航天飛航鑄造油箱艙段類產(chǎn)品快速精確找正方法研究

王波 劉玉平 董李揚(yáng)

【摘 要】文章針對目前航天飛航典型鑄造油箱艙段類產(chǎn)品在找正過程中存在時間長、誤差大的難點(diǎn)，通過使用三維掃描技術(shù)與目前鉗工劃線找正方法相結(jié)合，從而提高找正劃線的精度，提高此類油箱的制造效率。

【關(guān)鍵詞】鑄造油箱艙段;劃線;三維掃描

【中圖分類號】TG249.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）11-0050-03

0 引言

隨著技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求的不斷提高，導(dǎo)彈武器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，而彈體艙段中又以油箱艙復(fù)雜程度最大：一方面，導(dǎo)彈射程增大，載油率要求提高，對油箱容積的要求不斷提升;另一方面，全彈結(jié)構(gòu)緊湊程度越來越高，為了安裝彈上器件，經(jīng)常將油箱位置擠壓到非規(guī)則部位。因此，原來以規(guī)則艙體形式出現(xiàn)的油箱艙變成“插空”安置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，尤其是對于壁厚為2～4 mm的薄壁類油箱，結(jié)構(gòu)形式更復(fù)雜。

這類復(fù)雜鑄造油箱艙段在機(jī)械加工時找正困難，以傳統(tǒng)的劃線方法找正，不僅耗時長且精度較低，常常因找正不準(zhǔn)確導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，因此需要引進(jìn)新方法對鑄造油箱艙段進(jìn)行精確的快速找正，突破該類艙段精確劃線找正難點(diǎn)，提高此類產(chǎn)品的制造效率及合格率[1-2]。

1 制造指標(biāo)及難點(diǎn)分析

典型的航天飛航鑄造油箱艙段均為鑄鋁材料，外表面壁厚要求為2～2.2 mm，壁厚可正向超差（厚度加大），但產(chǎn)品加工完成后，重量不能超過理論重量的5%。

這類產(chǎn)品加工工藝方案一般為鑄造→T6熱處理→劃線→粗加工→劃線→精加工，鑄造并經(jīng)熱處理T6強(qiáng)化后，其內(nèi)壁形狀已發(fā)生改變，原鑄造留量已消失或局部留量變大，因?yàn)閮?nèi)腔深度大，其內(nèi)部形面無法加工，所以只加工有配合要求的特征。同時，受制于重量指標(biāo)的限制，鑄造時內(nèi)腔內(nèi)形面留量一般為0.5～1 mm，其壁厚尺寸則由已加工的外形形面與鑄造內(nèi)形形面組成，壁厚控制難度大，常在機(jī)械加工過程中發(fā)現(xiàn)鑄件局部不能滿足要求而發(fā)生報(bào)廢。有些報(bào)廢產(chǎn)品是鑄件本身形面發(fā)生偏離造成的報(bào)廢，還有些產(chǎn)品則是加工基準(zhǔn)選擇不準(zhǔn)確導(dǎo)致壁厚超差而報(bào)廢的，因此機(jī)械加工前的劃線確定加工基準(zhǔn)是鑄造油箱艙段加工過程中的關(guān)鍵步驟，也是目前生產(chǎn)中的技術(shù)難點(diǎn)。

