復(fù)合材料發(fā)射箱箱體加工技術(shù)研究

龔菊賢 王鈺奉 王 蔚 連愛珍 胡偉春

(上海航天設(shè)備制造總廠有限公司,上海 200245)

文 摘 針對某型號武器復(fù)合材料發(fā)射箱箱體機加工過程中由于工件剛度差、易變形，導(dǎo)致的加工尺寸超差及質(zhì)量缺陷(如毛刺、分層、崩邊)等問題，開展發(fā)射箱機械加工技術(shù)研究和工藝優(yōu)化。實驗結(jié)果表明：通過合理設(shè)計發(fā)射箱裝夾定位方式，優(yōu)化加工刀具及工藝參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對加工缺陷的有效控制，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量；通過對箱體不同工序、工步進行優(yōu)化，統(tǒng)籌安排管理，將發(fā)射箱單件加工時間從100 h降到46 h，生產(chǎn)效率提高54%，大幅降低了生產(chǎn)成本。

0 引言

某型號貯運發(fā)射箱箱體為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，具有提高導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)的裝填速度、縮短發(fā)射準(zhǔn)備時間、改善導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的應(yīng)急反應(yīng)能力等優(yōu)點，在我國艦載導(dǎo)彈武器發(fā)射系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文主要研究復(fù)合材料發(fā)射箱箱體機加工過程中由于工件剛度差、易變形，導(dǎo)致的加工尺寸超差及質(zhì)量缺陷(如毛刺、分層、崩邊)等問題，開展發(fā)射箱機械加工技術(shù)研究和工藝優(yōu)化。

1 箱體結(jié)構(gòu)簡介

箱體組件結(jié)構(gòu)為長方體中空結(jié)構(gòu)，主要由本體、25根環(huán)筋肋骨和前后法蘭組成，其中本體由整體成型工藝制備，主要材料是玻璃纖維增強復(fù)合材料(俗

稱玻璃鋼)，內(nèi)膽表面涂覆厚度約2～3 mm的玻璃纖維耐燒蝕層。環(huán)筋肋骨、前后法蘭分別通過膠接工藝與本體成型為一體。

箱體機械加工的主要內(nèi)容為：三個機構(gòu)艙窗口、三個機構(gòu)艙平面、三個機構(gòu)艙處螺紋底孔Φ12 mm、導(dǎo)軌座Φ140 mm圓孔(兩處)、導(dǎo)軌座十字孔、導(dǎo)軌座凹面、前后法蘭外輪廓(6處)、支撐框外輪廓(6處)、箱體側(cè)面充氣閥口(A向)、導(dǎo)軌座Φ6.3 mm孔及圓平面、箱體正面充氣閥口、箱體正面導(dǎo)管孔、機構(gòu)艙窗口、機構(gòu)艙平面、機構(gòu)艙螺紋底孔Φ12 mm、導(dǎo)管孔、前后法蘭輪廓(各一處)、支撐框外輪廓(各一處)、后法蘭增厚區(qū)凹面、前后法蘭端面、后法蘭背面、后法蘭4個舵軌尺寸。具體如圖1所示。

圖1 發(fā)射箱箱體機械加工內(nèi)容Fig.1 Machining content of launcher container

2 加工難點分析

2.1 裝夾及定位基準(zhǔn)的確定

發(fā)射箱箱體采用手工鋪層/熱壓罐成型工藝制成，為典型的薄壁非等厚結(jié)構(gòu)，本體基本尺寸為500 mm×500 mm×5 080 mm，最薄處厚度僅為8.4 mm，除前后法蘭為規(guī)則的方形結(jié)構(gòu)，箱體中部外形為不規(guī)則弧面形狀。箱體機加工過程中的裝夾及定位基準(zhǔn)選擇對加工質(zhì)量有重要影響。

(1)箱體側(cè)壁為薄壁結(jié)構(gòu)，同時箱體長度長達(dá)5 m，箱體結(jié)構(gòu)剛性差，為避免箱體整體變形反彈，箱體本體(除前后法蘭處)表面不能搭壓板。加工過程中工件容易發(fā)生振動及位移，甚至發(fā)生變形，造成加工基準(zhǔn)的缺失。

(2)不同批次的箱體之間，甚至同一箱體在翻身加工過程中，其尺寸結(jié)構(gòu)的一致性均難以保證，因此需針對發(fā)射箱進行逐個，甚至逐面的加工基準(zhǔn)的確定，基于此才能有效保證加工精度。

(3)由于發(fā)射箱壁厚的無規(guī)律性，對于實現(xiàn)加工余量的確定及控制，需將單一發(fā)射箱的特異性、加工參數(shù)的選擇及加工過程的實時檢測相統(tǒng)一，系統(tǒng)進行分析。

2.2 復(fù)合材料加工缺陷控制

發(fā)射箱箱體材料為玻璃纖維增強復(fù)合材料，基體為環(huán)氧樹脂，該復(fù)合材料的機加工有兩方面困難。

(1)由于復(fù)合材料獨特的各項異性和非均勻性，層間剪切強度低，導(dǎo)致其在機械加工過程中極易出現(xiàn)諸如撕裂、分層、毛刺、崩邊等缺陷[5-6]。

