樊艷權(quán)，王楊，李泊，王元軍，李金龍

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

1 項目介紹

內(nèi)緣條是火箭殼段主要的組成零件，連接不同的火箭貯箱，起承上啟下的作用，該產(chǎn)品原材料長度10 m，薄壁T形結(jié)構(gòu)壁厚僅2 mm（如圖1）。航天產(chǎn)品殼段中部件內(nèi)緣條是屬于長桁鈑金類零件。由于鈑金材料在成型中產(chǎn)品尺寸誤差較大[4]，隨之鈑金件在數(shù)控機(jī)械加工中裝夾過程是一大難題。以內(nèi)緣條產(chǎn)品為例，在裝夾中以內(nèi)緣條的底平面為加工基準(zhǔn)，底平面的形位基準(zhǔn)直接影響產(chǎn)品尺寸精度。內(nèi)緣條立邊尺寸一致性要求保證（15±0.1）mm。受鈑金薄壁結(jié)構(gòu)件精度影響，給數(shù)控整體加工帶來較大困難。

圖1 內(nèi)緣條產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

2 內(nèi)緣條銑削過程問題分析

2.1 原裝夾方案

1）采用現(xiàn)有的壓板拼壓方案加工（如圖2），為保證產(chǎn)品的平整度，需要采用多套壓板夾具拼裝，但數(shù)量有限，因長度較長，所以采用分段式加工法，運(yùn)用60套壓板不斷交替倒換，在加工過程中由于壓板的松放，導(dǎo)致產(chǎn)局部應(yīng)力的釋放，最終造成產(chǎn)品加工變形?，F(xiàn)有加工方法難以滿足公差要求，效率較低，影響交付周期。

圖2 多壓板組合裝夾方式

2）產(chǎn)品屬于薄壁長桁產(chǎn)品，長度超過10 m，剛度不足、易變形，分段裝夾采用壓板替換裝夾方式，產(chǎn)品在精密裝配中多余物難以控制，加工中產(chǎn)生廢屑，壓板多次重復(fù)裝夾造成的墊屑壓傷，基準(zhǔn)改變等問題。

2.2 改進(jìn)裝夾方案

1）改善方案后采用4套300 mm精密平鉗口裝夾加工，平行安裝在機(jī)床一側(cè)（如圖3），使用百分表拉直找正，保證直線度在0.1 mm以內(nèi)；應(yīng)用自制型面壓條結(jié)合精密平口鉗裝夾產(chǎn)品，保證產(chǎn)品與型面伸出余量滿足加工要求。在加工過程中采用分段式加工方法，優(yōu)點(diǎn)為：不需裝夾60套壓板，有效減少操作人員勞動強(qiáng)度；對機(jī)床工作臺面依賴性較?。谎b夾操作簡便。

圖3 采用虎鉗裝夾方式

缺點(diǎn)為：裝夾產(chǎn)品后，由于精密平口鉗之間存在較大空隙，裝夾過程不能有效解決貼合縫隙問題；測量空間受限，不能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工中的在線測量等問題。質(zhì)量穩(wěn)定性差一檢合格率僅為75.6%（如圖4）。

圖4 2019 年內(nèi)緣條一檢合格率柱狀圖

3）內(nèi)緣條屬于低價值產(chǎn)品，占用大型設(shè)備加工，設(shè)備原有價值未能充分發(fā)揮，造成大型設(shè)備資源的浪費(fèi)。通過改進(jìn)還需要依賴機(jī)床完成立邊銑削加工，加工工時未能大幅縮短。

3 隨形工裝夾具設(shè)計方案

經(jīng)過前期的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，原有的加工方案受設(shè)備的限制。針對桁條類零件快速隨形加工的需求，設(shè)計并開發(fā)了一套以工裝為定點(diǎn)、內(nèi)部軸承為滾動摩擦的可靠工裝，以解決桁條類零件加工中的瓶頸問題[2]。