2 劃線方案分析

典型的鑄造油箱艙段劃線方法比較單一，通常使用內(nèi)腔形面中的關(guān)鍵特征作為劃線基準(zhǔn)，將內(nèi)形關(guān)鍵特征形面線返到艙段外形面上，作為外形加工基準(zhǔn)進(jìn)行留量加工，加工完成后測量外形壁厚數(shù)據(jù)，再進(jìn)行一次借量劃線并進(jìn)行精加工[3-4]。這種方法因不能全局照顧內(nèi)形型面與外形型面貼合度而導(dǎo)致加工過程中壁薄情況的發(fā)生，影響了產(chǎn)品合格率，且不能及時判斷鑄造產(chǎn)品是否合格，只能通過粗加工進(jìn)行判斷，從而浪費(fèi)了巨大的機(jī)械加工資源。以典型的航天飛航油箱艙段前艙前段（如圖1所示）為例，產(chǎn)品合格率僅為70%，余下30%的報(bào)廢品中有以下4種情況。①7%～10%的產(chǎn)品是在劃線時判斷內(nèi)腔形面嚴(yán)重偏離而直接報(bào)廢。②20%左右的產(chǎn)品是在劃線時判斷存在報(bào)廢風(fēng)險，但因劃線精度限制不能完全相信劃線的準(zhǔn)確性，需要通過粗加工進(jìn)一步判斷是否報(bào)廢，經(jīng)統(tǒng)計(jì)這部分產(chǎn)品最終有約25%可加工出滿足要求的產(chǎn)品，其余則在粗加工完成后報(bào)廢。③7%～8%的產(chǎn)品是在精加工過程中發(fā)現(xiàn)外形形面已加工完，在加工形面上特征（比如凹臺、鉆孔等粗加工不能進(jìn)行加工驗(yàn)證的特征）發(fā)現(xiàn)壁厚超差導(dǎo)致報(bào)廢的。④其余為其他原因?qū)е聢?bào)廢。

通過前艙前段的統(tǒng)計(jì)分析可知，如能提高劃線精度，則可在產(chǎn)品加工前準(zhǔn)確預(yù)判可加工性，從而可以將第二種情況約15%的產(chǎn)品直接報(bào)廢，省去這部分產(chǎn)品的粗加工過程，節(jié)約大量機(jī)械加工資源。可將第三種情況的產(chǎn)品在劃線階段考慮其壁厚要求，偏置到劃線基準(zhǔn)上，從而可以避免產(chǎn)品的報(bào)廢。

3 提高劃線精度技術(shù)路徑分析

經(jīng)分析，導(dǎo)致目前劃線方案不準(zhǔn)確的根本原因在于加工之前未能將鑄件內(nèi)部形面進(jìn)行全面分析，只是選擇了幾個關(guān)鍵的特征作為分析基準(zhǔn)，基準(zhǔn)選擇的不全面導(dǎo)致劃線不精確，未能完全反映鑄件內(nèi)腔狀態(tài)[5]。如果能在劃線時全面掌握艙段內(nèi)部形面數(shù)據(jù)，并能將其數(shù)據(jù)與已有基準(zhǔn)之間建立模型關(guān)系，則可實(shí)現(xiàn)艙段在劃線時的精確調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)精確劃線[6]。因此，新的劃線方案需解決3個關(guān)鍵點(diǎn)。①快速、精確地獲得鑄造艙段內(nèi)部形面與外部基準(zhǔn)相對位置關(guān)系數(shù)據(jù)。②建立內(nèi)部形面數(shù)據(jù)與外部已有基準(zhǔn)之間的數(shù)學(xué)模型。③按模型數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)值指導(dǎo)調(diào)整劃線。

3.1 獲得艙段內(nèi)部形面與外部基準(zhǔn)相對位置關(guān)系數(shù)據(jù)

依據(jù)零件外部特征選擇外部基準(zhǔn)，如果工件外部形狀全部為自由曲面或已有特征精度太低，則需在鑄造時預(yù)留工藝塊，并在劃線開始前將其加工為規(guī)則形狀。

因鑄造艙段一般為非規(guī)則筒形零件，內(nèi)部空間相對狹窄，依據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可選擇不同的數(shù)據(jù)獲得方法，目前已較成熟且精度可滿足要求的測量手段主要為非接觸掃描及關(guān)節(jié)臂接觸式測量，前者適用于艙段內(nèi)部空間較大、開放性較好的零件，其掃描速度快，特征數(shù)據(jù)獲取全面。后者可用于內(nèi)部空間艙段相對狹窄的零件，其獲取數(shù)據(jù)速度較慢，可通過每個固定范圍選取特征點(diǎn)的方式獲取數(shù)據(jù)，一般在100 mm×100 mm范圍內(nèi)測量5個點(diǎn)，如遇鑄造平面突變尤其是凹陷，需在凹陷位置測量多個點(diǎn)，盡量找到凹陷位置的最低點(diǎn)。

