復(fù)雜薄壁艙體低應(yīng)力加工關(guān)鍵技術(shù)研究

梁 艷 孔令磊 趙東國 甄慧強(qiáng) 路現(xiàn)國 王程霖

復(fù)雜薄壁艙體低應(yīng)力加工關(guān)鍵技術(shù)研究

梁 艷1孔令磊2趙東國1甄慧強(qiáng)1路現(xiàn)國1王程霖1

（1. 北京新風(fēng)航天裝備有限公司，北京 100083；2. 空軍駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100083）

復(fù)雜薄壁艙體在加工過程中存在加工效率低、變形控制難度大、質(zhì)量一致性難以保證等問題，通過研究加工工藝優(yōu)化技術(shù)、低應(yīng)力裝夾技術(shù)和殘余應(yīng)力處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，得到合理的定位及柔性裝夾方法，優(yōu)化了工藝流程，為復(fù)雜薄壁艙體的高效、高質(zhì)量加工提供參考和依據(jù)。

薄壁艙體；低應(yīng)力加工；工藝優(yōu)化；低應(yīng)力裝夾；殘余應(yīng)力處理

1 引言

隨著我國航天產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，航天產(chǎn)品零件材料朝著高強(qiáng)度、低密度方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)朝著整體化、薄壁化方向發(fā)展，加工方式朝著高效率、低成本、節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展。在此背景下，復(fù)雜薄壁艙體應(yīng)運(yùn)而生，但其采用傳統(tǒng)的低轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給、小吃刀量的方式，存在加工效率低下、關(guān)鍵設(shè)備占用嚴(yán)重、加工難度大且質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，因此，研究復(fù)雜薄壁艙體加工關(guān)鍵技術(shù)，對于提高薄壁艙體的加工效率，保證加工質(zhì)量一致性具有重要的意義[1～3]。

國外對武器裝備用結(jié)構(gòu)件加工變形研究比我國起步早而且較為深入。美國的波音公司早在數(shù)年前，依托密西根大學(xué)等若干所著名大學(xué)，甚至包括我國臺灣的一所著名大學(xué)，在政府和軍工企業(yè)集團(tuán)的共同支持下，正在共同研究和開發(fā)能夠有效抑制復(fù)合材料、先進(jìn)金屬等材料結(jié)構(gòu)件加工變形的工藝路線優(yōu)化理論和有限元模擬軟件。法國巴黎航空工業(yè)學(xué)院與法國國家宇航局針對航天飛行器整體結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)與制造問題，聯(lián)合建立了專門的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室，深入研究零件切削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、整體變形等問題，并開展工藝控制和安全校正等研究。但并沒有完全解決此工程難題，而且由于涉及國防關(guān)鍵技術(shù)，國外對此相關(guān)的研究成果秘而不宣，很難找到較完整的關(guān)于整體結(jié)構(gòu)件加工變形控制技術(shù)的公開資料與報(bào)告[4]。

國內(nèi)北京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等針對低剛度結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力及整體加工變形問題開展了大量的理論和試驗(yàn)研究工作，取得了富有成效的研究成果。董兆偉博士等人建立了不同銑削有限元模型仿真，分析不同切削參數(shù)下金屬結(jié)構(gòu)件的銑削殘余應(yīng)力的大小和分布情況[5]；張洪偉博士等人基于結(jié)構(gòu)件切削仿真分析，研究了銑削加工變形機(jī)理及變形校正技術(shù)[6]；趙曉慈博士等人采用振動(dòng)時(shí)效方法對航空結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力進(jìn)行均化處理，取得了良好效果；吳瓊博士等人考慮了加工中零件的動(dòng)態(tài)特性，對航空典型金屬結(jié)構(gòu)件加工過程的應(yīng)力場進(jìn)行分析，預(yù)測了殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，并提出了殘余應(yīng)力及加工變形控制方法。

