基于超聲測頭大型薄壁件壁厚在機(jī)測量和補(bǔ)償加工方法研究

馮常喜 胡興平 楊 凱 張 寧 李永成 鄭海東

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

大型薄壁件是航天器高端裝備中典型的結(jié)構(gòu)件之一。精確地加工壁厚是保障大型薄壁零件整體輕量化和服役性能的前提與基礎(chǔ)[1]。制造過程中，若不能精確控制構(gòu)件剩余壁厚的，一方面，可能造成零件的“費(fèi)重”增加，致使裝備運(yùn)載效率降低；另一方面，可能造成零件承力能力下降，進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)件工作運(yùn)行的可靠性與安全性[2]。壁厚精確測量和補(bǔ)償加工成為大型薄壁件制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)方法采用理論加工程序試切加人工測量壁厚，不但加工效率低下，而且人工計算補(bǔ)償值消耗大量精力，極易出錯。如果采用掃描測頭和壁厚測頭相結(jié)合的方法，則需要對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理工作，掃描和數(shù)據(jù)處理過程機(jī)床等待時間長，導(dǎo)致測量和加工不連續(xù)。本文提出使用超聲壁厚測頭，建立在機(jī)測量和補(bǔ)償加工系統(tǒng)。從數(shù)控編程開始，到在線測量，再到補(bǔ)償加工，提供了整套方案，解決了大型薄壁件減輕槽加工時，壁厚難以控制和加工效率低下的問題。

1 產(chǎn)品加工分析

以某航天器為例，直徑尺寸約為3 m，高度約為3.5 m，其外形上分布大量減輕槽網(wǎng)格，底壁設(shè)計最小厚度達(dá)到1.2 mm，可以起到減重和保證強(qiáng)度的作用。由于毛坯制造和熱處理必然或多或少產(chǎn)生初始?xì)堄鄳?yīng)力[3]，材料在切削加工過程中，會產(chǎn)生切削應(yīng)力、初始?xì)堄鄳?yīng)力和切削應(yīng)力均會導(dǎo)致產(chǎn)品外輪廓度變化。傳統(tǒng)加工方式，首先，采用理論面加工程序，抬離理論面一定距離，保留余量加工減輕槽，一般保證待加工表面見光即可，此過程稱為“試切”，通過“試切”的方式，確認(rèn)變形后減輕槽底面外輪廓位置。其次，測量各個減輕槽內(nèi)多個點(diǎn)壁厚，計算出每個減輕槽的補(bǔ)償值，再將相同補(bǔ)償值的減輕槽程序合并。最后，按補(bǔ)償值對刀具長度進(jìn)行修正，加工減輕槽底面，以達(dá)到產(chǎn)品尺寸要求。此過程需要大量的人工測量、記錄數(shù)據(jù)和計算補(bǔ)償值的工作，且需要數(shù)控編程人員進(jìn)行加工程序拆分和合并工作，造成加工不連續(xù)，加工效率低下，通過人工記錄和處理數(shù)據(jù)，加工風(fēng)險大，傳統(tǒng)加工流程如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)加工流程圖

2 在機(jī)測量和補(bǔ)償加工方法

針對以往難點(diǎn)，研究在機(jī)測量和補(bǔ)償加工方法，其設(shè)計流程如圖2 所示。

圖2 在機(jī)測量和補(bǔ)償加工流程圖

2.1 在機(jī)測量系統(tǒng)搭建和精度標(biāo)定

海克斯康超聲測頭通過頭部壓縮方式產(chǎn)生信號，傳遞給接收器和數(shù)控機(jī)床，記錄信號發(fā)出和停止的時間t，再根據(jù)h=υ×t，計算出測量特征壁厚H1，υ為超聲波在當(dāng)前材料的傳播速率，超聲波在不同材料中傳播速率不一樣，需根據(jù)待測特征材料標(biāo)定。當(dāng)測頭發(fā)出觸發(fā)信號時，不僅記錄超聲波傳播時間，同時記錄當(dāng)前測頭刀尖點(diǎn)或主軸端面位置坐標(biāo)信息(x1,y1,z1)，即為變形后的減輕槽底面外輪廓度。

選取標(biāo)準(zhǔn)塊，對在機(jī)測量系統(tǒng)壁厚和外輪廓度測量精度進(jìn)行標(biāo)定，如圖3 所示。將標(biāo)準(zhǔn)塊放置于機(jī)床臺面，標(biāo)準(zhǔn)塊底面設(shè)置為工件坐標(biāo)系Z0，標(biāo)準(zhǔn)塊幾何中心設(shè)置為工件坐標(biāo)系X0和Y0，執(zhí)行標(biāo)定程序，多次測量取平均值，查看厚度偏差和Z向位置偏差，根據(jù)偏差值對超聲在機(jī)測量系統(tǒng)測量精度進(jìn)行修正。