3.2 建立內(nèi)部形面數(shù)據(jù)與外部已有基準(zhǔn)之間的數(shù)學(xué)模型

該過程是判定鑄造零件可加工性與精確找正劃線的關(guān)鍵，判斷零件可加工性實(shí)際就是將零件內(nèi)壁形面與采集的內(nèi)壁數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，一般會出現(xiàn)3種情況。

（1）采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)全部位于理論模型的外部，則判定零件可以繼續(xù)加工。

（2）采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)部分位于理論模型內(nèi)，部分位于理論模型外，則需調(diào)整理論模型與采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的相對位置關(guān)系，直至所有采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)完全位于理論模型內(nèi)壁形面外部，此時判定該零件可以繼續(xù)加工。該過程中使用關(guān)節(jié)臂進(jìn)行內(nèi)壁形面數(shù)據(jù)采集，因采集到的點(diǎn)全部為需保證壁厚或重要的尺寸部位點(diǎn)無冗余點(diǎn)，所以可以使用軟件中的自動擬合步驟將內(nèi)壁形面與采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行自動調(diào)整，如使用非接觸式掃描設(shè)備進(jìn)行內(nèi)壁數(shù)據(jù)采集，因其采集的點(diǎn)太多，所以需要將不重要的點(diǎn)（如筋條）刪除再使用自動擬合或手動擬合忽略非關(guān)鍵部位點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（3）采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)無論如何調(diào)整，始終無法完全位于理論內(nèi)形面外，則可判定零件報(bào)廢。

在判定工件的可加工性之后，依據(jù)理論模型的水平、對稱、端面等要素建立3個平面，這3個平面分別與理論模型相交可形成劃線位置，測量3個平面分別與工件外部基準(zhǔn)（外部形面選取的基準(zhǔn)的采集數(shù)據(jù)點(diǎn)）之間的相對位置關(guān)系。

3.3 按模型數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)值指導(dǎo)調(diào)整劃線

按上一步中3個平面與外部基準(zhǔn)采集數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的位置關(guān)系計(jì)算出外部基準(zhǔn)應(yīng)調(diào)整的具體數(shù)值，并按數(shù)值調(diào)整待劃線工件。

4 實(shí)例

以前艙前段為例（如圖1所示），該艙段寬度為900 mm，高度為700 mm，開敞性較好，可以使用非接觸式掃描設(shè)備掃描內(nèi)腔，本實(shí)例中使用HandScan700型三維掃描儀掃描鑄件內(nèi)部形面數(shù)據(jù)，其具體實(shí)施方案及步驟如下。

4.1 預(yù)留基準(zhǔn)凸臺

新方案的核心為建立內(nèi)部形面與劃線基準(zhǔn)之間的數(shù)字模型關(guān)系，該劃線基準(zhǔn)放置到外形面上更有利于后期測量調(diào)整油箱姿態(tài)，因此在鑄造前艙前段初始階段需在外形面上加工出作為劃線基準(zhǔn)的特征。

鑄造工件時，在前艙前段外形上預(yù)留基準(zhǔn)凸臺，因艙段在鑄造時一般留有澆道，可選擇保留部分澆道作為基準(zhǔn)凸臺，也可在鑄造時有選擇地預(yù)留基準(zhǔn)凸臺。注意該步驟中基準(zhǔn)凸臺需分別大致位于水平線、對稱線及端面線上，且位于水平線、對稱線及端面線上的基準(zhǔn)凸臺為4個（外形對稱位置，每側(cè)2個）。

4.2 加工基準(zhǔn)圓臺

機(jī)械加工時先通過內(nèi)腔上的關(guān)鍵部位作為基準(zhǔn)，將基準(zhǔn)凸臺加工為規(guī)則的圓臺，使該圓臺成為基準(zhǔn)圓臺，再以該圓臺為基準(zhǔn)將鑄造艙段用千斤頂支撐放置到平板上，粗略調(diào)整千斤頂，使基準(zhǔn)圓臺保持水平。注意該步驟中同一基準(zhǔn)線上的基準(zhǔn)圓臺需大小一致，以方便后期計(jì)算。如圖2所示，劃出外形加工型面線。

