大長(zhǎng)寬比薄壁濾波器腔體加工工藝方案優(yōu)化

廖基躍,古志勇

(成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司,四川成都 610000)

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大長(zhǎng)寬比薄壁濾波器腔體加工工藝方案優(yōu)化

廖基躍,古志勇

(成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司,四川成都 610000)

某航天項(xiàng)目中的濾波器腔體具有長(zhǎng)寬比大、壁薄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以及尺寸公差、形位公差精度要求高的工藝特點(diǎn),加工難度大.介紹了一種大長(zhǎng)寬比航天薄壁腔體的結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn),分析了腔體截面結(jié)構(gòu)對(duì)零件尺寸公差和形位公差精度的影響,改進(jìn)了加工工藝方案.最后運(yùn)用此工藝方案進(jìn)行加工試驗(yàn),結(jié)果滿(mǎn)足要求.

濾波器腔體; 大長(zhǎng)寬比; 薄壁; 工藝方案

航天項(xiàng)目零部件在滿(mǎn)足性能要求的前提下,要求盡可能輕量化[1].薄壁零件因具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中.但是薄壁件剛性差、強(qiáng)度弱、加工制造困難.

針對(duì)薄壁件難加工問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了相關(guān)研究.鄧學(xué)忠等[2]論述了航天類(lèi)精密復(fù)雜零件的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的注意事項(xiàng)和工藝方案的設(shè)計(jì)方法;由文獻(xiàn)得知航空航天薄壁框體零件加工變形的原因包括材料加工過(guò)程中殘余應(yīng)力的釋放、刀具對(duì)工件的削切作用和工件的裝夾工藝.文獻(xiàn)[3-8]針對(duì)這些加工問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決辦法;劉曉等[9]提出了適合航天鉸鏈類(lèi)零件的單向走絲電火花線切割加工工藝方案;KOLLURU等[10]針對(duì)薄壁件的加工問(wèn)題,從優(yōu)化裝夾工藝的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一種由預(yù)扭彈簧鉸接組合而成的裝置.上述研究成果,分析確定了影響薄壁件工藝質(zhì)量的原因,提出了解決辦法并通過(guò)加工試驗(yàn)工件證明了方法的有效性,為優(yōu)化薄壁件加工工藝的研究確定了方向.同時(shí)在生產(chǎn)實(shí)際中工藝方案的制定還應(yīng)盡量考慮本單位的加工設(shè)備制造能力.

基于此,本文以航天項(xiàng)目里一種剛性差、強(qiáng)度弱、設(shè)計(jì)形狀復(fù)雜、精度要求較高的常用元件——濾波器腔體作為研究對(duì)象,在分析了原有工藝造成零件不合格原因的基礎(chǔ)上,優(yōu)化了加工工藝方案,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)了此化方案的有效性和穩(wěn)定性.

1 零件的結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)

作為航天項(xiàng)目里一種常用無(wú)源器件,濾波器是一種在沒(méi)有外加電源的條件下能依靠其自身工藝結(jié)構(gòu)特性滿(mǎn)足其工作特性的電子元件,因而對(duì)零件自身的工藝結(jié)構(gòu)和精度要求非常高[10].

圖1 某航天項(xiàng)目濾波器腔體Fig.1 A Cavity filter of a space project

圖1為某航天項(xiàng)目中的濾波器腔體,是濾波器的主要結(jié)構(gòu)件和支撐件,其工藝結(jié)構(gòu)特性和精度影響整個(gè)濾波器的工作性能.該零件長(zhǎng)度(腔體長(zhǎng)度)最長(zhǎng)為348 mm,寬度最寬為66.8 mm,腔體寬度最寬為51 mm,腔體壁厚最薄處在內(nèi)腔底面處,厚度為1 mm,該零件具有大長(zhǎng)寬比薄壁類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn).

在工藝要求方面,零件頂面和兩端面作為配合接觸面以及腔體內(nèi)部底平面,平面度要求小于0.05,粗糙度要求小于0.8,另外還有垂直度和平行度要求;腔體深度15.8要求保證公差±0.02;腔體內(nèi)部各臺(tái)階長(zhǎng)寬距離最長(zhǎng)大于300 mm,公差要求保證±0.03.以上尺寸公差,以及零件其他部位的尺寸公差和形位公差要求,都在GB/T1804-f級(jí)以上,屬于高精度工藝要求.

