廖基躍,古志勇

(成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司,四川成都 610000)

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大長寬比薄壁濾波器腔體加工工藝方案優(yōu)化

廖基躍,古志勇

(成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司,四川成都 610000)

某航天項目中的濾波器腔體具有長寬比大、壁薄的結(jié)構(gòu)特點,以及尺寸公差、形位公差精度要求高的工藝特點,加工難度大.介紹了一種大長寬比航天薄壁腔體的結(jié)構(gòu)和工藝特點,分析了腔體截面結(jié)構(gòu)對零件尺寸公差和形位公差精度的影響,改進了加工工藝方案.最后運用此工藝方案進行加工試驗,結(jié)果滿足要求.

濾波器腔體; 大長寬比; 薄壁; 工藝方案

航天項目零部件在滿足性能要求的前提下,要求盡可能輕量化[1].薄壁零件因具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點被廣泛應用于航空航天領(lǐng)域中.但是薄壁件剛性差、強度弱、加工制造困難.

針對薄壁件難加工問題,國內(nèi)外學者對此做了相關(guān)研究.鄧學忠等[2]論述了航天類精密復雜零件的工藝設(shè)計過程的注意事項和工藝方案的設(shè)計方法;由文獻得知航空航天薄壁框體零件加工變形的原因包括材料加工過程中殘余應力的釋放、刀具對工件的削切作用和工件的裝夾工藝.文獻[3-8]針對這些加工問題提出了相應的解決辦法;劉曉等[9]提出了適合航天鉸鏈類零件的單向走絲電火花線切割加工工藝方案;KOLLURU等[10]針對薄壁件的加工問題,從優(yōu)化裝夾工藝的角度出發(fā),設(shè)計了一種由預扭彈簧鉸接組合而成的裝置.上述研究成果,分析確定了影響薄壁件工藝質(zhì)量的原因,提出了解決辦法并通過加工試驗工件證明了方法的有效性,為優(yōu)化薄壁件加工工藝的研究確定了方向.同時在生產(chǎn)實際中工藝方案的制定還應盡量考慮本單位的加工設(shè)備制造能力.

基于此,本文以航天項目里一種剛性差、強度弱、設(shè)計形狀復雜、精度要求較高的常用元件——濾波器腔體作為研究對象,在分析了原有工藝造成零件不合格原因的基礎(chǔ)上,優(yōu)化了加工工藝方案,并通過試驗驗證優(yōu)了此化方案的有效性和穩(wěn)定性.

1 零件的結(jié)構(gòu)與工藝特點

作為航天項目里一種常用無源器件,濾波器是一種在沒有外加電源的條件下能依靠其自身工藝結(jié)構(gòu)特性滿足其工作特性的電子元件,因而對零件自身的工藝結(jié)構(gòu)和精度要求非常高[10].

圖1 某航天項目濾波器腔體Fig.1 A Cavity filter of a space project

圖1為某航天項目中的濾波器腔體,是濾波器的主要結(jié)構(gòu)件和支撐件,其工藝結(jié)構(gòu)特性和精度影響整個濾波器的工作性能.該零件長度(腔體長度)最長為348 mm,寬度最寬為66.8 mm,腔體寬度最寬為51 mm,腔體壁厚最薄處在內(nèi)腔底面處,厚度為1 mm,該零件具有大長寬比薄壁類零件的結(jié)構(gòu)特點.

在工藝要求方面,零件頂面和兩端面作為配合接觸面以及腔體內(nèi)部底平面,平面度要求小于0.05,粗糙度要求小于0.8,另外還有垂直度和平行度要求;腔體深度15.8要求保證公差±0.02;腔體內(nèi)部各臺階長寬距離最長大于300 mm,公差要求保證±0.03.以上尺寸公差,以及零件其他部位的尺寸公差和形位公差要求,都在GB/T1804-f級以上,屬于高精度工藝要求.

2 零件原工藝方案及加工不合格原因分析

2.1 零件原工藝方案

根據(jù)已有的加工工藝經(jīng)驗,初步制定了該零件的加工工藝方案:粗加工(粗銑)→熱處理去應力→精加工(精銑).首先采用銑削方式粗加工長方體原材料,加工零件外形、腔體、臺階等,留0.5 mm余量;然后熱處理工件,去除粗加工后殘留應力;最后銑削去除余量,加工剩余特征,完成加工.由于零件的長寬比大、壁厚小,零件自身結(jié)構(gòu)強度低,抗彎、抗扭強度小,加工過程中受裝夾力、切削力等因素影響,加工完成卸下裝夾后產(chǎn)生反向作用力,都容易造成零件產(chǎn)生彎曲和扭曲變形,加工過程不穩(wěn)定,導致零件尺寸公差和形位公差難以達到設(shè)計要求,產(chǎn)品合格率低,小于20%.

