雙面下陷蒙皮壁板快速定位及變形控制技術(shù)

張金玉，段貴超，李俊文，王楊，楊昊，姚亞超

天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司 天津 300462

1 序言

新一代運(yùn)載火箭的特點(diǎn)是綠色、無(wú)毒和無(wú)污染。航天壁板以2219鋁合金材質(zhì)為主，作為新一代運(yùn)載火箭的主要結(jié)構(gòu)件，具有高強(qiáng)度、高韌性和輕量化等特點(diǎn)。新一代運(yùn)載火箭研發(fā)的新型壁板結(jié)構(gòu)——雙面下陷蒙皮壁板，在具備各種力學(xué)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也帶來(lái)了加工方面的困難和挑戰(zhàn)。

針對(duì)雙面下陷蒙皮壁板加工過(guò)程中，兩面下陷特征相對(duì)位置精度控制以及中空型腔壁厚公差控制進(jìn)行研究，成功解決了雙面兩次定位精度差、找正效率低和壁厚公差難以保證的難題。

2 加工方式

雙面下陷蒙皮壁板主要應(yīng)用于新一代運(yùn)載火箭貯箱中，不僅需要承載壓力，還要有良好的工藝性能。為了減輕貯箱質(zhì)量，采用雙面加工的方式代替單面加工來(lái)減輕壁板質(zhì)量。傳統(tǒng)的單面加工利用真空吸附裝夾固定，只需確定加工原點(diǎn)，即可完成整個(gè)銑削過(guò)程[1]。雙面加工時(shí)，需要對(duì)壁板進(jìn)行翻面加工，且A、B兩面的凹槽下陷位置精度要求控制在0.05mm以內(nèi)。傳統(tǒng)的打表拉直定位方式精度誤差較大，效率低下且容易超差；同時(shí)，由于B面凹槽下陷區(qū)域在真空吸附力的作用下易產(chǎn)生變形，因此增加了銑削難度。雙面下陷蒙皮壁板如圖1所示。

3 加工難點(diǎn)

1）尋找原點(diǎn)重復(fù)定位困難。壁板原采用單A面加工只需吸盤(pán)吸附固定，定好原點(diǎn)就可以完成整個(gè)工序的加工，一次裝夾即可完成。現(xiàn)采用A面、B面銑削加工，B面加工完成后，翻面定位找正，再進(jìn)行A面加工，這就需要精確保證A面、B面特征元素的位置度。然而壁板尺寸較大，A面、B面加工原點(diǎn)找正困難，尺寸難以對(duì)應(yīng)，增加了翻面重復(fù)定位找正的難度和風(fēng)險(xiǎn)[2]。

2）懸空區(qū)域變形大，厚度累積誤差大。當(dāng)壁板在B面凹槽下陷加工完成后進(jìn)行翻面，再進(jìn)行A面凹槽下陷加工，且保證下陷區(qū)域厚度公差為0.2mm時(shí)，由于受切削力、吸附力的影響，B面凹槽下陷形成的中空區(qū)域極易產(chǎn)生塌陷變形，造成A面下陷壁厚尺寸超差。

4 加工方案優(yōu)化

（1）裝夾找正優(yōu)化 貯箱壁板A面、B面加工時(shí)，利用百分表打表的方式對(duì)壁板一側(cè)進(jìn)行拉直定位，然后再利用尋邊器找正壁板加工原點(diǎn)，這種定位方式缺點(diǎn)明顯：打表拉直費(fèi)時(shí)費(fèi)力，增加工作時(shí)間和人力成本，效率低。通過(guò)對(duì)加工數(shù)據(jù)的測(cè)量、分析和尺寸鏈的研究、計(jì)算，確定將打表定位改為壓板三點(diǎn)定位。三點(diǎn)定位找正如圖2所示。

圖2 三點(diǎn)定位找正示意

壁板B面凹槽下陷加工完成后，在吸盤(pán)上利用兩個(gè)壓板在壁板X(qián)向一側(cè)進(jìn)行定位，一個(gè)壓板在壁板Y向一側(cè)進(jìn)行定位，此時(shí)只需要沿著X向180°翻轉(zhuǎn)壁板，重新靠緊3個(gè)支點(diǎn)，然后進(jìn)行A面加工。這種定位方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，且保證產(chǎn)品定位誤差在0.05mm以內(nèi)，完全滿足公差精度要求，重復(fù)定位精度也得到了保證。

（2）正反面凹槽加工方法優(yōu)化 采用雙面銑削加工方法，當(dāng)產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)到A面時(shí)，由于需要在B面對(duì)應(yīng)位置加工A面槽，此時(shí)B面若沒(méi)有支撐，在加工時(shí)極易使（4.5±0.1）mm的總剩余厚度公差超差，因此需要考慮在B面凹槽的位置（見(jiàn)圖3）填充彈性海綿墊、橡膠泥等填充物，避免受到懸空區(qū)域吸附變形的影響。

