航天結(jié)構(gòu)件成組加工工藝方法研究范文

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摘要:立足航天科研型號生產(chǎn)實際，在梳理并研究所承接重點關(guān)注產(chǎn)品加工特征的基礎(chǔ)上，提出一種基于坐標(biāo)系偏置的成組加工工藝方法。以算法VS2010為核心，開發(fā)了專用的成組加工程序批量后處理器，實現(xiàn)了加工程序的高效生成。該方法已應(yīng)用在航天多種型號零部件的實際生產(chǎn)中，可在保證高精度要求的同時，大幅提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞:航天制造領(lǐng)域;典型結(jié)構(gòu)件;成組加工;坐標(biāo)系偏置

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器高密發(fā)射需求越發(fā)凸顯，各型號任務(wù)幾何式增長(由單件/年激增至近是數(shù)十件/年)。深空探測任務(wù)的逐步實施，航天器所面臨的使用環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，對產(chǎn)品制造的性能要求越來越多和越來越高，涌現(xiàn)出一大批高性能指標(biāo)要求的關(guān)鍵零部件(難切削材料全面應(yīng)用;復(fù)雜的空間輪廓，刀具可達性弱;微米級的形位精度及尺寸精度，難以保證)，如運載型號閥門系統(tǒng)中的電磁鐵殼體、閥體，對接機構(gòu)盒蓋、底座，921型號鉸鏈、鎖輪等零件(如圖1所示)。該類零件年生產(chǎn)當(dāng)量的驟然加劇、緊湊的交付節(jié)點與“苛刻”的精度指標(biāo)給航天制造單位帶來了極大的挑戰(zhàn)。原有“一對一”的生產(chǎn)模式(即一次裝夾加工一個工件)難以滿足高密發(fā)射的需求，工藝路線及工藝方法的創(chuàng)新勢在必行。成組加工技術(shù)起源于歐洲，大成于美國［1］，可大幅提高生產(chǎn)系統(tǒng)柔性，是解決航空航天“多品種、小批量”生產(chǎn)瓶頸的絕佳方法之一。美國將其列入國防軍工領(lǐng)域200項核心技術(shù)庫［2］，并對我國實施技術(shù)封鎖。為打破技術(shù)壟斷，國內(nèi)各研究機構(gòu)相繼開展專項攻關(guān)，歷經(jīng)近半個世紀(jì)的努力，取得了多項成果，不僅填補了理論空白［3－7］，并在農(nóng)工業(yè)機械、紡織機械等以批量生產(chǎn)模式為主的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中進行了工程應(yīng)用驗證，帶來了顯著的經(jīng)濟效益。但對于以“小批量(甚至單件)、高精度、多品種”為顯著特征的航空航天等領(lǐng)域，成組加工技術(shù)尚處于摸索階段，未能廣泛應(yīng)用。本文立足航天型號科研生產(chǎn)實際，在梳理并研究所承接重點關(guān)注產(chǎn)品加工特征的基礎(chǔ)上，提出一種基于坐標(biāo)系偏置的成組加工工藝方法。以該方法為核心，開發(fā)了專用的成組加工程序批量后處理器，實現(xiàn)了加工程序的高效生成。十余種型號產(chǎn)品的實際加工結(jié)果表明，該工藝方法正確、有效。

1技術(shù)路線制定及目標(biāo)對象選取

梳理并研究重點關(guān)注產(chǎn)品的加工特征，以產(chǎn)品加工難度、批量為權(quán)值劃分優(yōu)先級。依據(jù)優(yōu)先級選取典型產(chǎn)品。同時，關(guān)注該產(chǎn)品的生命全周期，梳理瓶頸，制定成組加工解決方案。圖2(左上)所示為航天某型號電磁鐵殼體。該零件具備航天結(jié)構(gòu)件典型特征(具體見表1)，選取該零件為對象，研究航天典型結(jié)構(gòu)件成組加工技術(shù)，以點帶面，推進航天精益數(shù)控進程。

2成組加工技術(shù)方案實施

2．1通過切削試驗優(yōu)選刀具、走刀路徑及切削參數(shù)

