一種天線指向機構(gòu)的支架四孔同軸精密加工技術(shù)

李金山，焦云雷，盆洪民，王現(xiàn)沖，趙佳琪

（天津航天機電設(shè)備研究所，天津300458）

0 引言

天線指向跟蹤機構(gòu)的主要功能是實現(xiàn)載荷天線的高精度角度跟蹤指向和360°旋轉(zhuǎn)，主要用于衛(wèi)星天線跟蹤地面接收天線，具有精度高、速度快等特點。受其使用條件和環(huán)境的制約，對零部件結(jié)構(gòu)及材料提出了嚴格的要求。首先要滿足航天產(chǎn)品的設(shè)計力學(xué)性能，并且在保證同樣強度和剛度的情況下，結(jié)構(gòu)要輕量化。硬鋁合金材料由于剛性好、比強度高、密度小、塑性好、耐腐蝕、易加工、相對質(zhì)量較小等優(yōu)點，已成為衛(wèi)星、飛船廣泛采用的主要承力構(gòu)件材料。而鋁合金薄壁件的加工變形和內(nèi)應(yīng)力變形等問題是產(chǎn)品研制成敗的關(guān)鍵因素。本文主要介紹天線指向跟蹤機構(gòu)的波導(dǎo)支架和機座的組合加工技術(shù)。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性及工藝特點分析

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)參數(shù)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點如圖1所示，機座組合體由1個機座單件和2個波導(dǎo)支架單體組合而成，波導(dǎo)支架單件加工完成后用定位銷釘和螺栓固定于機座本體上，與機座本體間有著較高的裝配精度要求。

技術(shù)參數(shù)如圖2所示，組合件剖面圖B基準平面度要求在0.01mm以內(nèi)，且多處形位尺寸公差均以此為基準。通過演算，工藝精度要求其平面度在210mm尺寸上小于0.005mm，這樣的精度已經(jīng)達到了機床加工上限，也是重點攻關(guān)的難點之一。波導(dǎo)支架側(cè)面相對于基準軸A有著嚴格的跳動公差0.01mm，以及裝配尺寸公差。組合件四孔尺寸為關(guān)鍵鏜削尺寸，它們平均分布在210mm尺寸上，需要2次掉頭裝夾，鏜削保證同軸度Ф0.02mm。

1.2 材料性能及切削性能分析

組合件材料為2A14 T6態(tài)硬鋁合金，具有很高的強度和良好的切削加工性能。但其加工后，受殘余應(yīng)力影響，易變形，受切削力、裝夾力、切削熱的影響，形面精度不容易保證。

組合件平均壁厚不足2mm，底面部分易發(fā)生彎曲變形，屬于典型的薄壁難加工零件。為滿足加工精度，必須選擇合理的刀具和切削方式，如針對底平面選用小刀環(huán)切加工；波導(dǎo)支架耳片采用自制片銑刀加工；鏜削高精度孔時，為了保證尺寸的穩(wěn)定性選取金剛石刀片。

1.3 加工思路分析

通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)參數(shù)、工藝特性、材料加工性能等方面分析，總結(jié)出銑削工序最佳加工方法和工藝思路：

銑序工藝路線：①粗加工（單邊1mm）→②半精加工（0.5mm）→③局部留量精加工（圖2基準B面、關(guān)鍵孔加工部分、重要基準面等留量0.3mm）→④基準面精加工→⑤組裝后波導(dǎo)支架耳片精加工→⑥掉頭鏜四孔精加工。

2 產(chǎn)品采用的加工技術(shù)

產(chǎn)品銑削加工過程采用了低應(yīng)力裝卡方法、局部余量控制技術(shù)、多刃微應(yīng)力端銑方法、四孔同軸加工技術(shù)，每種技術(shù)詳細總結(jié)如下。

