一種超大直徑貯箱筒段壁板銑切工裝的設(shè)計與應(yīng)用

馮憲冬 畢煌圣 李世鵬 孫世烜 焉 嵩 孔德躍 呼 嘯

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一種超大直徑貯箱筒段壁板銑切工裝的設(shè)計與應(yīng)用

馮憲冬 畢煌圣 李世鵬 孫世烜 焉 嵩 孔德躍 呼 嘯

(首都航天機械有限公司，北京 100076)

為實現(xiàn)某型號超大直徑貯箱筒段壁板內(nèi)部網(wǎng)格加強筋及外輪廓的臥式徑向銑切加工，采用分體組合式結(jié)構(gòu)及真空吸盤減振系統(tǒng)等新型設(shè)計方法研制了一種大型壁板銑切工裝，結(jié)合五軸龍門銑床實現(xiàn)了超大直徑貯箱筒段壁板產(chǎn)品加工。結(jié)果表明：該工裝采用的設(shè)計方法有效地控制了加工過程中銑切振動，保證了大型壁板類零件加工精度和加工質(zhì)量，并且可減少設(shè)備研發(fā)成本，為后續(xù)型號大型制造裝備自主研發(fā)提供技術(shù)參考。

超大直徑；貯箱筒段壁板；大型銑切工裝；分體組合結(jié)構(gòu)；減振系統(tǒng)

1 引言

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，對運載火箭的運載能力提出了更高的要求，對我國航天零部件的加工制造提出了全新的挑戰(zhàn)[1]，運載火箭燃料貯箱直徑和壁厚表現(xiàn)出了較大幅度的增大趨勢。

某型號燃料貯箱筒段直徑達10m級，由若干塊等量級直徑的鋁合金壁板拼焊而成，壁板內(nèi)部為均勻網(wǎng)格加強筋。經(jīng)研究分析，該型號貯箱筒段壁板具有超大結(jié)構(gòu)、整體剛性差、局部剛性強及網(wǎng)格分布復(fù)雜等結(jié)構(gòu)特點，其內(nèi)網(wǎng)格及外形輪廓的銑切加工須借助專用銑切工裝和五軸龍門銑床共同完成。鑒于壁板具有上述結(jié)構(gòu)特點，銑切工裝的設(shè)計制造存在較多技術(shù)難點。

2 工藝流程及難點分析

貯箱筒段制造工藝流程如圖1所示。筒段拼焊壁板由45mm厚的平板經(jīng)四軸滾彎成圓弧毛坯，檢測外徑、壁厚等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，檢測合格后的圓弧毛坯轉(zhuǎn)運至銑切工位，采用超大直徑貯箱筒段壁板銑切工裝，結(jié)合五軸龍門銑床完成壁板毛坯內(nèi)網(wǎng)格及外形輪廓的加工，最后將加工合格的壁板拼焊成超大直徑貯箱筒段。

圖1 超大直徑貯箱筒段主要加工工藝流程圖

在整個貯箱筒段加工工藝流程中，壁板銑切加工處于承上啟下的工序位置，是連接壁板滾彎與筒段拼焊的關(guān)鍵加工過程，壁板銑切加工質(zhì)量對筒段的拼焊加工影響較大。鑒于加工車間已有一臺滿足要求的龍門銑床及配套銑切平臺，還需設(shè)計一套臥式徑向銑的專用非標(biāo)銑切工裝。

超大直徑筒段壁板專用銑切工裝設(shè)計難點主要有以下兩點：

a. 超大直徑筒段壁板由厚度達45mm滾彎成形的圓弧毛坯機加而成，銑切工裝必須夾持固定住圓弧毛坯外徑，類似于一個胎具。由于毛坯及產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)規(guī)模龐大，工裝結(jié)構(gòu)規(guī)模要超出毛坯所占空間，因此工裝整體所占空間十分龐大，制造成本預(yù)計很高。如何在保證工裝主體使用可靠性及穩(wěn)定性的情況下有效降低超大結(jié)構(gòu)工裝制造成本是難點問題之一。