2 復(fù)雜薄壁艙體低應(yīng)力加工整體技術(shù)方案

復(fù)雜薄壁艙體低應(yīng)力加工整體技術(shù)方案如圖1所示，薄壁艙體的加工過程總是伴隨著裝夾力引起的變形問題，在加工過程中應(yīng)用低應(yīng)力裝卡工裝，可以減小裝卡應(yīng)力引起的零件變形。根據(jù)艙體結(jié)構(gòu)、剛度特點(diǎn)，結(jié)合艙體窗口特征和內(nèi)腔銑加工要求，建立了綜合工件-工裝的剛度分析模型，對模型剛度情況進(jìn)行仿真分析。得到仿真結(jié)果，再結(jié)合艙體零件切削試驗(yàn)，優(yōu)化加工流程，獲得最優(yōu)切削參數(shù)和加工刀具。通過模態(tài)仿真以及殘余應(yīng)力檢測，驗(yàn)證了頻譜諧波振動(dòng)時(shí)效能有效降低產(chǎn)品殘余應(yīng)力。涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括加工工藝優(yōu)化技術(shù)、低應(yīng)力裝夾技術(shù)和殘余應(yīng)力處理技術(shù)。

圖1 復(fù)雜薄壁艙體低應(yīng)力加工整體技術(shù)方案

3 加工工藝優(yōu)化技術(shù)研究

某復(fù)雜薄壁艙體示意圖如圖2所示。由于刀具剛性不足，刀具切入工件時(shí)的猛然撞擊誘發(fā)刀具振動(dòng)，改變了切削厚度，切削力隨之發(fā)生變化，進(jìn)一部引起加工系統(tǒng)加劇振動(dòng)，切削厚度繼續(xù)增加。

圖2 復(fù)雜薄壁艙體示意圖

通過切削對比驗(yàn)證，優(yōu)選加工刀具及加工參數(shù)如下：

a. 大端內(nèi)側(cè)圓弧面加工刀具由20mm整體合金銑刀，改為63mm組合刀具，切削參數(shù)為：c=78.5m/min；=2500r/min；=800mm/min；p=0.25mm，刀具振動(dòng)現(xiàn)象明顯改善，切削時(shí)間由3h降低至1.8h，加工效率提高40%。

b. 中間法蘭面減輕槽加工刀具由普通加長刀具改為熱裝加長刀具加工，切削參數(shù)為c=78.5m/min；n=3250r/min；=1250mm/min；p=0.2mm，加工表面質(zhì)量明顯提升，表面粗糙度由a6.3μm提高至a1.6μm，加工效率由50min縮短至30min，加工效率提高40%。

c. 小端內(nèi)壁加工刀具由50mmT型三面刃銑刀替代內(nèi)銑頭，切削參數(shù)為：c=78.5m/min；=2500r/min；=1500mm/min；p=1.0mm，加工時(shí)間由65min縮短至43min，加工效率提高33.8%。

除了優(yōu)化加工刀具外，還根據(jù)零件變形特點(diǎn)，優(yōu)化艙體類零件加工流程，增加頻譜諧波振動(dòng)時(shí)效，將低應(yīng)力孔加工作為一道工序單獨(dú)加工，并且在低應(yīng)力孔加工前增加一道精車基準(zhǔn)工序，提高艙體孔加工定位基準(zhǔn)精度。

優(yōu)化前的工藝流程見圖3：

圖3 優(yōu)化前工藝流程

優(yōu)化后的工藝流程見圖4：

圖4 優(yōu)化后工藝流程

4 低應(yīng)力裝夾技術(shù)研究

根據(jù)以往加工經(jīng)驗(yàn)，艙體加工過程采用壓板+拉盤的方式實(shí)現(xiàn)裝夾，分別用百分表、千分表逐步提高找正精度，實(shí)現(xiàn)人工找正艙體中心和角向基準(zhǔn)，用時(shí)約1～2h。且艙體多處形位、尺寸公差為0.01mm，角向精度為±1′，精度接近機(jī)床自身精度，常規(guī)機(jī)械加工方法難以保證加工精度。因此，設(shè)計(jì)了一種高精度、通用型、定位工裝，如圖5所示。該工裝特點(diǎn)如下：

a. 高精度：工裝設(shè)計(jì)精度對應(yīng)艙體銷孔精度；工裝中心定位孔圓度0.005mm以內(nèi)，定位銷角向精度30″以內(nèi)。滿足艙角向精度1′加工要求。

b. 通用型：適用于兩種柱形艙體加工使用，工裝底板上設(shè)計(jì)有兩種艙體所用的定位結(jié)構(gòu)和夾緊裝置。

c. 快速定位：工裝底板使用時(shí)，以底板中心為軸心，定位銷孔為角向基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)快速高效定位，平均用時(shí)5min，定位效率提升約95%。