2.1 低應(yīng)力裝夾方法

理想的加工狀態(tài)應(yīng)該是在 “零外力”自然狀態(tài)下加工，但常規(guī)的裝夾方式均無法滿足要求。例如：虎鉗裝夾存在橫向或徑向裝夾力，壓板裝夾會產(chǎn)生局部受力，三爪卡盤裝夾會產(chǎn)生向心力或離散力。針對這些問題，本文采用低應(yīng)力裝夾方法，即工件通過膠粘定位固定到平面工裝上進行切削加工，工件不與虎鉗直接接觸，從而達到近似無應(yīng)力裝夾的狀態(tài)。工件通過4點膠粘固定，工件上表面壓千分表并觀察指針變化，如圖3所示。試驗表明，此種裝夾方法完全符合裝夾需求，達到無應(yīng)力裝夾效果。在工序④底面精加工時，通過此種裝夾方式完成了底面精加工的任務(wù)，達到工藝要求的尺寸公差和形位公差。

2.2 局部余量控制技術(shù)

局部余量控制技術(shù)是指在實際加工中將某一工序中工件非關(guān)鍵尺寸加工到位，將有嚴格尺寸公差和形位公差要求的尺寸留量放在后序中加工，從而最大限度地減小加工誤差，提高加工精度。比如在工序③中，將基準面單邊留量0.3mm作為后續(xù)加工的可去除余量，從而使加工精度控制在公差之內(nèi)。

對于尺寸精度和形位公差精度要求較高的薄壁件而言，難點是控制其變形量，從機座的結(jié)構(gòu)分析可知，底面平面度質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。在加工工序④時，平面度的控制是關(guān)鍵。采取如下方法：

1）加工薄壁零件時要選用尖角的立銑刀。不能用圓鼻刀，防止圓鼻刀切削時產(chǎn)生向下的載荷分量，使零件底部翹曲。刀具選擇小刀加工，從而獲得較小的表面切削力，切削更加均勻，受力平穩(wěn)，獲得較好加工表面質(zhì)量，如圖4選擇Φ4立銑刀。

2）避開薄壁的振動區(qū)域。當采用跟隨周邊銑削加工時，步距的移動方向應(yīng)遠離薄壁的振動區(qū)域。加工過程中應(yīng)注意步距方向，跨步之前加工完要加工的區(qū)域，刀具遠離發(fā)生振動的薄底部位。

3）多型腔薄壁零件的加工。在加工多型腔的薄壁零件時，關(guān)鍵是定義底面的加工順序，這樣才能避免加工中產(chǎn)生翹曲變形。定義加工順序的原則為：要利于毛坯材料的預(yù)應(yīng)力的釋放，加工時要有較好的支撐；要減少加工時熱量的累積。

在實際切削時應(yīng)用局部余量控制技術(shù)，采用反復(fù)對稱加工機座的上下底面，最終將底面平面度控制在0.005mm以內(nèi)，解決了薄壁底平面加工變形的難題。

2.3 多刃微應(yīng)力端銑方法

多刃微應(yīng)力端銑方法是指采用多刃薄片銑刀針對支架耳片側(cè)面進行精加工，達到減小切削力和切削變形，進而獲得較好表面質(zhì)量的加工方法。如圖5所示，實際加工中由于零件剛度不足容易產(chǎn)生加工變形，使用立銑刀銑削薄壁面AB，應(yīng)該切除陰影部分ABDC。但由于切削力的作用，薄壁件產(chǎn)生彈性變形，A、C兩點分別移到A′、C′兩點。這時刀具剛度遠大于薄壁件剛度，刀具僅切除ABDC部分的材料。走刀過后薄壁彈性恢復(fù)，殘留CDC′部分材料未被切除，形成了壁厚加工誤差。因此，最小程度地減小C′DC處的彈性變形量是控制側(cè)面平面度的關(guān)鍵。

