小型折疊彈翼加工工藝研究

朱 航,郭志偉,孫建邦,李 博,陳 瑤

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

彈翼是導(dǎo)彈的重要結(jié)構(gòu)件之一,用于產(chǎn)生導(dǎo)彈飛行和機(jī)動(dòng)所需的升力和法向力。為減小導(dǎo)彈在裝箱時(shí)所占的空間,以便于其貯存和轉(zhuǎn)運(yùn),導(dǎo)彈的彈翼常設(shè)計(jì)為折疊式結(jié)構(gòu)[1]。這種結(jié)構(gòu)需保證在導(dǎo)彈飛出發(fā)射筒后,彈翼中的外翼能夠可靠且及時(shí)地展開(kāi),同時(shí)展開(kāi)后的彈翼能達(dá)到較高的尺寸精度和形位精度,這對(duì)彈翼中各部件的加工精度提出了較高的要求。

某型彈翼為橫向折疊式彈翼,由翼根、外翼、轉(zhuǎn)軸、鎖緊塊,以及其他附件組成。貯存時(shí),外翼繞轉(zhuǎn)軸收起,展開(kāi)時(shí),外翼在扭簧作用下繞轉(zhuǎn)軸彈開(kāi),到達(dá)指定位置后,鎖緊塊從翼根上的安裝槽中彈出,插入外翼上的鎖緊槽中鎖緊外翼,展開(kāi)后的彈翼如圖1所示。

本文介紹了該型彈翼的翼根、外翼的工藝路線和加工過(guò)程,結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的工藝路線和工藝參數(shù)在滿足產(chǎn)品精度要求的前提下,還具有較高的效率和合格率,現(xiàn)簡(jiǎn)介如下。

1 彈翼工藝性分析

1.1 材料及結(jié)構(gòu)

翼根和外翼的材料均為7A04-T6超硬鋁,屬Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金,其抗拉強(qiáng)度Rm≥490 MPa,延伸率A≥7%。材料具有比強(qiáng)度高、韌性較高等優(yōu)點(diǎn),切削性能良好[2]。

翼根和外翼均為梯形漸收薄板結(jié)構(gòu),其中翼根的底部厚度為10 mm,翼尖最薄處厚度僅有1 mm,外翼的翼面部分最厚為5.7 mm,翼尖最薄處厚度僅有1.6 mm,彈翼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱。由于外翼和翼根均設(shè)置有翼軸孔,孔的外壁直徑為10 mm,同時(shí)考慮到設(shè)置工藝臺(tái)的需要,故兩種翼片在加工時(shí)均選用厚度為14 mm的鋁板作為毛坯,此時(shí)翼根和外翼的材料去除率分別為60%和83%,切削引起的殘余應(yīng)力較大,使得彈翼在加工過(guò)程中極易發(fā)生扭曲、變形,導(dǎo)致尺寸超差[3]。

1.2 轉(zhuǎn)軸孔加工

2 工藝路線

初步的工藝摸索后發(fā)現(xiàn),在缺乏專(zhuān)業(yè)深孔加工機(jī)床和刀具的情況下,試加工的深孔均有所偏斜,但95%以上的孔在250 mm范圍內(nèi)的直線度誤差<0.3 mm?；诖?對(duì)翼根和外翼制定了先粗銑,再鉆轉(zhuǎn)軸孔,最后以轉(zhuǎn)軸孔作基準(zhǔn)精銑外形的總體工藝路線(見(jiàn)圖2)。

圖2 彈翼總體工藝路線

3 工藝難點(diǎn)分析

3.1 翼根

3.1.1 粗銑

粗銑翼根時(shí),使用壓板壓緊工件上下邊所留的兩處長(zhǎng)條工藝臺(tái),翻面粗銑外形,各處留余量0.5 mm(見(jiàn)圖3)。粗銑后在自由狀態(tài)下放平工件,沿翼根長(zhǎng)度方向用百分表測(cè)量工件直線度,發(fā)現(xiàn)工藝臺(tái)的平面度偏差已超過(guò)0.2 mm,即工件在粗銑后已產(chǎn)生扭曲變形。為了保證后續(xù)加工轉(zhuǎn)軸孔時(shí)工件的定位一致性,需修整工藝臺(tái),將其上下兩面及側(cè)面的平面度、平行度和垂直度等形位誤差控制在0.05 mm以內(nèi)。