圖3 填充海綿區(qū)位置示意

但采用B面凹槽添加填充物的方法存在以下缺點(diǎn)：生產(chǎn)成本提高、填充物分布不均勻及加工周期長(zhǎng)等。經(jīng)分析試驗(yàn)，在不添加填充物的情況下，采用對(duì)B面“小切削深度、慢進(jìn)給速度、多分層”的銑削方法，也可滿足尺寸精度要求，并提升生產(chǎn)效率，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。具體實(shí)施方案如下。

1）以壁板厚度、B面槽深度和A面槽厚度組成尺寸鏈，通過(guò)精確計(jì)算，確定A面槽深度尺寸及加工誤差，避免累積誤差。

2）銑削A面槽采用“小切削深度、慢進(jìn)給速度、多分層”的高速切削模式，根據(jù)不同深度確定分層、進(jìn)給速度及切削深度。以2mm切削深度為例，為保證精度，同時(shí)兼顧效率，按0.8m m、0.7mm、0.5mm的分層方式分3層加工，通過(guò)逐層減少切削深度、進(jìn)給速度的方式降低薄壁區(qū)變形，保證A面、B面銑削厚度精度。雙面銑削分層切削參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 雙面銑削分層切削參數(shù)

5 加工效果對(duì)比

（1）切削質(zhì)量提升 對(duì)比方案優(yōu)化前后的實(shí)際加工效果，可知傳統(tǒng)加工方法極易出現(xiàn)A面、B面凹槽剩余厚度減薄或增厚的不規(guī)律超差問(wèn)題。方案優(yōu)化前后超差情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 方案優(yōu)化前后超差情況統(tǒng)計(jì)

由表2得出，用高速銑削“小切削深度、慢進(jìn)給速度、多分層”的理念進(jìn)行加工方式優(yōu)化，一舉避免了B面槽受力變形而影響產(chǎn)品質(zhì)量的復(fù)雜問(wèn)題，保證了產(chǎn)品總厚度精度。且此方式在單面、雙面加工的壁板類零件中均比較適用。

（2）切削效率提高 傳統(tǒng)加工方法由于易出現(xiàn)變形，因此在半精加工和精加工時(shí)需要反復(fù)打表、測(cè)量，計(jì)算并修正變形帶來(lái)的切削誤差。工藝優(yōu)化后采用三點(diǎn)定位找正及“小切削深度、慢進(jìn)給速度、多分層”的切削方法[4，5]，通過(guò)三點(diǎn)定位快速地拉直找正，省去了打表拉直壁板找正的繁瑣步驟；“小切削深度、慢進(jìn)給速度、多分層”方法的應(yīng)用，有效解決了加工變形帶來(lái)的干擾，省去了反復(fù)打表、測(cè)量的時(shí)間，同時(shí)省略了B面凹槽裝填充物的時(shí)間，加工效率得到大幅提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)壁板雙面銑削加工中遇到的難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和分析，提出了優(yōu)化的工藝方法，通過(guò)技術(shù)革新，在壁板翻面加工中采用三點(diǎn)定位找正和數(shù)控高速銑削方法，將該類型壁板單件產(chǎn)品加工效率至少提升40%，一檢合格率達(dá)到100%，并進(jìn)行了多次實(shí)際加工驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了雙面銑削的快速定位以及加工變形的有效控制，為后續(xù)壁板類零件的工藝優(yōu)化提供了可供參考的新經(jīng)驗(yàn)。

該文針對(duì)雙面下陷蒙皮壁板銑削過(guò)程中遇到的難點(diǎn)問(wèn)題，提出了雙面兩次加工的工藝方法，通過(guò)裝夾方式和正反面凹槽加工方法的優(yōu)化,減少了壁板翻面后重復(fù)定位的難度和時(shí)間，經(jīng)過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證，提高了產(chǎn)品合格率和加工效率。

文章的亮點(diǎn)是薄壁板翻面定位方法和雙面凹槽對(duì)應(yīng)加工技術(shù)，通俗易懂，實(shí)用性強(qiáng)。通過(guò)工藝優(yōu)化，壁板翻面后采用三點(diǎn)定位找正，在B面凹槽不增加填充物的情況下，采用“小切削深度、慢進(jìn)給速度、多分層”的銑削方法加工A面對(duì)應(yīng)位置凹槽，有效解決了槽底薄壁處的加工變形問(wèn)題，滿足了雙面銑削的尺寸精度要求。

專家點(diǎn)評(píng)