(2)復(fù)合材料屬于難加工材料，而玻璃纖維屬于硬脆性材料，且為熱絕緣體，熱導(dǎo)率小，僅為鋼料的1/175 ～1/450，其較高的耐磨性會造成刀具后刀面的迅速磨損，進而造成刀具的失效，切削區(qū)域產(chǎn)生很高的切削熱，加工時熱量不易傳出，樹脂軟化產(chǎn)生糊刀現(xiàn)象，且加工質(zhì)量差，粉塵污染嚴(yán)重。

事實上，相當(dāng)比例的加工缺陷均是由于刀具磨損造成的，因此需針對不同刀具材料進行復(fù)合材料切削性預(yù)研試驗，對象材料包括高速鋼(HSS)，硬質(zhì)合金，涂層刀具(包括TiAlN涂層、TiN涂層、Al2O3涂層、金剛石涂層、DLC涂層等等)，陶瓷刀具，CBN/PCBN刀具，PCD刀具等等[1-2]。更為重要的一點在于需建立科學(xué)的刀具磨損檢測及記錄方案，實時監(jiān)測刀具磨損過程。國內(nèi)外對復(fù)合材料的加工技術(shù)研究大多集中于鉆削技術(shù)的研究，如歐洲的空客公司、美國的波音公司，國內(nèi)的大連理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、沈陽理工大學(xué)等對復(fù)合材料的加工機理和加工工藝進行了深刻的研究，對復(fù)合材料的刀具研制，加工試驗，有限元仿真等技術(shù)做了深層次的理論研究。

張秀麗等對高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料進行了銑削加工試驗，考察了銑削參數(shù)和加工表面分層破壞之間的關(guān)系[3]。S.ARUL 選用碳化鎢(WC)硬質(zhì)合金鉆頭、氮化鈦(TiN)涂層高速鋼鉆頭、高速鋼(HSS)鉆頭鉆削 GFRP 材料，研究了刀具材料對鉆削軸向力的影響[11]。J.RAMKUMAR等人采用了振動切削技術(shù)研究玻璃纖維夾層復(fù)合材料鉆削技術(shù)[11-12]。J.PAULO DAVIM等研究了主軸轉(zhuǎn)速和進給速度對復(fù)合材料加工[4]。

大連理工大學(xué)的高航教授針對某40Cr Ni Mo A/玻璃纖維增強塑料(GFRP)航空疊層復(fù)合材料構(gòu)件連接孔的制孔質(zhì)量差和加工效率低的問題,提出了超聲振動輔助螺旋銑削制孔新工藝[11]。

3 加工工藝優(yōu)化

3.1 裝夾方式和加工基準(zhǔn)的選擇

在設(shè)計加工裝夾方式時，需根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和材料合理設(shè)置著力點及壓緊點，一方面要保證箱體加工時，不會產(chǎn)生振動及變形，另一方面減少箱體翻轉(zhuǎn)裝夾的次數(shù)。經(jīng)驗證，裝夾位置處于較為規(guī)則的前后法蘭輪廓處，可以有效地避免切削加工過程中的振動。同時，為避免加工各窗口時，箱體產(chǎn)生振動和剛性不足的問題，在相應(yīng)窗口的箱體底部用千斤頂支撐。具體裝夾方式如圖2所示。

圖2 箱體裝夾方式Fig.2 Clamping method of container

加工基準(zhǔn)主要有人工劃制和機床劃制兩種方式。在箱體機加工前，設(shè)置“劃制加工基準(zhǔn)”工序，傳統(tǒng)的人工劃制由鉗工在廠房內(nèi)的平臺上進行，以導(dǎo)軌座作為箱體調(diào)平基準(zhǔn)，確定水平中心線，同時檢查確認(rèn)該中心線是在舵軌的中心處，以水平中心與舵軌中心的交點為測量基準(zhǔn)點，對中劃分垂直中心線，然后將水平和垂直中心線引至箱體四周，作為機床加工前的校正基準(zhǔn)，人工調(diào)平箱體難度大，時間長，上機床后，需重新調(diào)整中心，且與鉗工所劃的中心線存在較大誤差。改進的機床劃制方式直接由機床進行找正中心，提高劃線的準(zhǔn)確性，并降低了人工操作的風(fēng)險，縮短了生產(chǎn)周期。