圖3 翼根粗銑及鉆孔

修整工藝臺(tái)基準(zhǔn)時(shí),采用壓板壓或虎鉗夾的方式裝夾工件均會(huì)改變工件的變形狀態(tài),在夾持狀態(tài)下修平工藝臺(tái)后卸下工件,工件即再次產(chǎn)生扭曲,修整基準(zhǔn)效果不甚理想。為了消除夾持帶來(lái)的影響,嘗試采用膠粘法裝夾工件,使用502粘結(jié)劑將自由狀態(tài)的工件粘接在工作臺(tái)上[5],用立銑刀修整工藝臺(tái)后,將工件輕敲離工作臺(tái)面,再將工件翻面,用同樣的方法修整另一側(cè)工藝臺(tái)。采用膠粘法裝夾工件修整工藝臺(tái)基準(zhǔn)可以取得良好的效果。

3.1.2 加工轉(zhuǎn)軸孔

深孔加工的常用手段有鉆→擴(kuò)加工工藝、鉆→擴(kuò)→鉸加工工藝、槍鉆加工工藝、BTA鉆加工工藝、電火花加工工藝等?？紤]到轉(zhuǎn)軸孔的深度、精度和形位要求,以及西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所缺乏專(zhuān)業(yè)深孔加工機(jī)床和鉆頭,且任務(wù)節(jié)點(diǎn)要求緊迫的現(xiàn)狀,決定采用常規(guī)的先鉆后擴(kuò)工藝對(duì)轉(zhuǎn)軸孔進(jìn)行加工。能否控制轉(zhuǎn)軸孔的偏斜誤差在工藝要求的范圍內(nèi),決定了轉(zhuǎn)軸孔加工的成敗[6-7],為了盡量減小孔的直線度偏差,應(yīng)采取如下兩個(gè)措施:1)在鉆深孔前應(yīng)先在孔口處加工引孔,一方面在鉆深孔前段時(shí)引導(dǎo)長(zhǎng)鉆頭沿準(zhǔn)確的方向進(jìn)給,另一方面可以降低長(zhǎng)鉆頭剛開(kāi)始鉆削時(shí)的切削量,使切削力小而平穩(wěn),進(jìn)而提高深孔的直線度;2)由于鉆深孔時(shí)鉆頭較長(zhǎng),鉆頭的剛性差且易振動(dòng),啄鉆時(shí)每次退刀應(yīng)注意鉆頭不可完全退出孔口,需留部分鉆桿在孔內(nèi),使鉆頭以其柄部和頭部作兩點(diǎn)支承,以免再次進(jìn)刀時(shí)鉆頭尖部跳動(dòng)而鉆傷孔口,使得口部直徑過(guò)大,鉆頭缺乏支承,而最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸孔偏斜。

為滿足轉(zhuǎn)軸孔直線度及孔徑精度要求,制定了先預(yù)鉆再擴(kuò)孔、由淺及深的加工策略。加工時(shí),以工藝臺(tái)定位,先精銑孔口端面,后點(diǎn)出中心孔,再鉆引孔,隨后分多次鉆孔和擴(kuò)孔操作將孔逐步加工到尺寸,具體的工步設(shè)置和工藝參數(shù)見(jiàn)表1[8]。最終加工的轉(zhuǎn)軸孔全部滿足工藝要求的直線度和尺寸公差。

表1 鉆轉(zhuǎn)軸孔各工步設(shè)置及參數(shù)