1—夾爪 2—壓柱 3—旋轉(zhuǎn)夾緊氣缸 4—工裝底板 5—手控閥 6—手柄

工作時(shí)，首先將工件放入工裝底板，工件定位孔與工裝底板上的銷孔對齊，插入定位銷，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高效定位,如圖6所示。旋轉(zhuǎn)手柄，旋轉(zhuǎn)壓緊氣缸帶動(dòng)夾爪、壓柱轉(zhuǎn)動(dòng)90°并向下運(yùn)動(dòng)，壓緊工件。

圖6 工裝安裝示意圖

更換另一種柱狀工件時(shí)，應(yīng)先將旋轉(zhuǎn)夾緊氣缸置于外圈安裝位，然后重復(fù)前兩個(gè)步驟。

5 殘余應(yīng)力處理技術(shù)研究

通過對艙體進(jìn)行仿真分析，得到振動(dòng)時(shí)效時(shí)，振動(dòng)設(shè)備的裝夾位置、振動(dòng)頻率、殘余應(yīng)力的分布情況，指導(dǎo)頻譜諧波振動(dòng)時(shí)效。通過振動(dòng)時(shí)效前后同一位置殘余應(yīng)力檢測，驗(yàn)證頻譜諧波振動(dòng)時(shí)效在艙體殘余應(yīng)力消減方面的效果，指導(dǎo)艙體加工工藝優(yōu)化。

5.1 有限元模型及條件設(shè)置

工件放置在自制的振動(dòng)平臺（圖7）上，夾具夾緊；電機(jī)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在振動(dòng)平臺長邊一側(cè)裝夾；平臺下墊若干輪胎隔振。以工件位于振動(dòng)臺表面裝夾中心的螺栓孔，來描述工件的裝夾位置，例如孔62，位于圖7沿軸方向第6個(gè)螺栓孔，沿軸方向第2個(gè)螺栓孔。

對振動(dòng)平臺和產(chǎn)品進(jìn)行有限元建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置，得到仿真結(jié)果。

圖7 振動(dòng)臺螺栓孔命名，激振力施加方式示意圖

5.2 仿真分析

5.2.1 裝夾激振方式

艙體沿圓周方向，幾何特征差異不顯著，因此主要研究艙體最佳擺放位置，選擇依據(jù)為動(dòng)應(yīng)力最大值及其分布范圍。

結(jié)合激振器、夾具的擺放位置，平臺上可供裝夾零件的位置有兩個(gè)：62，64，如圖8～圖9所示。

圖8 艙體在位置X6Y2的諧響應(yīng)仿真結(jié)果（51Hz）

圖9 艙體在位置X6Y4的諧響應(yīng)仿真結(jié)果（51Hz）

從試振情況上看，把工件放置在位置64，振動(dòng)過于強(qiáng)烈，正式振動(dòng)時(shí)，選擇位置62。

5.2.2 艙體模態(tài)仿真結(jié)果

圖10 艙體振型圖（51Hz）

圖11 艙體振型圖（67Hz）

如圖10、圖11所示,激振頻率51Hz較67Hz動(dòng)應(yīng)力幅頻響應(yīng)及位移幅頻響應(yīng)顯著，因此，重點(diǎn)考察在激振頻率51Hz作用下的動(dòng)應(yīng)力分布。

5.2.3 艙體諧響應(yīng)仿真結(jié)果

對于51Hz的激振頻率，艙體諧響應(yīng)仿真結(jié)果如圖8所示，動(dòng)應(yīng)力均值33MPa，動(dòng)應(yīng)力最大值225MPa，小于30MPa的動(dòng)應(yīng)力占比64%；95MPa及以上的動(dòng)應(yīng)力主要分布在工件底部（大端）的外壁面，以及大端與小端過渡部分，部分動(dòng)應(yīng)力分布在工件的方孔附近。

通過仿真分析得到振動(dòng)效時(shí)，設(shè)備的裝夾位置、振動(dòng)頻率、殘余應(yīng)力的分布情況，指導(dǎo)振動(dòng)時(shí)效處理。