現(xiàn)有加工工藝方法，導(dǎo)致加工效率低。前期大量的試驗(yàn)加工中，制約產(chǎn)品加工效率?，F(xiàn)有的工藝方法是以工裝夾具和產(chǎn)品為定點(diǎn)、刀具相對工裝移動的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品連續(xù)銑削。新型工裝設(shè)計的思路，改為以工裝刀具為定點(diǎn)、產(chǎn)品單獨(dú)移動的方式。通過設(shè)計專用產(chǎn)品組合夾具（如圖5），實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品基準(zhǔn)的統(tǒng)一，在后期隨形加工中得以運(yùn)用。對內(nèi)緣條的立邊高度銑削，應(yīng)用專用組合夾具，保證了工裝內(nèi)部的工件總高，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。通過工裝能有效減少重復(fù)裝夾、粗加工、半精加工、測量等多道工藝步驟時間，降低操作人員勞動強(qiáng)度，提高了效率[3]。

圖5 工裝設(shè)計圖

4 組合夾具設(shè)計難點(diǎn)

根據(jù)內(nèi)緣條產(chǎn)品特點(diǎn)，設(shè)計過程中考慮以刀具為固定軸、工件運(yùn)動的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品銑削過程：1）要保證產(chǎn)品在運(yùn)動過程中不能出現(xiàn)磕傷、劃傷等問題；2）使用過程運(yùn)動順暢，保證切削過程平穩(wěn)可靠；3）減輕操作人員勞動強(qiáng)度；4）為了不受設(shè)備行程制約，可在不同設(shè)備進(jìn)行銑切加工；5）提高加工效率，以縮短加工周期、降低成本。

5 方案驗(yàn)證

解決方案：對產(chǎn)品接觸工裝的部位進(jìn)行圓角設(shè)計，其余棱角進(jìn)行R角銼修處理，確保內(nèi)緣條通過夾具間隙。通過對30件內(nèi)緣條進(jìn)行銑削試驗(yàn)，改變工裝兩輔助支撐的距離實(shí)現(xiàn)工裝與產(chǎn)品貼合間隙的變化，在內(nèi)緣條高度余量區(qū)銑削，測量高度與理論值的誤差，確定產(chǎn)品是否合格，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 貼合間隙與產(chǎn)品個數(shù)數(shù)據(jù)匯總

γ＞γα=γ0.05=0.361，因此貼合間隙與超差品個數(shù)為強(qiáng)正相關(guān)。

圖6說明，超差品個數(shù)隨著貼合間隙減小而減少，但是當(dāng)工裝與內(nèi)緣條貼合間隙趨近于0時，會給產(chǎn)品嵌入工裝帶來較大操作難度[1]。因此，綜合考慮操作難易程度與內(nèi)緣條產(chǎn)品一檢合格率，將工裝與內(nèi)緣條貼合間隙定為0.1 mm（如圖7）。

圖6 工裝產(chǎn)品貼合間隙與超差產(chǎn)品個數(shù)的關(guān)系散布圖

圖7 組合夾具間隙測量

6 應(yīng)用效果

為驗(yàn)證本文中桁條類零件基于隨形加工設(shè)計研發(fā)的工裝的可靠性和實(shí)用性效果，2020年8、9月繼續(xù)進(jìn)行內(nèi)緣條加工，共生產(chǎn)3批300件內(nèi)緣條，一檢合格率高達(dá)98%（如表2），成功驗(yàn)證了新型工裝在桁條類零件加工應(yīng)用的可靠性。如表3所示，對6件不合格品的超差情況進(jìn)行分析，超差現(xiàn)象為粗糙度超差和表面劃傷，說明癥結(jié)問題已經(jīng)解決。