3.1.3 精銑

精銑外形時(shí)應(yīng)以轉(zhuǎn)軸孔的中心線作為基準(zhǔn),但由于轉(zhuǎn)軸孔深徑比大,在實(shí)際加工時(shí)很難在機(jī)床上直接找正該基準(zhǔn),故應(yīng)先將轉(zhuǎn)軸孔軸線基準(zhǔn)“復(fù)印”到工藝臺(tái)上,便于在機(jī)床上找正工件。本文采用的“復(fù)印”方法是先制作一個(gè)基準(zhǔn)軸,令其以微小的間隙配合插入轉(zhuǎn)軸孔中,再以該基準(zhǔn)軸作基準(zhǔn),精銑工藝臺(tái)各面。

考慮到使用普通三軸或四軸加工中心均難以根據(jù)基準(zhǔn)軸來(lái)修整圖3中所示的工藝臺(tái)Y方向上的基準(zhǔn),故將“復(fù)印”基準(zhǔn)工序調(diào)至帶有工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)功能的三十二軸加工中心上,具體操作步驟如下:1)將翼根立起裝夾,粗銑出頂部的兩處凹槽;2)將基準(zhǔn)軸插入轉(zhuǎn)軸孔中;3)放平翼根,將兩處凹槽中露出來(lái)的基準(zhǔn)軸靠緊工作臺(tái)上固定的兩處定位鍵,沿Z方向找正基準(zhǔn)軸,用壓板壓緊翼根;4)繞Z軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái),沿Y方向找正基準(zhǔn)軸;5)銑工藝臺(tái)中Z-、Z+兩個(gè)方向上的兩個(gè)平面,及Y方向上的一側(cè)平面;6)翻面,放平工件,銑工藝臺(tái)Y方向上的另一側(cè)平面。獲得工藝臺(tái)精基準(zhǔn)后,即可依次翻面精銑翼根上下左右4個(gè)方向上的外形及各處特征,最后進(jìn)行表面處理,完成加工。

3.2 外翼

翼根底部厚10 mm,頂部厚5.7 mm,翼面平均厚度為7.8 mm,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高,且粗銑后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的自然時(shí)效,粗加工產(chǎn)生的應(yīng)力基本消除,精加工過(guò)程中翼片受切削殘余應(yīng)力引起的變形量基本可以忽略。外翼則不同,其根部厚5.7 mm,頂部厚2 mm,平均厚度為3.9 mm,加工過(guò)程中單側(cè)切削去除量較翼根增加約70%,受切削殘余應(yīng)力增加和翼片本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低兩方面因素影響,切削后產(chǎn)生的變形無(wú)法忽略[9-10]。試加工結(jié)果顯示,采用常規(guī)的多次翻面逐層加工得到的外翼,翼面的平面度偏差可達(dá)1～2 mm,應(yīng)力變化引起的變形對(duì)外翼的加工帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。

3.2.1 粗銑及鉆孔

粗銑外翼時(shí),其側(cè)面輪廓留1 mm余量,對(duì)稱銑厚度至13 mm(見(jiàn)圖4),此時(shí)工件基本無(wú)變形。鉆孔時(shí),以工件輪廓定位,壓板壓緊工件,參考翼根中轉(zhuǎn)軸孔的加工策略及切削參數(shù),完成外翼轉(zhuǎn)軸孔的加工。

圖4 外翼粗銑及鉆孔

3.2.2 精銑

試加工時(shí)發(fā)現(xiàn),采用傳統(tǒng)的多次翻面逐層加工策略時(shí),所加工的外翼變形嚴(yán)重,無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。本文在分析外翼結(jié)構(gòu)特征后,提出立式裝夾逐層仿形加工的切削策略,該策略有如下2個(gè)優(yōu)勢(shì):1)工件精銑前的厚度達(dá)12 mm,剛性較好,且外翼翼型為上窄下寬的梯形,切削時(shí)刀具僅有刀尖部分與工件接觸,工件—刀具系統(tǒng)振動(dòng)小,加工表面的表面粗糙度優(yōu)良;2)逐層仿形銑削時(shí)每層切深僅為0.1 mm,切寬從最頂部的5 mm逐漸減小至底部的3.65 mm,切削力小,進(jìn)而工件內(nèi)部因切削產(chǎn)生的應(yīng)力變化較小,使得工件的變形較小。經(jīng)試加工驗(yàn)證,采用立式裝夾逐層仿形加工策略加工的外翼,翼面沿其長(zhǎng)度方向的直線度偏差<0.03 mm,滿足設(shè)計(jì)要求。