2 零件原工藝方案及加工不合格原因分析

2.1 零件原工藝方案

根據(jù)已有的加工工藝經(jīng)驗(yàn),初步制定了該零件的加工工藝方案:粗加工(粗銑)→熱處理去應(yīng)力→精加工(精銑).首先采用銑削方式粗加工長(zhǎng)方體原材料,加工零件外形、腔體、臺(tái)階等,留0.5 mm余量;然后熱處理工件,去除粗加工后殘留應(yīng)力;最后銑削去除余量,加工剩余特征,完成加工.由于零件的長(zhǎng)寬比大、壁厚小,零件自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低,抗彎、抗扭強(qiáng)度小,加工過(guò)程中受裝夾力、切削力等因素影響,加工完成卸下裝夾后產(chǎn)生反向作用力,都容易造成零件產(chǎn)生彎曲和扭曲變形,加工過(guò)程不穩(wěn)定,導(dǎo)致零件尺寸公差和形位公差難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求,產(chǎn)品合格率低,小于20%.

2.2 零件結(jié)構(gòu)加工影響原因分析

由圖1得知濾波器腔體總長(zhǎng)度348 mm,寬度51 mm,長(zhǎng)寬比約達(dá)7.圖2為腔體截面剖面圖,腔體底面壁厚為1 mm,腔體外邊厚度1.5 mm,上邊厚度為2 mm.以腔體截面底邊水平方向的延長(zhǎng)線和左側(cè)壁豎直方向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)為原點(diǎn),建立腔體截面剖面圖的直角坐標(biāo)系(注:根據(jù)材料力學(xué)抗彎截面模量定義,腔體剖面圖水平方向?yàn)閦軸,豎直方向?yàn)閥軸).

圖2 腔體截面剖面圖直角坐標(biāo)系

Fig.2 A cartesian coordinate system of the chamber’s body section

由腔體結(jié)構(gòu)得知,腔體截面剖面圖是左右對(duì)稱(chēng)圖形,因此腔體截面剖面圖的形心的水平方向的位置是ZC=25 mm.豎直方向位置由以下求得.

由組合截面靜矩公式得出腔體截面對(duì)z軸的靜矩Sz為

(1)

腔體截面面積A為

(2)

形心的豎直方向位置YC為

(3)

由式(1)—(3)得出:z1=6.5 mm,z2=8 mm,z3=43 mm,z4=44.5 mm,z5=51 mm,y1=1 mm,y2=14.5 mm,y3=16.5 mm,求得:YC=7.5 mm.由組合截面慣性矩公式得出腔體截面對(duì)過(guò)點(diǎn)(ZC,YC)水平方向的慣性矩Iz為

(4)

將數(shù)據(jù)代入計(jì)算式(4)求得:Iz=4 150 mm4.

則抗彎截面模量

(5)

ymax是y方向距離中性層的最大距離,根據(jù)YC=7.5 mm和腔體截面總高度16.5 mm得出腔體截面上下兩邊距中性層的最大距離分別是9 mm和7.5 mm.由式(5)得出抗彎截面模量(截面模數(shù))分別為0.46 cm3和0.57 cm3.

根據(jù)圖1，2得知腔體底部是δ1×338×38大薄板面,由式(5)計(jì)算得知腔體截面強(qiáng)度低.加工腔體過(guò)程中,零件受切削的影響、切削熱產(chǎn)生的熱膨脹力以及裝夾力的影響.隨著余量的去除,工件強(qiáng)度逐漸降低,無(wú)法再抵抗切削過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移再平衡、切削熱使工件產(chǎn)生的熱脹冷縮形變等,工件在加工過(guò)程中即產(chǎn)生變形和蠕動(dòng),不能有效控制加工尺寸公差和形位公差精度.加工完成卸下裝夾后,由于壁厚過(guò)小,腔體大平面強(qiáng)度不能抵抗加工殘余應(yīng)力的平衡,使工件的尺寸公差和形位公差精度進(jìn)一步降低,最終工件報(bào)廢.

