一種波紋喇叭的加工工藝研究與實(shí)施

王戰(zhàn)中，馬嘉恒，趙永盼，張明亮，孫國(guó)翔

（1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050043；2.河北創(chuàng)聯(lián)機(jī)械制造有限公司，石家莊 052161）

0 引言

近年來(lái)國(guó)外在射電天文、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用波紋喇叭作為天線的初級(jí)饋源，用于改善面天線的效率與交叉極化分量，但波紋喇叭不但空間幾何形狀復(fù)雜，且尺寸精度、幾何精度和表面粗糙度要求都十分高；加之應(yīng)用場(chǎng)合的限制，使其在選材上也較特殊。而對(duì)于內(nèi)型復(fù)雜的波紋喇叭的制造，采用常規(guī)的機(jī)加工工藝則會(huì)使加工的過(guò)程變得困難，增加企業(yè)制造成本。

在此以一種新型波紋喇叭為研究對(duì)象，從工藝方法分析與仿真入手，結(jié)合數(shù)控加工仿真及實(shí)踐加工實(shí)現(xiàn)了特殊波紋喇叭的加工。

1 工藝特點(diǎn)分析

1.1 零件主要參數(shù)

零件名稱：SKABAND5A OMT主體；

零件材質(zhì)：鋁棒-GB/T3191-2010；

零件外形尺寸：177.33mm×?78mm；

材料抗拉強(qiáng)度：90 Rm/MPa；

內(nèi)部曲線公式：

1.2 零件毛坯與材料

此種波紋喇叭的材料為3A21鋁合金，系鋁錳合金。這種材料耐腐蝕、密度低、質(zhì)量輕、導(dǎo)電性良好，常常用作比較重要的零件。其化學(xué)成分如表1所示。

表1 鋁合金成分

1.3 加工難點(diǎn)分析

圖1為SKA波紋喇叭零件的三維模型及工程圖。

圖1 零件工程圖及三維模型

1）零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)為不規(guī)則曲面，且內(nèi)部筋板加工精度與表面粗糙度要求較高。

2）零件前部存在直徑為0.8mm的長(zhǎng)徑比大于10的深孔，較難加工。

3）零件前端存在兩個(gè)方形插口，加工困難且精度要求高。

綜上，加工本零件以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的難度大。尤其內(nèi)部存在四條不規(guī)則曲面組成的筋板，對(duì)其加工時(shí)，使用常規(guī)的切削加工方法，即使對(duì)刀具與設(shè)備提出很高的要求也很難完成此工件的加工任務(wù)，因此需要設(shè)計(jì)一套合理的加工工藝。

2 加工工藝分析與確定

零件內(nèi)部筋板的加工，是波紋喇叭生產(chǎn)過(guò)程中最重要的工序之一，其加工精度與表面粗糙度直接影響著波紋喇叭的靈敏度與反射損耗的高低。因此在制定內(nèi)部筋板加工工序時(shí)不僅要綜合加工設(shè)備、刀具、工藝參數(shù)等方面因素，同時(shí)要詳細(xì)分析多種方案的利弊，進(jìn)而選擇一種最優(yōu)方案。目前國(guó)內(nèi)在制訂波紋喇叭內(nèi)型加工工序時(shí)多采用微電鑄工藝，但針對(duì)此種特制波紋喇叭在采用微電鑄方法時(shí)，需要先制作芯模并對(duì)芯模進(jìn)行精密加工，再經(jīng)過(guò)表面處理及電鑄等一系列復(fù)雜工序才可使用。隨著內(nèi)腔波紋結(jié)構(gòu)筋板間隙的減小，芯模加工與電鑄的難度將增加；且鋁芯只能使用一次，使用率較低[1]。

鑒于前期投入成本較大、質(zhì)量難以保證，且目前此波紋喇叭結(jié)構(gòu)在芯模加工、微電鑄方面均沒(méi)有具體成熟的工程經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大，因此不采用。

綜上，考慮企業(yè)設(shè)備及實(shí)際情況，采用一種分塊加工-組合裝配的工藝來(lái)完成波紋喇叭的加工。此方案不同于以往的加工方案，充分把難以加工的部件拆解為兩大部分即主體與筋板。零件加工過(guò)程共分為三個(gè)階段，即主體的外圓與內(nèi)孔加工、筋板加工、安裝槽加工。

該零件外形為典型回轉(zhuǎn)體，不僅整體尺寸偏小，且各部位加工精度要求較高，因此在設(shè)計(jì)加工工藝時(shí)，加工基準(zhǔn)的選擇應(yīng)遵循基準(zhǔn)重合原則，減少因多次裝夾與尺寸換算產(chǎn)生的誤差。之后對(duì)零件進(jìn)行拆解，設(shè)計(jì)工藝流程如表2所示。