圖3 在機(jī)測量系統(tǒng)精度標(biāo)定

2.2 測量壁厚和外輪廓度

切削應(yīng)力對被加工減輕槽和待加工減輕槽變形有一定影響，在兼顧加工質(zhì)量和效率的前提下，結(jié)合艙體尺寸，一般選取4～8 個槽為一組進(jìn)行加工，如圖4 所示，根據(jù)減輕槽網(wǎng)格大小，設(shè)置單個減輕槽測量點(diǎn)數(shù)量，一般選取5 個測量點(diǎn)，如圖5 所示。

圖4 減輕槽測量程序示意圖

圖5 減輕槽測量點(diǎn)分布

設(shè)置各個減輕槽測量點(diǎn)位，通過NX 編程軟件，編制超聲在機(jī)測量軌跡，并通過后處理生成測量程序，對各個測量點(diǎn)進(jìn)行厚度和外輪廓度測量，然后記錄到系統(tǒng)變量中，以供后續(xù)補(bǔ)償值計算調(diào)用。本文針對華中數(shù)控系統(tǒng)，基于NX 編程軟件開發(fā)了超聲在機(jī)測量程序后處理，測量程序格式如下：

單個點(diǎn)通過5 行程序?qū)崿F(xiàn)超聲在機(jī)測量，N2～N6 行控制單個點(diǎn)一次測量過程，N2 為將機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸定位到測量點(diǎn)法向矢量，N3 為定位刀尖點(diǎn)到測量點(diǎn)上方安全距離，N4 為定位到距離測量點(diǎn)上方附近距離，N5 為測量底面壁厚和外輪廓度，N6 為退刀到安全距離。

2.3 補(bǔ)償值計算原理及方法

前文提到，由于初始?xì)堄鄳?yīng)力和切削應(yīng)力存在，導(dǎo)致底壁變形，外輪廓發(fā)生改變，加之需要對底壁進(jìn)行切削，共同影響了最終補(bǔ)償值。測量減輕槽底面壁厚H1和外輪廓度 (x1,y1,z1)，理論壁厚為H0和理論外輪廓度為 (x0,y0,z0)，補(bǔ)償值計算原理如圖6 所示。

圖6 補(bǔ)償值計算原理圖

根據(jù)測量壁厚H1和理論壁厚H0，計算出壁厚偏差值 ΔH，根據(jù)測量外輪廓度Z1和理論外輪廓度，計算外輪廓度偏差值 ΔZ，最終，根據(jù)厚度偏差值和外輪廓度偏差值，計算得到綜合補(bǔ)償值，計算式為

由于外輪廓變形的影響，測量點(diǎn)和理論點(diǎn)不在同一法向矢量，為了消除偏差影響，需對外輪廓度偏差進(jìn)行法向矢量投影。以AC 雙擺頭機(jī)床為例，根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)和A、C軸角度，則理論法向矢量：

A、C角度均為弧度值，且理論矢量的模為1。測量點(diǎn)和理論點(diǎn)的兩點(diǎn)矢量：

將外輪廓偏差做實(shí)際矢量向理論矢量投影，則得到外輪廓度偏差：

以每個槽測量5 點(diǎn)為例，通過2.3 中補(bǔ)償值計算式得到單個槽內(nèi)5 個測量點(diǎn)的補(bǔ)償值。每個點(diǎn)補(bǔ)償值均以理論壁厚或期望壁厚為基礎(chǔ)計算得到，5點(diǎn)單獨(dú)補(bǔ)償情況下均能保證測量點(diǎn)處壁厚，如圖7所示。圖7 中5 個點(diǎn)補(bǔ)償值不相等。工程應(yīng)用中，無法直接應(yīng)用5 點(diǎn)單獨(dú)補(bǔ)償進(jìn)行加工，需將每個槽內(nèi)5 個補(bǔ)償值優(yōu)化為一個補(bǔ)償值，以某一點(diǎn)補(bǔ)償值為基準(zhǔn)，則補(bǔ)償值典型分布如圖8 所示。