2.2 零件結(jié)構(gòu)加工影響原因分析

由圖1得知濾波器腔體總長度348 mm,寬度51 mm,長寬比約達7.圖2為腔體截面剖面圖,腔體底面壁厚為1 mm,腔體外邊厚度1.5 mm,上邊厚度為2 mm.以腔體截面底邊水平方向的延長線和左側(cè)壁豎直方向延長線的交點為原點,建立腔體截面剖面圖的直角坐標系(注:根據(jù)材料力學抗彎截面模量定義,腔體剖面圖水平方向為z軸,豎直方向為y軸).

圖2 腔體截面剖面圖直角坐標系

Fig.2 A cartesian coordinate system of the chamber’s body section

由腔體結(jié)構(gòu)得知,腔體截面剖面圖是左右對稱圖形,因此腔體截面剖面圖的形心的水平方向的位置是ZC=25 mm.豎直方向位置由以下求得.

由組合截面靜矩公式得出腔體截面對z軸的靜矩Sz為

(1)

腔體截面面積A為

(2)

形心的豎直方向位置YC為

(3)

由式(1)—(3)得出:z1=6.5 mm,z2=8 mm,z3=43 mm,z4=44.5 mm,z5=51 mm,y1=1 mm,y2=14.5 mm,y3=16.5 mm,求得:YC=7.5 mm.由組合截面慣性矩公式得出腔體截面對過點(ZC,YC)水平方向的慣性矩Iz為

(4)

將數(shù)據(jù)代入計算式(4)求得:Iz=4 150 mm4.

則抗彎截面模量

(5)

ymax是y方向距離中性層的最大距離,根據(jù)YC=7.5 mm和腔體截面總高度16.5 mm得出腔體截面上下兩邊距中性層的最大距離分別是9 mm和7.5 mm.由式(5)得出抗彎截面模量(截面模數(shù))分別為0.46 cm3和0.57 cm3.

根據(jù)圖1，2得知腔體底部是δ1×338×38大薄板面,由式(5)計算得知腔體截面強度低.加工腔體過程中,零件受切削的影響、切削熱產(chǎn)生的熱膨脹力以及裝夾力的影響.隨著余量的去除,工件強度逐漸降低,無法再抵抗切削過程中內(nèi)應力的轉(zhuǎn)移再平衡、切削熱使工件產(chǎn)生的熱脹冷縮形變等,工件在加工過程中即產(chǎn)生變形和蠕動,不能有效控制加工尺寸公差和形位公差精度.加工完成卸下裝夾后,由于壁厚過小,腔體大平面強度不能抵抗加工殘余應力的平衡,使工件的尺寸公差和形位公差精度進一步降低,最終工件報廢.

3 優(yōu)化工藝方案

3.1 優(yōu)化方向及工藝方案

由前文分析得知,造成工件報廢的原因主要是工件不能抵抗加工過程中和加工完成后的應力造成的變形，因此必須改變加工過程中截面的結(jié)構(gòu)形狀,提高加工過程中腔體的結(jié)構(gòu)強度,以抵抗加工過程中由切削力、切削熱和裝夾力等因素造成的形變,保證尺寸公差和形位公差.另外最好采用切削力較小的切削方式加工工件外形輪廓,完成工件加工.

圖3是在圖2基礎(chǔ)上把腔體壁往外側(cè)對稱延伸后,帶有加強筋結(jié)構(gòu)的截面剖面.優(yōu)化后的加工工藝方案:按圖3截面加強結(jié)構(gòu)粗加工→熱處理去應力→按圖3截面加強結(jié)構(gòu)精加工→組合工件熱處理去應力→組合工件整體加工外形成型.優(yōu)化的工藝方案改變了加工過程中工件截面的形狀,加強了結(jié)構(gòu)強度,有效抵抗了加工過程中的應力,提高了加工過程中尺寸公差和形位公差的精度.同時將工件與待裝配工件組合整體加工外形,強度提高,有效抵抗了加工殘余應力.

圖3 工藝方案優(yōu)化后腔體截面剖面圖直角坐標系Fig.3 A cartesian coordinate system of the chamber’s body section after improved process plan

3.2 優(yōu)化后的腔體截面結(jié)構(gòu)強度分析

由上文分析得知,由于零件內(nèi)腔是大平面薄壁結(jié)構(gòu),強度低,抗彎變形能力差，因此加工過程中不能抵抗由切削力等因素造成的形變.優(yōu)化方案是把腔體壁往外側(cè)對稱延伸,設(shè)計加強筋，如圖3所示,使腔體背面的外形輪廓成為一個封閉四邊形平面.以加強結(jié)構(gòu)腔體截面左下角交點為原點,在圖中建立腔體截面剖面圖的直角坐標系:z1′=3 mm,z2′=20 mm,z3′=21.5 mm,z4′=56.5 mm,z5′=58 mm,z6=75 mm,z7=78 mm,y1′=10.5 mm,y2′=11.5 mm,y3′=25 mm,y4=27 mm.與圖2的形心同理,圖3形心的水平方向位置Zc′=39 mm.形心在豎直方向位置由下面求得.

與式(1)同理代入數(shù)據(jù)得腔體截面對z軸的靜矩Sz′為:Sz′=5 270 mm3.

與式(2)同理代入數(shù)據(jù)得腔體截面面積A′為:A′=3 14 mm2.