如圖2所示，支架側(cè)面與A基準存在0.01mm的跳動公差，為關(guān)鍵尺寸。精測時通過評價基準軸A與支架平面垂直度的大小，來判別跳動公差的好壞。因此，耳片表面加工質(zhì)量直接影響了跳動公差的精度。通過分析可知，刀具的剛性遠強于薄壁工件的剛性，故而波導(dǎo)支架的變形量主要取決于切削力的大小。通過對立銑刀加工分析可知，隨著切削深度的加大，刀具與工件的接觸面積逐漸增大，切削力相應(yīng)增大。片銑刀由于接觸面積小，切削厚度小，因此多刃加工切削受力更加均勻。在實際加工中選用薄刃片銑刀對薄壁耳片進行試加工，如圖6所示。采用小切深分層加工，將平面度控制在0.005mm以內(nèi)，成功地解決了耳片震顫、變形的加工難題，表面加工質(zhì)量良好。

2.4 組合件四孔鏜削加工技術(shù)

（1）組合件裝夾方法

如圖7所示，加工所需的裝夾工裝經(jīng)過千分表在線檢驗，其表面直線度均在0.002mm以內(nèi)，滿足加工要求?？v向找正基準邊是組合件掉頭找正基準和對刀基準。在實際切削時，將工件按如圖7所示裝夾在工裝上。采用螺釘壓緊固定方式，裝夾過程中，觀察千分表指針變化，控制變化量在0.005mm以內(nèi)。由于工件為弱應(yīng)力裝夾，為避免加工過程中工件發(fā)生竄動，在圖7所示位置點膠。

（2）孔加工刀具選擇

波導(dǎo)支架結(jié)構(gòu)剛度差，在加工時振動磨損厲害，組合件的孔為難加工部位。普通硬質(zhì)合金刀耐磨性差，無法滿足加工要求。通過用普通硬質(zhì)合金刀片和金剛石刀片進行試切試驗比較，確定加工刀具，結(jié)果如表1所示。

表1 比較試驗結(jié)果Table 1 Comparison of the experiment results

試驗表明：采用金鋼石刀具切削綜合性能明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具，試切件尺寸經(jīng)三坐標測量儀檢測全部合格。通過豎立安裝在虎鉗上對安裝面進行臨床加工，利用千分表進行校正，橫向和豎直方向上表針跳動保證在0.002mm以內(nèi)，突破三軸加工的局限性，實現(xiàn)了掉頭鏜削加工，保證了在210mm范圍內(nèi)，相對于基準A的同軸度Ф0.02mm的圓度公差和其余各項技術(shù)指標。

（3）組合件加工方法

與單一工件的銑削加工相比，組合工件的銑削保證每個組件的加工質(zhì)量的同時，也要保證各組件按規(guī)定組合裝配后的各項技術(shù)要求。所以，應(yīng)認真分析組合工件的裝配關(guān)系，合理安排組合工件的加工順序和加工工藝。

盡可能減小因基準位移和基準不重合造成的誤差。對有形狀、位置精度要求的工件，盡可能在同一次安裝下完成。在毛坯尺寸和銑削加工條件允許的情況下，盡量一次安裝，完成各有關(guān)加工表面的加工。如在一次安裝下，外圓與端面的垂直度、孔與軸的同軸度的加工等，很容易達到圖樣的形位公差要求；否則在調(diào)頭時，必須增加用以保證形位精度的精基準、校正方法或夾具來加以補救。

3 產(chǎn)品加工質(zhì)量評價

經(jīng)過三坐標測量儀對主要技術(shù)指標進行測量，檢測結(jié)果全部符合圖紙要求，如表2所示。

表2 三坐標測量儀關(guān)鍵數(shù)據(jù)檢測結(jié)果Table 2 Key data detection results of three coordinate measuring instrument

4 結(jié)論

通過天線指向機構(gòu)的支架的加工，總結(jié)出薄壁高精度支架產(chǎn)品銑削和四孔同軸鏜削加工、低應(yīng)力裝卡方法、局部余量控制技術(shù)、多刃微應(yīng)力端銑方法等加工技術(shù)和方法。不僅解決薄壁高精度硬鋁合金材料支架產(chǎn)品制造難題，而且在其他型號天線指向機構(gòu)、光學(xué)測量載荷機構(gòu)中推廣使用，獲得了高效率、低成本的效果。

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