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航天结构件成组加工工艺方法研究

2019/11/27 阅读:

摘要:立足航天科研型号生产实际,在梳理并研究所承接重点关注产品加工特征的基础上,提出一种基于坐标系偏置的成组加工工艺方法。以算法VS2010为核心,开发了专用的成组加工程序批量后处理器,实现了加工程序的高效生成。该方法已应用在航天多种型号零部件的实际生产中,可在保证高精度要求的同时,大幅提高生产效率。

关键词:航天制造领域;典型结构件;成组加工;坐标系偏置

随着航天技术的发展,航天器高密发射需求越发凸显,各型号任务几何式增长(由单件/年激增至近是数十件/年)。深空探测任务的逐步实施,航天器所面临的使用环境越发复杂,对产品制造的性能要求越来越多和越来越高,涌现出一大批高性能指标要求的关键零部件(难切削材料全面应用;复杂的空间轮廓,刀具可达性弱;微米级的形位精度及尺寸精度,难以保证),如运载型号阀门系统中的电磁铁壳体、阀体,对接机构盒盖、底座,921型号铰链、锁轮等零件(如图1所示)。该类零件年生产当量的骤然加剧、紧凑的交付节点与“苛刻”的精度指标给航天制造单位带来了极大的挑战。原有“一对一”的生产模式(即一次装夹加工一个工件)难以满足高密发射的需求,工艺路线及工艺方法的创新势在必行。成组加工技术起源于欧洲,大成于美国[1],可大幅提高生产系统柔性,是解决航空航天“多品种、小批量”生产瓶颈的绝佳方法之一。美国将其列入国防军工领域200项核心技术库[2],并对我国实施技术封锁。为打破技术垄断,国内各研究机构相继开展专项攻关,历经近半个世纪的努力,取得了多项成果,不仅填补了理论空白[3-7],并在农工业机械、纺织机械等以批量生产模式为主的现代化工业生产中进行了工程应用验证,带来了显著的经济效益。但对于以“小批量(甚至单件)、高精度、多品种”为显著特征的航空航天等领域,成组加工技术尚处于摸索阶段,未能广泛应用。本文立足航天型号科研生产实际,在梳理并研究所承接重点关注产品加工特征的基础上,提出一种基于坐标系偏置的成组加工工艺方法。以该方法为核心,开发了专用的成组加工程序批量后处理器,实现了加工程序的高效生成。十余种型号产品的实际加工结果表明,该工艺方法正确、有效。

1技术路线制定及目标对象选取

梳理并研究重点关注产品的加工特征,以产品加工难度、批量为权值划分优先级。依据优先级选取典型产品。同时,关注该产品的生命全周期,梳理瓶颈,制定成组加工解决方案。图2(左上)所示为航天某型号电磁铁壳体。该零件具备航天结构件典型特征(具体见表1),选取该零件为对象,研究航天典型结构件成组加工技术,以点带面,推进航天精益数控进程。

2成组加工技术方案实施

2.1通过切削试验优选刀具、走刀路径及切削参数

传统走刀路径主要包括Z形迂回、单向平行及轮廓平行路径(图3a、b、c)。实际加工时,Z形迂回及轮廓平行路径存在顺铣逆铣往复交替、拐角处加减速变化剧烈等缺陷;单向平行路径避免了顺铣逆铣往复交替,但是其包含的进退刀过程和相邻两层刀具空切移动占用大量机时,CAM程序执行效率低下。相对于传统策略,螺旋铣避免了顺铣逆铣交替进行、刀路拐角和路径自相交、空切移动等问题,具有更高的切削效率和更低的刀具磨损率,可在保证加工精度的前提下,大幅提高加工效率(如图3d)。针对1J22软磁合金(电磁铁壳体基体材料)开展切削试验研究(图4,表2),完成刀具优选及切削参数制定。

2.2成组加工专用批量后置处理软件的开发及应用

主流数控系统(如西门子840D、FANUC31i、海德汉530等)均具备坐标系偏置功能,并支持同时设置多个坐标系。成组加工的核心是在一次装夹过程中,安装多个工件,同时进行加工,以程序高度集成,减少人为干预的方式,提高生产效率。基于此,可将所安装的每个工件都视为一个单独的生产单元,每个单元均具备自身的加工坐标系,加工坐标系之间存在着阵列的数学关系,这种关系以数据的形式保存在坐标系偏置指令寄存器中(如G54~G59)。通过偏置坐标系,完成数控加工程序的准确阵列,从而实现成组加工。综合上述理论方法,结合生产实际需要,开发了成组加工程序批量处理软件(如图4所示)。软件兼容主流数控系统,实现主程序与子程序的批量修改与自动生成。

2.3VERICUT仿真平台的搭建及数控程序仿真检测

依据机床运动学模型,在VERICUT平台中建立了机床的配置信息文件。研究了Simens840D数控系统宏指令与VERICUT软件功能模块的对应关系,并以调用软件内置关键字及代码编写的方式,完成了数控系统的配置。基于VERICUT平台,完成了考虑工件装夹方案的成组加工全过程仿真(图6),确保成组加工程序与工件、装夹元件均无干涉,程序几何轨迹完全正确,为工件的实际加工奠定基础。

2.4实际加工验证

将仿真验证过的成组加工数控程序导入机床,并采用表2中的轨迹策略及切削参数进行加工,产品精度稳定性、加工效率、成品率大幅提高;同时刀具成本降低,效果显著(表3、图7)。

2.5推广应用

该技术已推广应用于航天多种型号十数种零件的实际加工中,如921某型号铰链;对接机构盒盖;运载某型号阀体等(图8)。在航天系统内部起到了很好的示范作用。

3结语

本文提出了一种基于坐标系偏置的成组加工工艺方法。该方法可在保证产品质量的前提下,大幅提高加工效率,为航天各型号产品的按时交付提供有力保障。同时,由于工艺方法高度集成,在整个加工周期内,刀具更换、程序调用等均自动进行,无需人为干预,实现了整个加工过程的“黑灯化”,为打造精益数控、构建航天“黑灯工厂”踏出坚实一步。

参考文献

[2]王志博,孙厚芳.中国GT40年回顾与展望[J].中国机械工程,2001,12(3):57-61.

[3]赵汝嘉,孙波.计算机辅助工艺设计(CAPP)[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4]韩晓燕.成组加工技术在轴类零件生产中的应用研究[D].上海:上海交通大学,2009.

[5]常建娥,刘飞.基于工艺流程的零件成组方法及其实现[J].武汉大学学报,2008,41(4):92-95.

[6]刘文剑.计算机集成制造系统导论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1994.

[7]戴国洪,倪前富.基于特征的轴类零件信息生成系统[J].机械设计与制造工程,1999,11(6):44-46.

作者:尹春晖 徐兴硕 马俊翰 陆荣 刘剑龙 单位:上海航天设备制造总厂有限公司

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