5.3 殘余應(yīng)力檢測

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7704—2017《無損檢測X射線應(yīng)力測定方法》，采用X射線法檢測，選用芬蘭AST公司的Xstress3000型X射線衍射應(yīng)力儀檢測。

5.3.1 檢測位置

根據(jù)艙體諧響應(yīng)仿真結(jié)果，在動(dòng)應(yīng)力較大部位設(shè)置檢測點(diǎn)，共計(jì)10個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)檢測三個(gè)方向，如圖12所示。應(yīng)力檢測方向規(guī)定為：樣品環(huán)向?yàn)?°應(yīng)力方向，徑向/軸向?yàn)?0°應(yīng)力方向。

圖12 檢測位置

5.3.2 裝夾與支撐

圖13 裝夾位置

激振器裝夾位置選擇平臺長邊方向中間位置裝夾，橡膠減振墊選擇長邊方向兩頭支撐的方式。如圖13所示。

5.3.3 實(shí)效處理

表1 艙體頻譜諧波振動(dòng)時(shí)效參數(shù)

表2 艙體殘余應(yīng)力檢測結(jié)果 MPa

利用頻譜諧波振動(dòng)時(shí)效設(shè)備對工件進(jìn)行頻譜分析，其參數(shù)如表1所示，檢測時(shí)效前后的艙體殘余應(yīng)力，檢測結(jié)果如表2所示。

圖14 艙體振動(dòng)前后等效應(yīng)力變化

表3 艙體頻譜諧波振動(dòng)時(shí)效前后等效應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

通過圖14、表3發(fā)現(xiàn)：頻譜諧波振動(dòng)時(shí)效能大幅減少艙體的殘余應(yīng)力，應(yīng)在薄壁艙體加工過程中加入振動(dòng)時(shí)效工序，以減少殘余應(yīng)力。

6 結(jié)束語

通過艙體切削刀具的選用及切削參數(shù)、工藝流程的優(yōu)化、低應(yīng)力裝夾工裝的設(shè)計(jì)、工件殘余應(yīng)力的處理等內(nèi)容研究，摸索出一套適合薄壁艙體高效加工的工藝方法，提高了艙體加工效率，保證了產(chǎn)品加工質(zhì)量的一致性。

1 鄭智. 加工薄壁艙體零件的工藝方法[J]. 煤礦機(jī)械，2018(39)：68～70

2 董龍山. 鋁合金薄壁件加工變形控制技術(shù)研究[D]. 廊坊：北華航天工業(yè)學(xué)院，2015

3 周文. 一種高精度合金薄壁回轉(zhuǎn)件的加工工藝[J]. 江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018(18)：19～21

4 周譯斌. 薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形機(jī)理及夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D]. 上海：東華大學(xué)，2011

5 董兆偉，張以都，劉勝永. 分層切削加工有限元仿真分析[J]. 航空制造技術(shù)，2007(7)：75～78

6 張洪偉. 航天整體結(jié)構(gòu)件銑削加工變形機(jī)理與變形校正技術(shù)研究[D]. 北京：北京航空航天大學(xué)，2015

Research on the Key Technology of Low Stress Machining of Complex Thin-walled Cabins

Liang Yan1Kong Linglei2Zhao Dongguo1Zhen Huiqiang1Lu Xianguo1Wang Chenglin1

(1. Beijing Xinfeng Aerospace Equipment Co., Ltd., Beijing 100083；2. The First Military Representative Office of Air Force in Beijing Area, Beijing 100083)

There are some problems in the processing of complex thin-walled cabins, such as low processing efficiency, difficulty in deformation control, and difficulty in quality consistency. In this paper, by studying the key technologies such as machining technology optimization, low stress clamping technology and stress treatment technology, the reasonable positioning and flexible clamping methods are obtained, and the process flow is optimized. It provides reference and basis for high efficient and high quality processing of complex thin-walled structure cabins.

thin-walled structure cabin；precision machining；process optimization；low stress clamping；stress treatment

TH162+.0

A

梁艷（1986），工程師，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：航天復(fù)雜產(chǎn)品制造技術(shù)。

2021-01-25