真空吸盤密封槽深度為3 mm,即密封條裝夾壓縮0.8 mm,壓縮比約21%。通過橡膠條彈力公式及壓縮率計算,可知單位壓力為0.725 5 MPa。根據零件結構分析可知,該零件較薄,加工過程也會發生塑性變形。尤其加工至最低一層時,隨著零件變薄、塑性變形和結構強度的下降,橡膠圈凸起較高的部位單位壓力會發生相對明顯的變化,從而影響零件裝夾。因此,真空夾具的裝夾方式,需考慮適當降低橡膠條壓縮量。

通過計算和試驗,橡膠圈在壓縮量為10%仍然能夠保持較好的密封性。計算可知,壓縮量為10%條件下的單位壓力為0.255 MPa。零件受到橡膠圈的彈力為正常加工的1/3。結合本零件外形小的特點,將真空夾具上密封槽深度設計為3.3～3.4 mm。經加工驗證,零件加工效果平面度有了較好的提升。

4 工序及工藝參數

影響多孔薄板件加工變形的因素還有很多,材質、零件結構、加工設備、切削參數等,主要考慮因素和策略如下。

(1) 毛坯初始殘余應力。毛坯在生產、處理和加工材料過程中,由于材料局部產生不均勻的變形和相變,必然導致殘余應力的產生。同時,毛坯見光去除材料及產生的切削應力也會影響毛坯自身平衡條件,造成殘余應力的釋放引起加工變形。該零件結構復雜且精度要求高,采用合理方式釋放殘余應力十分必要。

(2) 加工方法及條件。不同規格刀具、不同加工位置產生的切削力不同,造成其切削過程產生的變形量也不一樣。刀具選用上應選擇小規格刀具,切削參數上采用小切深加工策略。同時選用合理下刀方式也能夠減小加工變形。

除了以上因素,機床精度、刀具夾頭穩定性及加工環境均對該零件加工誤差產生影響。同時,在每道工序間增加檢驗,可及時有效發現每道工序問題。

結合以上工件加工特征、結構工藝分析、專用真空夾具設計及工藝參數制定策略,形成的該零件加工工序流程如圖5所示。

▲圖5 零件加工工序流程

加工路線中,工序2數銑兩面見光至厚度為2.5 mm,去應力后見光量控制較少,能夠在一定程度降低工序4數銑加工切削應力。工序4數銑加工A面時零件厚度大于2 mm,且體積較小,無需真空裝夾,螺釘裝夾即可,加工B面需螺釘配合真空吸附裝夾,裝夾方式如圖6所示。

▲圖6 零件加工裝夾

在切削參數設置方面,選用φ0.8 mm刀具,通常單層切深為0.5～1.0 mm,轉速為8 000～9 000 r/min,進給量為100～200 mm/min。通過以上分析可知,切削過程中單層切深與刀具軸向切削力關系密切,單層切深較大時薄板更容易軸向變形。因此,綜合考慮加工精度及加工效率,可參照高效切削方法合理安排加工參數。高效切削即在高速切削基礎上,兼顧質量和效率。在本次切削精加工過程中,筆者將轉速增加至15 000 r/min,單層切削深度改為0.3～0.5 mm,同時增加進給量至400～600 mm/min,經切削仿真以及實際加工驗證,加工效果有了較大改善,同時也滿足了加工效率。切削腔體總加工用時縮短64%。

參照結構分析可知,手工方法去除毛刺,一方面由于腔體寬度小、深度淺的特征,工具無法深入,難以實現毛刺去除;另一方面棱邊易產生損傷,影響零件的質量。

磁力拋光是利用磁力高頻變化,傳動細小的研磨不銹鋼針,產生高速流動、掉頭、振動等動作,使清洗劑產生高速旋浮流動、換向翻滾,同時眾多不銹鋼針滑過工件各表面及工件內腔、內孔,達到清洗、去油垢雜質、去除毛刺、研磨光亮的拋光效果。

選用磁力拋光設備去毛刺,使用磁力拋光機時選用0.3 mm不銹鋼針,拋光時間小于10 min。經試驗,能夠滿足微毛刺去除的前提下,棱邊倒鈍不大于0.01 mm,滿足設計需求。

5 加工效果

零件加工完成后,由精密檢驗室的三坐標測量儀進行測量,測量精度見表1。表1中,L為目標尺寸。

表1 三坐標測量儀測量精度 μm

本次加工的多孔薄板零件和差陣面主要包含波導腔及功分腔體,對首件加工后的功分腔體數據進行檢測,數據見表2。表2中主要展示了三組波導腔的尺寸檢驗,包含零件由中間到邊界的三個區域。

表2 和差陣面加工檢測數據 mm

對隨機截取的表2數據分析,縫中心尺寸X方向局部存在超差,超差的尺寸為微米級以下,最大超差為0.002 mm,由于圖紙尺寸為0.00 mm級,按四舍五入原則這一超差尺寸可以認為是尺寸的上限尺寸,也是滿足尺寸要求的。

顯微鏡下零件加工后的部分特征放大圖如圖7所示。從圖7中可以看出,零件腔體底面以及孔口處無明顯接刀痕,經三坐標測量儀測量,波導腔各面平面度較好,接刀痕小于0.007 mm,符合設計使用需求。

▲圖7 部分加工特征放大圖

6 結束語

筆者通過對毫米波多孔薄板件的加工工藝研究,從理論上分析了多孔薄板件的加工特征及難點,在此基礎上設計專用真空夾具,強化了加工穩定性,優化了切削參數,解決了高精度薄板多孔加工的難題,也為同類型零件加工提供了工藝思路。