b. 超大直徑筒段壁板銑切加工時，壁板外緣可以通過壓板裝置加以固定，但是壁板網(wǎng)格區(qū)尤其是靠近壁板中心的區(qū)域，一般機械夾持裝置難以在固定夾緊產(chǎn)品的同時而不與銑床機頭發(fā)生干涉。且徑向銑切加工過程中易產(chǎn)生較大振動，導(dǎo)致工件加工質(zhì)量降低，對刀具和機床的使用壽命造成不良影響。為避免或減小銑切振動，加工中常被迫強制改變銑削用量，如降低銑削深度或進給速度，但這又影響了機床的加工效率，導(dǎo)致產(chǎn)品加工周期和加工成本增大[2]，尤其是對于如此龐大加工量的內(nèi)網(wǎng)格壁板零件影響較大，因此需要在工裝設(shè)計時就要充分考慮減輕壁板銑切加工中振動問題，保證加工效率與加工質(zhì)量。

3 工裝設(shè)計方案研究

3.1 總體方案概述

壁板銑切工裝與五軸龍門銑床相互配合共同完成壁板內(nèi)網(wǎng)格以及壁板輪廓余量的銑切。滾彎檢測合格后的圓弧毛坯運送至機加車間銑切設(shè)備工位，用壁板專用吊具臥式吊裝圓弧毛坯至壁板銑切工裝之上進行定位夾持，如圖2所示。壁板銑切工裝主要由分體組合式型胎、產(chǎn)品限位座、龍門跨座、真空吸盤系統(tǒng)、壓板壓塊單元及工裝吊環(huán)等組成。

1—圓弧毛坯 2—壁板銑切工裝

1—產(chǎn)品限位座 2―—龍門跨座 3―壓塊單元 4―分體組合式型胎

如圖3所示，產(chǎn)品限位座位、龍門跨座及壓板壓塊單元位于銑切工裝型胎上型面四周邊緣，主要用途為圓弧毛坯吊裝定位輔助壓緊用，是典型的機加夾具結(jié)構(gòu)，以下重點敘述本工裝的創(chuàng)新設(shè)計方案。

3.2 分體組合式型胎

1—左底座 2—中底座 3—右底座

銑切型胎用于銑切加工壁板內(nèi)網(wǎng)格和外輪廓時支撐定位圓弧毛坯，并確保精銑加工滿足產(chǎn)品圖紙要求，為后續(xù)焊接筒段打下基礎(chǔ)。由圓弧毛坯的規(guī)格尺寸決定了壁板銑切工裝的規(guī)模大小，考慮到銑切型胎的整體加工工藝性、熱處理工藝性和運輸成本等多重因素，銑切型胎設(shè)計為分體組合式，由左、中、右三部分底座構(gòu)成，壁板銑切工裝分體組合式型胎如圖4所示。

銑切型胎由左、中、右底座組成，三個底座分別采用板焊拼接而成，通過充分的時效處理后釋放焊接應(yīng)力，然后再精加工定位面及其它夾緊、真空吸盤連接孔等，以最大程度減小焊接變形的影響。

1—定位鍵 2—定位鍵緊定螺釘 3—中底座 4—左底座

分體組合式型胎的連接采用長定位鍵和十字花鍵組合定位、螺栓螺母緊固的設(shè)計方法。圖3中的I放大后如圖5所示。經(jīng)時效處理后，左底座連接端面和中底座連接端面上分別精加工兩組長定位鍵和十字花鍵槽，與非標(biāo)設(shè)計的長定位鍵和十字花鍵精密配合，最后通過若干螺栓螺母加以緊固，右底座和中底座連接形式與上述相同。這樣設(shè)計連接方式既能實現(xiàn)大型底座構(gòu)件之間精密對接，保證型胎定位面的定位精度，同時又方便拆卸組合進行熱處理和運輸，重復(fù)定位精度也能得以保證。分體組合式設(shè)計方法特別適合大型焊接結(jié)構(gòu)（3m以上）的加工制造，以本次10m級超大直徑貯箱筒段壁板銑切工裝規(guī)模為例，根據(jù)制造廠家提供的成本預(yù)估，采用分體組合式結(jié)構(gòu)比采用整體焊接式結(jié)構(gòu)加工制造及運輸成本減小30%左右。

3.3 真空吸盤系統(tǒng)