圖7 單個點(diǎn)單獨(dú)補(bǔ)償

圖8 以某一點(diǎn)為基準(zhǔn)補(bǔ)償

當(dāng)單點(diǎn)補(bǔ)償值分布如圖8 中a、b、c 這3 種情況時，為了滿足尺寸公差要求以及將上差和下差尺寸的加工風(fēng)險均分，求取5 點(diǎn)補(bǔ)償值最大值和最小值，并計算得到中間值，用作對應(yīng)減輕槽的最終補(bǔ)償值，當(dāng)補(bǔ)償值如圖8 中的d 情況時，為了保證最小壁厚滿足尺寸要求，將最大補(bǔ)償值作為基準(zhǔn)，計算補(bǔ)償值作為對應(yīng)減輕槽的最終補(bǔ)償值。其補(bǔ)償值計算子程序如下：

2.4 補(bǔ)償值存儲和調(diào)用

前文實(shí)現(xiàn)了在機(jī)測量數(shù)據(jù)儲存和補(bǔ)償值計算，以每個槽測量5 個點(diǎn)為例，5 個點(diǎn)包含有10 個測量信息，即5 個壁厚信息和5 個外輪廓度信息。通過壁厚信息和外輪廓度信息計算出每個點(diǎn)的綜合補(bǔ)償值，根據(jù)槽內(nèi)每個點(diǎn)的綜合補(bǔ)償值，計算出最終補(bǔ)償值，并儲存在系統(tǒng)變量中，供加工時調(diào)用。其數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)見表1。

表1 數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)

每個減輕槽計算得到一個最終補(bǔ)償值，通過修改刀具長度磨損指令，將補(bǔ)償值調(diào)用到加工程序中，其加工程序格式如下：

搭建在機(jī)測量系統(tǒng)之后，通過對在機(jī)測量系統(tǒng)精度標(biāo)定、補(bǔ)償值計算原理和補(bǔ)償值計算方法研究，得到了每個槽的最終補(bǔ)償值。通過對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，將測量結(jié)果以及計算結(jié)果儲存到相應(yīng)變量中，并通過在加工程序中插入刀具長度磨損值修改指令，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償值的自動調(diào)用并指導(dǎo)加工，整個過程實(shí)現(xiàn)了自動化執(zhí)行。

3 基于NX 的測量程序后處理開發(fā)

基于NX 編程軟件開發(fā)在機(jī)測量程序后處理，通過對NX 中“打孔”模板的研究，實(shí)現(xiàn)基于NX編程軟件的在機(jī)測量程序快速編制。

以試驗(yàn)件為例，圖9 為試驗(yàn)件模型，其上分布有5 個減輕槽網(wǎng)格，在每個減輕槽內(nèi)選取測量點(diǎn)，生成程序，圖10 為在機(jī)測量程序的CLS 刀位文件，開發(fā)后處理的作用是將CLS 刀位文件轉(zhuǎn)化為機(jī)床可執(zhí)行代碼。

圖9 在機(jī)測量程序軌跡

圖10 在機(jī)測量程序CLS 文件

調(diào)用“打孔”模板，并選擇“標(biāo)準(zhǔn)鉆，深孔”循環(huán)類型，如圖11 所示。此類型中，包含有多個STEP 值，滿足在機(jī)測量程序編制時需要設(shè)定的定位安全距離、逼近距離、退刀安全距離、理論厚度和公差數(shù)值。圖12 表明，設(shè)定定位安全距離為測量點(diǎn)上方100 mm，退刀安全距離與定位安全距離相同，理論厚度值為8 mm，公差值為0.15 mm，逼近距離通過在“循環(huán)類型”的最小安全距離中設(shè)定。測量程序中的各點(diǎn)坐標(biāo)通過相應(yīng)距離值乘以法向矢量，再疊加測量點(diǎn)坐標(biāo)的方式得到。

圖11 循環(huán)類型

圖12 STEP 參數(shù)表

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)加工方法效率低下、過程繁瑣和加工質(zhì)量難以保證的問題，應(yīng)用超聲測頭，建立超聲在機(jī)測量系統(tǒng)，分析了補(bǔ)償值計算原理以及設(shè)計了補(bǔ)償值計算方法，并通過轉(zhuǎn)化為機(jī)床代碼的形式，自動進(jìn)行補(bǔ)償值的計算。通過在機(jī)測量和補(bǔ)償加工方法的研究，實(shí)現(xiàn)了自動化在機(jī)測量和記錄數(shù)據(jù)，自動處理生成單個減輕槽的補(bǔ)償值，自動化調(diào)入對應(yīng)減輕槽補(bǔ)償值到加工程序中，節(jié)省大量人力，大幅度降低出錯風(fēng)險。省去“試切”過程，縮短加工環(huán)節(jié)和時間，減少編程人員在加工工序中的介入頻率，減少等待時間。通過對NX 編程軟件后處理開發(fā)，開發(fā)了在機(jī)測量程序編制方法，對于工程實(shí)踐應(yīng)用具有重要的意義。