3 優(yōu)化工藝方案

3.1 優(yōu)化方向及工藝方案

由前文分析得知,造成工件報(bào)廢的原因主要是工件不能抵抗加工過(guò)程中和加工完成后的應(yīng)力造成的變形，因此必須改變加工過(guò)程中截面的結(jié)構(gòu)形狀,提高加工過(guò)程中腔體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,以抵抗加工過(guò)程中由切削力、切削熱和裝夾力等因素造成的形變,保證尺寸公差和形位公差.另外最好采用切削力較小的切削方式加工工件外形輪廓,完成工件加工.

圖3是在圖2基礎(chǔ)上把腔體壁往外側(cè)對(duì)稱(chēng)延伸后,帶有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的截面剖面.優(yōu)化后的加工工藝方案:按圖3截面加強(qiáng)結(jié)構(gòu)粗加工→熱處理去應(yīng)力→按圖3截面加強(qiáng)結(jié)構(gòu)精加工→組合工件熱處理去應(yīng)力→組合工件整體加工外形成型.優(yōu)化的工藝方案改變了加工過(guò)程中工件截面的形狀,加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,有效抵抗了加工過(guò)程中的應(yīng)力,提高了加工過(guò)程中尺寸公差和形位公差的精度.同時(shí)將工件與待裝配工件組合整體加工外形,強(qiáng)度提高,有效抵抗了加工殘余應(yīng)力.

圖3 工藝方案優(yōu)化后腔體截面剖面圖直角坐標(biāo)系Fig.3 A cartesian coordinate system of the chamber’s body section after improved process plan

3.2 優(yōu)化后的腔體截面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由上文分析得知,由于零件內(nèi)腔是大平面薄壁結(jié)構(gòu),強(qiáng)度低,抗彎變形能力差，因此加工過(guò)程中不能抵抗由切削力等因素造成的形變.優(yōu)化方案是把腔體壁往外側(cè)對(duì)稱(chēng)延伸,設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，如圖3所示,使腔體背面的外形輪廓成為一個(gè)封閉四邊形平面.以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)腔體截面左下角交點(diǎn)為原點(diǎn),在圖中建立腔體截面剖面圖的直角坐標(biāo)系:z1′=3 mm,z2′=20 mm,z3′=21.5 mm,z4′=56.5 mm,z5′=58 mm,z6=75 mm,z7=78 mm,y1′=10.5 mm,y2′=11.5 mm,y3′=25 mm,y4=27 mm.與圖2的形心同理,圖3形心的水平方向位置Zc′=39 mm.形心在豎直方向位置由下面求得.

與式(1)同理代入數(shù)據(jù)得腔體截面對(duì)z軸的靜矩Sz′為:Sz′=5 270 mm3.

與式(2)同理代入數(shù)據(jù)得腔體截面面積A′為:A′=3 14 mm2.

代入式(3)得形心的豎直方向位置為:YC′=16.7 mm.

與式(4)同理代入數(shù)據(jù)得腔體截面對(duì)過(guò)點(diǎn)(ZC′,YC′)水平方向的慣性矩Iz′為:Iz′=76 000 mm4.

式(5)中的ymax根據(jù)YC′=16.7 mm和腔體截面總高度27 mm,得出腔體截面上下兩邊距中性層的最大距離分別是16.7 mm和9.3 mm.數(shù)據(jù)代入式(5)得出加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗彎截面模量(截面模數(shù))分別是4.5 cm3和7.3 cm3.對(duì)比圖2和圖3的計(jì)算結(jié)果得知:改進(jìn)后的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗彎截面模量分別提高了9.7倍和12.8倍以上,有效提高了加工過(guò)程中工件抗彎等形變的能力,加工過(guò)程穩(wěn)定.同時(shí)兩側(cè)加強(qiáng)筋與其余面形成等高的邊框大面,有利于保障工件加工過(guò)程中裝夾的穩(wěn)定性和可靠性.