圍繞制定的翼型加工策略,設(shè)計(jì)外翼精銑工步如下。

1)以轉(zhuǎn)軸孔作為基準(zhǔn),銑出基準(zhǔn)面。具體操作方法與翼根類(lèi)似,先銑出底部凸臺(tái),將定制的基準(zhǔn)軸插入翼軸孔中,以露出來(lái)的基準(zhǔn)軸作定位,分兩次裝夾,在三十二軸加工中心上銑出翼面兩側(cè)及頂部的工藝臺(tái)基準(zhǔn)面(見(jiàn)圖5a)。

a) 銑出基準(zhǔn)面

b) 銑外翼底部特征圖5 外翼精銑工步1和工步2

2)獲得工藝臺(tái)基準(zhǔn)后,翻面以虎鉗夾持工藝臺(tái),精銑底部?jī)商幫古_(tái)上的斜面及凹槽、翼面底部圓弧槽等特征,同時(shí)銑兩處凸臺(tái)側(cè)面作后續(xù)加工的基準(zhǔn)面(見(jiàn)圖5b)。

3)再次翻面,以虎鉗加持底部凸臺(tái),用逐層仿形切削策略精銑翼面外形(見(jiàn)圖6a)。

a) 仿形銑翼面

b) 銑凸臺(tái)兩側(cè)外形圖6 外翼精銑工步3和工步4

4)放平工件,使用專(zhuān)用工裝以外翼斜面定位,壓緊工件后精銑底部凸臺(tái)兩側(cè)外形(見(jiàn)圖6b)。

精銑后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表面處理,完成加工。

4 工藝驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)一輪工藝摸索后,最終形成的折疊彈翼翼根和外翼的工藝流程見(jiàn)表2。

表2 翼根和外翼的工藝流程

依照上述工藝流程完成本批折疊彈翼的加工(見(jiàn)圖7)。

a) 翼根

b) 外翼圖7 翼根和外翼成品

使用量具對(duì)翼根和外翼上的轉(zhuǎn)軸孔進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果顯示其尺寸精度和直線度均達(dá)到圖樣要求,且轉(zhuǎn)軸孔相對(duì)于兩側(cè)翼面的對(duì)稱度<0.03 mm,遠(yuǎn)優(yōu)于以往加工此類(lèi)產(chǎn)品時(shí)精銑后再鉆孔所能達(dá)到的約0.1 mm的對(duì)稱度。

使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)加工的外翼進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果顯示其平面度偏差均<0.05 mm,較試加工外翼時(shí)采用多次翻面逐層加工方法所得的1～2 mm的平面度偏差有了較大提升,可以認(rèn)為外翼基本無(wú)變形。折疊彈翼裝配后,在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上檢測(cè)翼根和外翼形成的平面(見(jiàn)圖8),結(jié)果顯示其整體平面度偏差<0.1 mm,較以往加工的此類(lèi)產(chǎn)品有較大提升。

圖8 檢驗(yàn)折疊彈翼平面度

5 結(jié)語(yǔ)

此型折疊彈翼尺寸及形位精度要求較高,本文對(duì)此類(lèi)彈翼提出合理的工藝路線,并針對(duì)翼片易變形及深孔難加工兩大工藝難點(diǎn),提出了較好的解決方案,有效指導(dǎo)了生產(chǎn)。此外,也為翼片類(lèi)產(chǎn)品的加工提供了一種思路,供工藝人員借鑒。