航天結構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實際，在梳理并研究所承接重點關注產品加工特征的基礎上，提出一種基于坐標系偏置的成組加工工藝方法。以算法VS2010為核心，開發了專用的成組加工程序批量后處理器，實現了加工程序的高效生成。該方法已應用在航天多種型號零部件的實際生產中，可在保證高精度要求的同時，大幅提高生產效率。

關鍵詞:航天制造領域;典型結構件;成組加工;坐標系偏置

隨著航天技術的發展，航天器高密發射需求越發凸顯，各型號任務幾何式增長(由單件/年激增至近是數十件/年)。深空探測任務的逐步實施，航天器所面臨的使用環境越發復雜，對產品制造的性能要求越來越多和越來越高，涌現出一大批高性能指標要求的關鍵零部件(難切削材料全面應用;復雜的空間輪廓，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中的電磁鐵殼體、閥體，對接機構盒蓋、底座，921型號鉸鏈、鎖輪等零件(如圖1所示)。該類零件年生產當量的驟然加劇、緊湊的交付節點與“苛刻”的精度指標給航天制造單位帶來了極大的挑戰。原有“一對一”的生產模式(即一次裝夾加工一個工件)難以滿足高密發射的需求，工藝路線及工藝方法的創新勢在必行。成組加工技術起源于歐洲，大成于美國［1］，可大幅提高生產系統柔性，是解決航空航天“多品種、小批量”生產瓶頸的絕佳方法之一。美國將其列入國防軍工領域200項核心技術庫［2］，并對我國實施技術封鎖。為打破技術壟斷，國內各研究機構相繼開展專項攻關，歷經近半個世紀的努力，取得了多項成果，不僅填補了理論空白［3－7］，并在農工業機械、紡織機械等以批量生產模式為主的現代化工業生產中進行了工程應用驗證，帶來了顯著的經濟效益。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域，成組加工技術尚處于摸索階段，未能廣泛應用。本文立足航天型號科研生產實際，在梳理并研究所承接重點關注產品加工特征的基礎上，提出一種基于坐標系偏置的成組加工工藝方法。以該方法為核心，開發了專用的成組加工程序批量后處理器，實現了加工程序的高效生成。十余種型號產品的實際加工結果表明，該工藝方法正確、有效。

1技術路線制定及目標對象選取

梳理并研究重點關注產品的加工特征，以產品加工難度、批量為權值劃分優先級。依據優先級選取典型產品。同時，關注該產品的生命全周期，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。該零件具備航天結構件典型特征(具體見表1)，選取該零件為對象，研究航天典型結構件成組加工技術，以點帶面，推進航天精益數控進程。

2成組加工技術方案實施

2．1通過切削試驗優選刀具、走刀路徑及切削參數

傳統走刀路徑主要包括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程序執行效率低下。相對于傳統策略，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)，完成刀具優選及切削參數制定。

2．2成組加工專用批量后置處理軟件的開發及應用

主流數控系統(如西門子840D、FANUC31i、海德漢530等)均具備坐標系偏置功能，并支持同時設置多個坐標系。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，減少人為干預的方式，提高生產效率。基于此，可將所安裝的每個工件都視為一個單獨的生產單元，每個單元均具備自身的加工坐標系，加工坐標系之間存在著陣列的數學關系，這種關系以數據的形式保存在坐標系偏置指令寄存器中(如G54～G59)。通過偏置坐標系，完成數控加工程序的準確陣列，從而實現成組加工。綜合上述理論方法，結合生產實際需要，開發了成組加工程序批量處理軟件(如圖4所示)。軟件兼容主流數控系統，實現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控程序仿真檢測

依據機床運動學模型，在VERICUT平臺中建立了機床的配置信息文件。研究了Simens840D數控系統宏指令與VERICUT軟件功能模塊的對應關系，并以調用軟件內置關鍵字及代碼編寫的方式，完成了數控系統的配置。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。

2．4實際加工驗證

將仿真驗證過的成組加工數控程序導入機床，并采用表2中的軌跡策略及切削參數進行加工，產品精度穩定性、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推廣應用

該技術已推廣應用于航天多種型號十數種零件的實際加工中，如921某型號鉸鏈;對接機構盒蓋;運載某型號閥體等(圖8)。在航天系統內部起到了很好的示范作用。

3結語

本文提出了一種基于坐標系偏置的成組加工工藝方法。該方法可在保證產品質量的前提下，大幅提高加工效率，為航天各型號產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，刀具更換、程序調用等均自動進行，無需人為干預，實現了整個加工過程的“黑燈化”，為打造精益數控、構建航天“黑燈工廠”踏出堅實一步。

參考文獻

［2］王志博，孫厚芳．中國GT40年回顧與展望［J］．中國機械工程，2001，12(3):57－61.

［3］趙汝嘉，孫波．計算機輔助工藝設計(CAPP)［M］．北京:機械工業出版社，2005．

［4］韓曉燕．成組加工技術在軸類零件生產中的應用研究［D］．上海:上海交通大學，2009．

［5］常建娥，劉飛．基于工藝流程的零件成組方法及其實現［J］．武漢大學學報，2008，41(4):92－95．

［6］劉文劍．計算機集成制造系統導論［M］．哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1994．

［7］戴國洪，倪前富．基于特征的軸類零件信息生成系統［J］．機械設計與制造工程，1999，11(6):44－46．

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