表2 一檢合格率統(tǒng)計表

表3 不合格產(chǎn)品超差現(xiàn)象分析表

該加工方法采用組合夾具以刀具為定點(diǎn)，產(chǎn)品單獨(dú)移動的方式（如圖8）。組合夾具具有限制5個自由度功能特點(diǎn)，以產(chǎn)品移動自由度做切削運(yùn)動方向進(jìn)給。采用內(nèi)部軸承壓制方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與工裝剛性浮動加工。由于定位精準(zhǔn)度的提高，產(chǎn)品的加工精度隨之提高，可控制在0.1 mm之內(nèi)。通常，鈑金材料在成型中產(chǎn)品尺寸誤差較大，數(shù)控定位加工基準(zhǔn)不重合，加工尺寸狀態(tài)不穩(wěn)定。運(yùn)用此組合夾具在產(chǎn)品長度為10 m的狀態(tài)下，立邊尺寸均勻且無超差問題出現(xiàn)。

圖8 產(chǎn)品加工方式

在生產(chǎn)模式方面，原加工方案為單件生產(chǎn)模式，每件產(chǎn)品的每1.2 m范圍裝夾一次，每次裝夾需2次切削才能滿足要求。使用該加工方法后，切削參數(shù)設(shè)定后只需1次切削就能滿足要求，且下一件產(chǎn)品可直接加工，無需試切，減少了中途粗、精銑加工和輔助測量的時間，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品“流水線”生產(chǎn)方式作業(yè)[5]。在批量生產(chǎn)中，產(chǎn)品的尺寸精度一致性得到了可靠保證，一檢合格率得到了全面提升（如圖9）。

圖9 內(nèi)緣條用組合夾具加工效果

7 結(jié)論

該項組合夾具設(shè)計以產(chǎn)品外輪廓作為仿形導(dǎo)向，由仿形機(jī)構(gòu)、滾動機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)組成。在滿足使用的前提下，將工裝寬度設(shè)計成60 mm，內(nèi)置滾動軸承以保證工件順利通過仿形工裝，銑削時仿形機(jī)構(gòu)、滾動機(jī)構(gòu)等限制工件的5個自由度以滿足銑削加工。把銑刀作為固定點(diǎn)，工件依次通過工裝，實(shí)現(xiàn)工件的連續(xù)加工。用鑲嵌的方式將兩個軸承安裝在工裝底板內(nèi)，并且高于底板上表面0.5 mm，夾具既能起到剛性支撐又能實(shí)現(xiàn)滾動摩擦，保證產(chǎn)品在切削過程中穩(wěn)定可靠；通過將組合夾具內(nèi)部安裝6組軸承，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品跟隨組合夾具運(yùn)動，保證產(chǎn)品總高恒定輸出，不受產(chǎn)品變形的影響。銑削固定點(diǎn)設(shè)置在工裝的中間位置，工件通過固定銑削點(diǎn)離開工裝時的最大距離為30 mm，可以實(shí)現(xiàn)每30 mm一個測量點(diǎn)對已加工面進(jìn)行測量，且測量點(diǎn)密度是要求值的6倍，操作人員的勞動強(qiáng)度大幅度降低，加工時間由8 h縮短至12 min，效率提升近40倍，大大降低生產(chǎn)成本，解決了大型航天長桁類產(chǎn)品的加工瓶頸，為型號任務(wù)的研制節(jié)約了寶貴的時間。

通過應(yīng)用該加工方法和使用內(nèi)緣條組合夾具，解決了設(shè)備的使用限制?？蛇m用于中、小型加工設(shè)備完成10 m級鈑金長桁類機(jī)械加工應(yīng)用。該加工方法已形成了內(nèi)緣條快速加工流程，此工裝在后期加工中多次用到，該方法在目前航天對接桁的仿形打磨過程中得到應(yīng)用，未來航天產(chǎn)品大批量任務(wù)不斷增加，單件的生產(chǎn)方式已無法滿足未來發(fā)展的需求。隨形技術(shù)、柔性加工是提高效率、實(shí)現(xiàn)自動化、智能化的最好解決途徑。