3.2 加工刀具和切削參數(shù)的選擇

各向異性、非均質(zhì)、層間強度低是纖維增強樹脂基復(fù)合材料的固有特性[3]，刀具在與纖維和樹脂交替作用下形成切削，去除過程極為復(fù)雜，同時，纖維與樹脂在性能上的巨大差異也使去除材料的宏/細(xì)觀形態(tài)演變極為復(fù)雜。根據(jù)加工情況，以加工質(zhì)量(粗糙度、缺陷)、刀具耐磨性、加工材料去除率為考核指標(biāo)，進行多規(guī)格孔系專用刀具性能的試驗研究。分別針對不同小孔徑，試驗研究硬質(zhì)合金刀具、多刃微切削金剛石磨料制孔刀具和PCD制孔刀具的加工性能、刀具耐磨性試驗。經(jīng)試驗，此種材料的加工特點是刀具磨損高，切削產(chǎn)生的熱量大。選用耐磨性好、切削效率高的金剛石涂層刀具作為主要切削刀具加工玻璃鋼，以此降低刀具損耗，提高加工質(zhì)量。選用的刀具及加工區(qū)域如下表1所示。

表1 箱體加工刀具

切削參數(shù)的合理選擇，影響加工質(zhì)量和加工效率。切削參數(shù)中，切削速度v對切削溫度的影響最高，進給量f次之，被吃刀量ap最小。切削速度越快，加工表面質(zhì)量越好，但隨著切削速度的增加，切削溫度隨之上升，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，換刀頻率增大。進給量越大，加工效率越高，但進給量太大，會導(dǎo)致加工表面質(zhì)量下降。背吃刀量增大，切削效率提高，但隨著被吃刀量的增大，切削力明顯增大，工件振動明顯，加工表面質(zhì)量下降。經(jīng)過多次切削試驗，銑削時選用切削速度約為40 m/min，選用進給量約為0.4 mm/r，選用被吃刀量約為0.3 mm較為合適。

3.3 工藝方法的優(yōu)化

3.3.1優(yōu)化裝夾方式及加工順序

箱體加工采用濟南二機床集團有限公司生產(chǎn)的XK2425×60數(shù)控定梁龍門鏜銑床，其臺面尺寸為2.5 m×6 m，行程為6 m。改進前，機床上放置1只箱體，如圖3(a)所示。整個加工過程，箱體需要翻轉(zhuǎn)2次，角尺頭需要調(diào)換3次。箱體底部有三個窗口，每個窗口的加工需使用三種不同的刀具，按窗口的加工順序，共需換刀九次，單只箱體加工時間為80 h。

通過工藝優(yōu)化，合理布置箱體在龍門銑床上的位置，可以同時放置2只箱體，如圖3(b)所示。2只箱體同時加工，同時翻轉(zhuǎn)，可以減少換刀次數(shù)和角尺頭調(diào)換次數(shù)。另外，為了減少換刀頻率，提高加工效率，將同一種刀具的加工內(nèi)容合并，即按窗口相同加工內(nèi)容的順序，換刀三次即可將三個窗口加工完畢，兩只箱體加工時間為90 h，約合單只箱體45 h。

圖3 箱體裝夾加工改進前后對比Fig.3 Clamping and machining mothod of two container

因此，2只箱體同時加工，合并相同的加工內(nèi)容，減少換刀和換角尺頭頻次，使單只箱體總的加工周期縮短35 h。

3.3.2合理分配長度余量，減少舵軌端面加工

舵軌端面與法蘭端面有尺寸要求，改進前平均分配總長加工余量，因此每次都需加工舵軌端面，以保證舵軌端面與法蘭端面的距離，加工時間為8 h。為了降低加工周期，合理安排箱體兩端的加工余量，不實行平均分配總長加工余量。改進后舵軌端面不再加工，一端法蘭厚度也不需加工，節(jié)約加工時間8 h。

3.3.3工藝方法改進

在加工法蘭面兩側(cè)及R20 mm時，側(cè)面的加工余量與R20 mm圓角處的加工余量不同，加工到法蘭側(cè)面時，圓角處的余量較大，易使箱體產(chǎn)生振動和移動，影響產(chǎn)品質(zhì)量。然而加工到圓角時卻未加工到法蘭面兩側(cè)，導(dǎo)致空行程較多，影響加工周期，單只箱體前后法蘭兩側(cè)加工共需時間12 h。改為先由鉗工手工打磨圓角至R25 mm，再上機床進行銑加工，僅需粗精加工就完成法蘭面兩側(cè)及圓角R20 mm，鉗工打磨和機加工共需時間1 h，既避免了質(zhì)量隱患，又提高了加工效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。通過此改進節(jié)約加工時間11 h。

綜上所述，優(yōu)化前單件總加工時間為100 h，優(yōu)化后單件總加工時間為46 h，加工效率提高了54%。

4 結(jié)論

本文針對復(fù)合材料發(fā)射箱箱體特點，分析了機加工過程的難點，針對難點制定了合理的加工工藝，經(jīng)過長時間的摸索，進行工藝優(yōu)化，制訂了一套加工玻璃纖維復(fù)合材料箱體的刀具和加工參數(shù)，減少了分層、毛刺、孔口撕裂的缺陷，提高了加工質(zhì)量，生產(chǎn)周期也由優(yōu)化前的100 h降到了現(xiàn)在的46 h。加工效率提高了54%，顯著降低了加工成本。