表2 加工工藝路線

3 工藝難點(diǎn)

3.1 筋板加工措施

筋板加工精度、表面粗糙度要求較高，而如何對(duì)其進(jìn)行裝夾是直接影響加工精度的重要因素之一。工件在不受任何約束的情況下，在空間具有6個(gè)自由度，如圖2所示。

圖2 工件空間自由度示意圖

要使工件能達(dá)到設(shè)計(jì)圖校上的各項(xiàng)尺寸與形位精度，工件在加工過(guò)程中就必須能在正確的位置上定位，并在加工過(guò)程中保持這個(gè)位置不變；為使工件具有正確的加工位置，需約束其6個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)工件的完全定位[2]。筋板為鋁質(zhì)材質(zhì)，在加工中無(wú)法使用常規(guī)電磁吸盤對(duì)其進(jìn)行吸附，而使用精密平口鉗進(jìn)行裝夾難以避免夾緊形變；尤其在對(duì)筋板上下平面進(jìn)行高速銑削時(shí)，筋板厚度僅為3.18mm，屬于薄板件，由于夾緊力的存在而在加工過(guò)程中易產(chǎn)生鼓型形變，難以保證厚度方向0.01mm的公差要求。因此為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，在筋板加工時(shí)選用真空吸盤進(jìn)行裝夾，依靠真空吸力與摩擦力限制工件6個(gè)自由度，把工件吸附在吸盤上，使橫向夾緊力轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向吸附力，進(jìn)而提升了加工的穩(wěn)定性與精度。

通過(guò)UG軟件高級(jí)仿真模塊建立筋板裝夾受力模型；進(jìn)行裝夾受力仿真分析，其結(jié)果如圖3所示。

由仿真分析結(jié)果可得：

1）使用精密平口鉗裝夾，會(huì)使零件產(chǎn)生大于0.04mm的鼓型形變，超過(guò)裝配公差要求。

2）工件采用真空吸盤進(jìn)行裝夾時(shí)，形變量?jī)H有低于0.0009mm左右的鼓型形變，滿足裝配公差要求。

3.2 深孔加工

3.2.1 深孔加工措施

圖3 工件裝夾受力分析

另外一個(gè)加工難點(diǎn)是直徑為0.8mm且長(zhǎng)徑比大于10的深孔加工。合理的加工工藝的確定是保證精度、提升加工效率的關(guān)鍵。由于孔徑小、精度要求高，使用鉆頭粗鉆-鏜刀精鏜的工藝路線會(huì)面臨鏜刀過(guò)大，難以對(duì)加工部位進(jìn)行精加工的技術(shù)難題，因此不使用?？状嬖谟谕鈭A表面處，普通鉆頭切入時(shí)，容易產(chǎn)生偏移；并且孔深較長(zhǎng)，導(dǎo)致加工使用鉆頭的長(zhǎng)度與直徑比較大，剛性不足，極易使鉆頭折斷、孔的尺寸超差；而且深孔并非作為單獨(dú)的細(xì)長(zhǎng)孔存在，而是與其他深孔相交，形成孔網(wǎng)，常規(guī)鉆頭在進(jìn)行加工時(shí)，易在加工中產(chǎn)生鋁屑的斷屑現(xiàn)象，從而造成鉆頭在加工中產(chǎn)生偏移。

使用電火花進(jìn)行加工會(huì)在加工表面形成一層硬化層，導(dǎo)致內(nèi)孔表面粗糙度過(guò)大、加工精度不足；且電火花加工深孔常會(huì)出現(xiàn)孔徑帶錐度現(xiàn)象，影響裝配精度[3]。在此不采用。

為了避免出現(xiàn)以上問(wèn)題，深孔加工選用加工中心且采用多刀柄、分層深度切削，加工孔徑深度的30%；最后通過(guò)高精度、全閉環(huán)加工中心攻鉆以達(dá)到最終尺寸，鉆孔刀具采用德國(guó)瓦爾特槍鉆[4]進(jìn)行加工，并遵循先淺后深、先引后鉆的原則。