4.3 判斷零件加工性

使用三維掃描儀掃描內(nèi)腔形面及基準(zhǔn)圓臺，注意掃描外形時僅需掃描基準(zhǔn)圓臺，構(gòu)建內(nèi)腔形面與基準(zhǔn)圓臺點(diǎn)云圖，并與內(nèi)腔理論模型比對。因?yàn)殍T造艙段內(nèi)部筋條位置要求較低，所以在比對時需忽略筋條數(shù)據(jù)，手動調(diào)整內(nèi)壁理論模型與掃描點(diǎn)云位置關(guān)系，直至內(nèi)壁點(diǎn)云顏色全部為尺寸范圍內(nèi)顏色，則判讀零件可以繼續(xù)加工，如經(jīng)調(diào)整后，點(diǎn)云與模型仍不能滿足要求，則判斷零件不可加工，如圖3所示，內(nèi)壁中數(shù)據(jù)均為正向超差，只在筋條位置與凸臺等尺寸要求不嚴(yán)格位置為負(fù)向超差，此時模型姿態(tài)已可滿足加工要求。

4.4 建立坐標(biāo)平面

將可繼續(xù)加工的工件，依據(jù)最終模型與點(diǎn)云調(diào)整姿態(tài)建立基于內(nèi)腔點(diǎn)云的水平平面、對稱平面、端面（如圖4所示）。3個坐標(biāo)平面為基于點(diǎn)云（鑄造艙段實(shí)物內(nèi)腔形面）的整體反映。

4.5 計(jì)算偏差數(shù)值，調(diào)整艙段

測量“4.4節(jié)”中建立的坐標(biāo)平面與掃描基準(zhǔn)圓臺之間的數(shù)值，該數(shù)值為基準(zhǔn)圓臺與內(nèi)腔位置關(guān)系的實(shí)際偏移數(shù)值，如圖5所示，并按此數(shù)值調(diào)整支撐工件的千斤頂，將工件調(diào)整至兩基準(zhǔn)圓臺間距為“m+n”，其對稱面同理調(diào)整，此時工件已為水平姿態(tài)，按圖5所示左側(cè)m值劃線即為鑄造艙段的水平基準(zhǔn)線，按此方法可依次劃出對稱線及端面線，并以此作為后續(xù)機(jī)械加工的精確基準(zhǔn)。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在采用新劃線方案后，某型產(chǎn)品油箱（包括前艙前段）共計(jì)5個艙段，分別進(jìn)行一個批次各10件、共計(jì)50件產(chǎn)品的生產(chǎn)驗(yàn)證，在初次掃描檢測時，共排除17件鑄造不合格品，對剩下的33件產(chǎn)品按劃線新方案進(jìn)行找正，全部加工合格，部分產(chǎn)品加工完成后測量壁厚發(fā)現(xiàn)，艙段壁厚對稱區(qū)壁厚為2～2.1 mm，間接驗(yàn)證了該方案的精確性（見表1）。

6 結(jié)語

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，鑄造油箱艙段按新方法進(jìn)行劃線找正極大地提高了劃線精度，避免了因劃線不準(zhǔn)確造成的機(jī)械加工資源浪費(fèi)，同時提高了產(chǎn)品的合格率。但此種劃線方案使用了三維掃描和鉗工劃線兩種精度相差較大的方法相結(jié)合，未能將三維掃描的高精度測量結(jié)果完全反映到產(chǎn)品加工中，后續(xù)將開展在機(jī)床上進(jìn)行三維掃描并同步調(diào)整程序坐標(biāo)系（將“4.5節(jié)”中需調(diào)整的數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)控程序中對坐標(biāo)系的平移、旋轉(zhuǎn)）的方案直接在線找正，該方法將能更直接地將三維掃描結(jié)果反映到產(chǎn)品上，從而進(jìn)一步提高油箱找正的精確度，縮短此類鑄造油箱的制造流程。

參 考 文 獻(xiàn)

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