傳統(tǒng)走刀路徑主要包括Z形迂回、單向平行及輪廓平行路徑(圖3a、b、c)。實際加工時，Z形迂回及輪廓平行路徑存在順銑逆銑往復(fù)交替、拐角處加減速變化劇烈等缺陷;單向平行路徑避免了順銑逆銑往復(fù)交替，但是其包含的進退刀過程和相鄰兩層刀具空切移動占用大量機時，CAM程序執(zhí)行效率低下。相對于傳統(tǒng)策略，螺旋銑避免了順銑逆銑交替進行、刀路拐角和路徑自相交、空切移動等問題，具有更高的切削效率和更低的刀具磨損率，可在保證加工精度的前提下，大幅提高加工效率(如圖3d)。針對1J22軟磁合金(電磁鐵殼體基體材料)開展切削試驗研究(圖4，表2)，完成刀具優(yōu)選及切削參數(shù)制定。

2．2成組加工專用批量后置處理軟件的開發(fā)及應(yīng)用

主流數(shù)控系統(tǒng)(如西門子840D、FANUC31i、海德漢530等)均具備坐標(biāo)系偏置功能，并支持同時設(shè)置多個坐標(biāo)系。成組加工的核心是在一次裝夾過程中，安裝多個工件，同時進行加工，以程序高度集成，減少人為干預(yù)的方式，提高生產(chǎn)效率。基于此，可將所安裝的每個工件都視為一個單獨的生產(chǎn)單元，每個單元均具備自身的加工坐標(biāo)系，加工坐標(biāo)系之間存在著陣列的數(shù)學(xué)關(guān)系，這種關(guān)系以數(shù)據(jù)的形式保存在坐標(biāo)系偏置指令寄存器中(如G54～G59)。通過偏置坐標(biāo)系，完成數(shù)控加工程序的準(zhǔn)確陣列，從而實現(xiàn)成組加工。綜合上述理論方法，結(jié)合生產(chǎn)實際需要，開發(fā)了成組加工程序批量處理軟件(如圖4所示)。軟件兼容主流數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)主程序與子程序的批量修改與自動生成。

2．3VERICUT仿真平臺的搭建及數(shù)控程序仿真檢測

依據(jù)機床運動學(xué)模型，在VERICUT平臺中建立了機床的配置信息文件。研究了Simens840D數(shù)控系統(tǒng)宏指令與VERICUT軟件功能模塊的對應(yīng)關(guān)系，并以調(diào)用軟件內(nèi)置關(guān)鍵字及代碼編寫的方式，完成了數(shù)控系統(tǒng)的配置。基于VERICUT平臺，完成了考慮工件裝夾方案的成組加工全過程仿真(圖6)，確保成組加工程序與工件、裝夾元件均無干涉，程序幾何軌跡完全正確，為工件的實際加工奠定基礎(chǔ)。

2．4實際加工驗證

將仿真驗證過的成組加工數(shù)控程序?qū)霗C床，并采用表2中的軌跡策略及切削參數(shù)進行加工，產(chǎn)品精度穩(wěn)定性、加工效率、成品率大幅提高;同時刀具成本降低，效果顯著(表3、圖7)。

2．5推廣應(yīng)用

該技術(shù)已推廣應(yīng)用于航天多種型號十?dāng)?shù)種零件的實際加工中，如921某型號鉸鏈;對接機構(gòu)盒蓋;運載某型號閥體等(圖8)。在航天系統(tǒng)內(nèi)部起到了很好的示范作用。

3結(jié)語

本文提出了一種基于坐標(biāo)系偏置的成組加工工藝方法。該方法可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，大幅提高加工效率，為航天各型號產(chǎn)品的按時交付提供有力保障。同時，由于工藝方法高度集成，在整個加工周期內(nèi)，刀具更換、程序調(diào)用等均自動進行，無需人為干預(yù)，實現(xiàn)了整個加工過程的“黑燈化”，為打造精益數(shù)控、構(gòu)建航天“黑燈工廠”踏出堅實一步。

參考文獻

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作者：尹春暉 徐興碩 馬俊翰 陸榮 劉劍龍 單位：上海航天設(shè)備制造總廠有限公司