在鉆孔過(guò)程中，由于各刀具直徑均較小，因此除鉸刀、絲錐、锪鉆外其余刀具均采用G83步進(jìn)鉆孔循環(huán)的方法；但編程使用G83 Z R Q模式時(shí)，在每次退刀后都將從R平面開始加工，增加非切削行程、加速刀具磨損、降低加工效率。因此編程時(shí)采用G83 Z I J K R模式，讓刀具退至R平面后，快速進(jìn)給至接近上次切削深度的位置再進(jìn)行切削，這校既可以起到排屑與冷卻刀具的作用又可以減少空行程距離，從而避免加工中刀具因高溫和切屑的干擾發(fā)生斷裂和燒死現(xiàn)象、提升加工效率。在加工中具體采取如下工藝步驟：

1）采用D3為?1.6mm硬質(zhì)合金锪鉆，垂直于孔平面，锪平面槽，為后續(xù)深孔加工引正鉆頭做準(zhǔn)備。

2）采用中心鉆鉆中心孔。

3）采用?1.6mm硬質(zhì)合金鉆頭，加工?2.1、M2及M2.5底孔。

4）采用?2mm合金鉆頭，擴(kuò)?2.1孔及M2.5底孔。

5）采用?1.75mm合金鉆頭，擴(kuò)M2低孔。

6）采用?2.2mm鉸刀絞M2.5底孔。

7）采用?2.1mmH7鉸刀，鉸?2.1孔。

8）采用?0.8mmH7瓦爾特鉆頭加工?0.8mm深孔。

9）各螺紋孔攻絲。

3.2.2 深孔加工仿真平臺(tái)搭建及驗(yàn)證

深孔加工刀具使用較多、工序復(fù)雜，為保證深孔加工過(guò)程的安全性、精確性并防止刀具在深孔加工時(shí)與工件產(chǎn)生干涉，依據(jù)Chrion車銑復(fù)合加工中心的尺寸鏈，導(dǎo)入機(jī)床各工作部件并設(shè)置好各軸行程，配置Fanuc-150im型號(hào)的控制系統(tǒng)。將此工序使用Unigraphics NX編程所得到的數(shù)控G代碼導(dǎo)入Vericut中并設(shè)置仿真參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，建立機(jī)床虛擬仿真切削模型，以檢查程序、刀具、工裝夾具的正確性[5,6]。經(jīng)驗(yàn)證，無(wú)碰撞及干涉現(xiàn)象發(fā)生；并與零件3D模型進(jìn)行對(duì)比顯示最大殘余余量為0.0012mm，滿足加工要求，其仿真過(guò)程示意圖如圖4所示。

4 實(shí)踐加工

最后選用?80×212的3A21型號(hào)鋁合金作為毛坯，使用本工藝對(duì)該零件進(jìn)行加工。

4.1 加工前的準(zhǔn)備工作

圖4 仿真過(guò)程示意圖

除硬件準(zhǔn)備外，重點(diǎn)做CAM加工程序的輸出及零件編程坐標(biāo)的設(shè)置。通過(guò)Unigraphics NX軟件進(jìn)行CAM編程并通過(guò)選擇合適的Postprocessing后處理把程序數(shù)據(jù)輸出成機(jī)床能讀取的G代碼格式并通過(guò)RS232接口或USB接口傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床中，詳細(xì)檢查程序的正誤，最后進(jìn)行試加工。由于在Vericut中，將裝夾好的毛坯右端面（零件小端）與軸線的交點(diǎn)設(shè)為工件編程原點(diǎn)，建立工件坐標(biāo)系，因此應(yīng)用對(duì)刀儀測(cè)量工件編程原點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)值并將坐標(biāo)值輸入到機(jī)床G54坐標(biāo)系下，以確保仿真時(shí)所使用的工作坐標(biāo)系與實(shí)際加工使用的絕對(duì)坐標(biāo)系重合。

4.2 零件加工

根據(jù)上文分析的加工方案，首先利用機(jī)加車間的相關(guān)機(jī)加設(shè)備完成相應(yīng)零件的加工，然后進(jìn)行裝配，最后進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示關(guān)鍵尺寸的最大加工誤差為0.008mm，滿足加工要求，至此完成零件的實(shí)際加工。實(shí)際零件加工效果如圖5所示。

圖5 實(shí)際加工效果

5 結(jié)論

根據(jù)波紋喇叭的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱與工藝難點(diǎn)分析，提出了一種“分塊加工-組合裝配”的工藝方案，其中借助UG高級(jí)仿真-有限元分析模塊與Vericut-虛擬切削模塊進(jìn)行了分析與仿真，提升了工藝信心。最終實(shí)踐加工顯示，零件精度及性能滿足要求。驗(yàn)證了所提工藝方案的正確性，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)此種波紋喇叭加工工藝的空白，解決了非回轉(zhuǎn)型波紋喇叭加工的工藝難題，為此類波紋喇叭的加工工藝研究提供了參考價(jià)值。