由于被加工的圓弧毛坯尺寸大且開口向上，若從零件上部設(shè)置壓緊裝置，則會與機床加工路徑干涉，因此只能從產(chǎn)品四周對其進行壓緊。但四周壓緊又無法保證零件中部區(qū)域與工裝型面的貼合精度，造成圓弧毛坯件在一種非壓緊狀態(tài)下加工，嚴(yán)重影響制造質(zhì)量。為了解決這一問題，保證產(chǎn)品加工精度及質(zhì)量，設(shè)計了真空吸盤系統(tǒng)。真空吸盤系統(tǒng)由多組陣列式真空吸盤組成，位于組合式型胎10m級內(nèi)型定位面上，如圖6所示。

圖6 銑切工裝真空吸盤系統(tǒng)分布示意圖

每個真空吸盤單元即圖3中的II視圖，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。真空吸盤、立柱與真空發(fā)生器通過密封錐管螺紋連接，按不同規(guī)格的真空發(fā)生器可實現(xiàn)不同級別的內(nèi)外壓力差，壁板銑切工裝選用的發(fā)生器可產(chǎn)生650mm汞柱壓力差，1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=0.1MPa=760mm汞柱。

1—真空吸盤 2—壁板 3—型胎內(nèi)型定位面4—吸盤立柱 5—立柱安裝基板 6—真空發(fā)生器及消聲器

每個真空吸盤的吸力為:

——吸盤有效吸附直徑；Δ——吸盤內(nèi)外壓力差；

=605.7N≈60.6kg

由計算可知，整個整列式真空吸盤系統(tǒng)可產(chǎn)生約15t的拉緊吸附力，可實現(xiàn)產(chǎn)品與工裝的貼合，滿足銑切加工裝夾要求。

同時，真空吸盤系統(tǒng)另一重要作用為減小銑切振動，其原理為振動學(xué)中的主動隔振設(shè)計[3]，如圖8所示。

F0—激振力幅值 ω—激振力圓頻率 t—時間 m1—振動體質(zhì)量 K1—固有等效彈簧剛度 C1—阻尼系數(shù) Ft—振動體振動載荷

真空吸盤系統(tǒng)相當(dāng)于一個隔振器，壁板與型胎夾持后等效于彈性支撐體，其中壁板視為振動體，型胎視為固定體，兩者之間固有等效彈簧剛度為1。真空吸盤系統(tǒng)在壁板與型胎支撐體之間形成一個較強的阻尼介質(zhì)，阻尼系數(shù)為1。在銑切過程中銑切力幅值變化為激振力0sin，F為振動體的振動載荷，F與0sin之間通過傳遞系數(shù)a產(chǎn)生關(guān)系：

a值與彈性支撐體之間的實際等效彈簧剛度呈反相關(guān)函數(shù)關(guān)系，由于真空吸盤系統(tǒng)造成的阻尼系數(shù)1介入，使支撐體之間的實際等效彈簧剛度遠遠超出其固有的等效彈簧剛度1，因此真空吸盤系統(tǒng)可顯著減小壁板與型胎支撐體之間的振動。

3.4 產(chǎn)品變形分析

壁板精銑內(nèi)網(wǎng)格時，由于使用了真空吸盤系統(tǒng)使壁板外圓周面緊緊貼合于銑切工裝型胎面上，每個吸盤有60kg吸力作用于壁板之上，每一列有12個真空吸盤單元，如果壁板在吸盤吸力的作用下發(fā)生的彈性變形太大，則精銑加工完成后，撤掉真空吸盤吸力，產(chǎn)品發(fā)生回彈后加工精度則不能滿足設(shè)計規(guī)定的要求（彈性變形小于0.2mm），因此需對壁板精銑時在吸力作用下的變形進行分析校核。

3.4.1 建立簡化受力模型

以位于中間一列真空吸盤作用的壁板區(qū)域為研究對象，真空吸盤位于中心施加載荷相當(dāng)于一個均布力，分布于兩個型胎支撐面之間，受力模型如圖9所示。

圖9 壁板簡化受力模型

3.4.2 分析變形

圖10 壁板受力變形

將零件導(dǎo)入到CATIA ANALYSIS有限元分析軟件模塊[4]，按照上一步設(shè)定邊界條件和受力載荷，計算壁板中心最大變形，結(jié)果如圖10所示。經(jīng)有限元分析計算，壁板受真空吸盤吸力最大變形Δ=0.02mm，遠遠小于設(shè)計規(guī)定的彈性變形要求。