代入式(3)得形心的豎直方向位置為:YC′=16.7 mm.

與式(4)同理代入數(shù)據(jù)得腔體截面對過點(ZC′,YC′)水平方向的慣性矩Iz′為:Iz′=76 000 mm4.

式(5)中的ymax根據(jù)YC′=16.7 mm和腔體截面總高度27 mm,得出腔體截面上下兩邊距中性層的最大距離分別是16.7 mm和9.3 mm.數(shù)據(jù)代入式(5)得出加強結(jié)構(gòu)抗彎截面模量(截面模數(shù))分別是4.5 cm3和7.3 cm3.對比圖2和圖3的計算結(jié)果得知:改進后的加強結(jié)構(gòu)抗彎截面模量分別提高了9.7倍和12.8倍以上,有效提高了加工過程中工件抗彎等形變的能力,加工過程穩(wěn)定.同時兩側(cè)加強筋與其余面形成等高的邊框大面,有利于保障工件加工過程中裝夾的穩(wěn)定性和可靠性.

3.3 組合工件的整體外形成型加工

工件在加強結(jié)構(gòu)下的加工有效保證了工件尺寸公差和形位公差.最后還需要去除附加的加強結(jié)構(gòu)并經(jīng)過加工殘余應力再平衡后,工件的尺寸公差和形位公差滿足要求.通過對該零件的組裝結(jié)構(gòu)分析得知為外形輪廓一致的上下腔組合件,其中該零件為下腔.

組合件的單個工件單獨外形成型時較難保證組合件外形的一致性,同時單個工件單獨加工和組合件一起加工相比,結(jié)構(gòu)強度小,容易受殘余應力的影響而產(chǎn)生變形,最終影響其尺寸公差和形位公差.因此可以將帶有加強筋結(jié)構(gòu)的上下腔通過螺釘連接組合,進行熱處理，去除銑削加工過程中的殘余應力.最后采用作用力小的電火花線切割組合體,完成外形成型加工,以保證工件的尺寸公差和形位公差.

4 工藝方案試驗

為了保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性,采用該工藝方案加工5件試驗件.原材料為2A12H112鋁板,尺寸為δ35×80×360.數(shù)控銑床型號為HEM800,數(shù)控線切割機床型號為DK7725F,三坐標測量儀型號為Z003.

工件附加加強結(jié)構(gòu)銑削后,使用三坐標測量儀測量腔體正面和內(nèi)腔底面的平面度、內(nèi)腔的深度,測量結(jié)果如表1所示.

表1 附加加強結(jié)構(gòu)銑削后的檢測結(jié)果

通過螺釘連接組合帶有加強筋結(jié)構(gòu)的上下腔,組合件如圖4所示.整體熱處理去除組合件應力,采用電火花線切割加工組合件的外形.完成加工后拆開組合件,使用三坐標測量儀測量工件腔體正面和內(nèi)腔底面的平面度、內(nèi)腔的深度,測量結(jié)果如表2所示.結(jié)果表明：電火花線切割加工方式對工件精度影響很小,不會影響工件的合格率.

表2 外形成型后檢測結(jié)果

零件其他部位的尺寸精度和形位公差，經(jīng)檢測符合要求.采用優(yōu)化后的工藝方案加工5件工件,無廢品無返修,5件全部符合要求,合格率100%,表明優(yōu)化后的工藝方案有效且穩(wěn)定.

5 結(jié)語

(1) 在介紹了一種大長寬比薄壁腔體濾波器結(jié)構(gòu)特點和工藝特點基礎(chǔ)上,計算了腔體截面的抗彎模量,分析和確定了零件強度低是造成零件不合格的原因.在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了加工工藝方案,改變了加工過程中腔體截面的形狀,通過計算得知抗彎模量增大了約10倍.采用切削力小的電火花線切割加工方式,對組合工件進行整體外形加工.最后運用優(yōu)化后的工藝方案加工5件試驗件,無廢品無返修,合格率100%,表明優(yōu)化后的工藝方案有效且穩(wěn)定,為同類結(jié)構(gòu)高精度要求的零件的加工工藝方案制定提供了一定的參考價值.

(2) 影響尺寸公差和形位公差的因素非常多,如機床精度、刀具參數(shù)等.本文主要分析了加工過程中工件強度時尺寸公差和形位公差的影響,還有一些情況難免沒考慮周全,有待進一步研究.

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Optimization of process plan for the filter cavity withlarge aspect ratio and thin wall

LIAO Ji-yue,GU Zhi-yong

(Chengdu Siwi Hi-Tech Park Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China)

The filter cavity in some space projects is with large aspect ratio,thin wall of the structure and high tolerance of form and position.It is difficult to be machined.The structure and process of a filter cavity,which is of a space project with large aspect ratio and thin wall,are introduced.The influence about tolerance of form and position is analyzed from cavity cross-section.On the basis of it improves process plan of the part.At last,the plan is applied and the result showed that it meets demand.

filter cavity; large aspect ratio; thin wall; process plan

廖基躍(1978-),男,工藝師.E-mail:980660@sina.com.

TH 16

A

1672-5581(2016)02-0152-05