3.3 組合工件的整體外形成型加工

工件在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)下的加工有效保證了工件尺寸公差和形位公差.最后還需要去除附加的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)并經(jīng)過(guò)加工殘余應(yīng)力再平衡后,工件的尺寸公差和形位公差滿(mǎn)足要求.通過(guò)對(duì)該零件的組裝結(jié)構(gòu)分析得知為外形輪廓一致的上下腔組合件,其中該零件為下腔.

組合件的單個(gè)工件單獨(dú)外形成型時(shí)較難保證組合件外形的一致性,同時(shí)單個(gè)工件單獨(dú)加工和組合件一起加工相比,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小,容易受殘余應(yīng)力的影響而產(chǎn)生變形,最終影響其尺寸公差和形位公差.因此可以將帶有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的上下腔通過(guò)螺釘連接組合,進(jìn)行熱處理，去除銑削加工過(guò)程中的殘余應(yīng)力.最后采用作用力小的電火花線切割組合體,完成外形成型加工,以保證工件的尺寸公差和形位公差.

4 工藝方案試驗(yàn)

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,采用該工藝方案加工5件試驗(yàn)件.原材料為2A12H112鋁板,尺寸為δ35×80×360.數(shù)控銑床型號(hào)為HEM800,數(shù)控線切割機(jī)床型號(hào)為DK7725F,三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x型號(hào)為Z003.

工件附加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)銑削后,使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量腔體正面和內(nèi)腔底面的平面度、內(nèi)腔的深度,測(cè)量結(jié)果如表1所示.

表1 附加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)銑削后的檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)螺釘連接組合帶有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的上下腔,組合件如圖4所示.整體熱處理去除組合件應(yīng)力,采用電火花線切割加工組合件的外形.完成加工后拆開(kāi)組合件,使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量工件腔體正面和內(nèi)腔底面的平面度、內(nèi)腔的深度,測(cè)量結(jié)果如表2所示.結(jié)果表明：電火花線切割加工方式對(duì)工件精度影響很小,不會(huì)影響工件的合格率.

表2 外形成型后檢測(cè)結(jié)果

零件其他部位的尺寸精度和形位公差，經(jīng)檢測(cè)符合要求.采用優(yōu)化后的工藝方案加工5件工件,無(wú)廢品無(wú)返修,5件全部符合要求,合格率100%,表明優(yōu)化后的工藝方案有效且穩(wěn)定.

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 在介紹了一種大長(zhǎng)寬比薄壁腔體濾波器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝特點(diǎn)基礎(chǔ)上,計(jì)算了腔體截面的抗彎模量,分析和確定了零件強(qiáng)度低是造成零件不合格的原因.在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了加工工藝方案,改變了加工過(guò)程中腔體截面的形狀,通過(guò)計(jì)算得知抗彎模量增大了約10倍.采用切削力小的電火花線切割加工方式,對(duì)組合工件進(jìn)行整體外形加工.最后運(yùn)用優(yōu)化后的工藝方案加工5件試驗(yàn)件,無(wú)廢品無(wú)返修,合格率100%,表明優(yōu)化后的工藝方案有效且穩(wěn)定,為同類(lèi)結(jié)構(gòu)高精度要求的零件的加工工藝方案制定提供了一定的參考價(jià)值.

(2) 影響尺寸公差和形位公差的因素非常多,如機(jī)床精度、刀具參數(shù)等.本文主要分析了加工過(guò)程中工件強(qiáng)度時(shí)尺寸公差和形位公差的影響,還有一些情況難免沒(méi)考慮周全,有待進(jìn)一步研究.

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Optimization of process plan for the filter cavity withlarge aspect ratio and thin wall

LIAO Ji-yue,GU Zhi-yong

(Chengdu Siwi Hi-Tech Park Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China)

The filter cavity in some space projects is with large aspect ratio,thin wall of the structure and high tolerance of form and position.It is difficult to be machined.The structure and process of a filter cavity,which is of a space project with large aspect ratio and thin wall,are introduced.The influence about tolerance of form and position is analyzed from cavity cross-section.On the basis of it improves process plan of the part.At last,the plan is applied and the result showed that it meets demand.

filter cavity; large aspect ratio; thin wall; process plan

廖基躍(1978-),男,工藝師.E-mail:980660@sina.com.

TH 16

A

1672-5581(2016)02-0152-05