綜上所述，真空吸盤系統(tǒng)一方面解決了工裝與機床加工路徑干涉的問題，保證產(chǎn)品貼胎確保加工精度，另一方面減小了壁板精銑內(nèi)網(wǎng)格時銑切振動問題，進一步保證了銑切加工質(zhì)量。

4 實施效果

工裝在機加車間組裝調(diào)試完畢后進行了超大直徑筒段壁板的銑切加工，將圓弧毛坯裝夾于銑切型胎上，開通真空吸盤氣站吸附壁板貼胎，基于產(chǎn)品的特征分析，在平衡零件的殘余應(yīng)力、加工變形，保證零件質(zhì)量的同時，為提高加工效率，零件的加工工序分解為：減輕孔加工、網(wǎng)格粗加工、網(wǎng)格半精加工、網(wǎng)格厚度數(shù)據(jù)采樣、網(wǎng)格精加工等工藝過程，現(xiàn)場加工如圖11所示。

圖11 壁板銑切加工

整體加工過程中無明顯振動現(xiàn)象，壁板銑切完成后檢測壁板銑切表面質(zhì)量、縱縫焊接區(qū)壁厚、網(wǎng)格加強筋厚、網(wǎng)格底壁厚等關(guān)鍵參數(shù)均滿足產(chǎn)品加工要求。銑切后的壁板（見圖12）已完成了10m級貯箱筒段縱縫的焊接，充分驗證了本文提出的超大直徑貯箱筒段壁板銑切工裝設(shè)計方法的先進性和可靠性。

圖12 交付合格銑切壁板

5 結(jié)束語

隨著運載型號運載能力和結(jié)構(gòu)規(guī)模的增大，用于型號產(chǎn)品制造的非標(biāo)裝備設(shè)計難度和加工成本也隨之?dāng)U大。針對某型號超大直徑貯箱筒段壁板內(nèi)網(wǎng)格及外形輪廓的銑切加工工裝設(shè)計難點，本文提出了一種面向航天超大結(jié)構(gòu)壁板類零件銑切工裝的設(shè)計方案，通過采用分體組合式結(jié)構(gòu)及真空吸盤減振系統(tǒng)設(shè)計方法，一方面有效降低了大型非標(biāo)裝備的制造成本，另一方面實現(xiàn)了超大直徑貯箱筒段壁板穩(wěn)定可靠高效加工，為后續(xù)大型裝備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了技術(shù)參考。

1 劉欣，王國慶，李曙光，等. 重型運載火箭關(guān)鍵制造技術(shù)發(fā)展展望[J]. 航天制造技術(shù)，2013(1)：1～6

2 陳勇，劉雄偉，俞鐵岳. 立銑加工切削力和振動的計算機仿真與實驗[J].華僑大學(xué)學(xué)報，2006(27)：71～75

3 成大先. 機械設(shè)計手冊第5卷[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002

4 張云杰，胡海龍，喬建軍. CATIA V5 R20高級應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2011

Design and Application of A Milling Fixture for Wallboards of Super-large Diameter Tank Tubes

Feng Xiandong Bi Huangsheng Li Shipeng Sun Shixuan Yan Song Kong Deyue Hu Xiao

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

To accomplish horizontal radial milling of the inner mesh stiffeners and the external contours of the wallboards which are welded to form tubes of the super-large diameter tank in one launch vehicle, a large-scale fixture is designed by adopting aseparated structure and a system of vacuum chuck device. The milling work of the super-large diameter wallboards above has been successfully completed by using this large milling fixture and a five-axis planer milling machine. The results show that the design method of this fixture reduces vibration significantly during the milling process and the machining precision and quality of the super-large diameter wallboards is ensured. In addition, the design method of separated structure for large-scale equipment can reducedevelopment costs obviously, which could provide technical reference to large manufacturing equipment development.

super-large diameter；wallboard of tank tube；large-scale milling fixture；separated structure；anti- vibration system

馮憲冬（1964），工程師，機械設(shè)計專業(yè)；研究方向：非標(biāo)工藝裝備設(shè)計。

2017-07-12