航天箱体类零件的设计及工艺分析

杨清丽

摘要:本文不仅从设计角度对航天“关键件”、“重要件”——箱体的工况条件、材料选择、结构特点等做了研究，而且还从工艺角度对航天箱体类零件进行了周密的分析，在航天箱体类零件的设计及生产中具有很好的借鉴作用。

关键词：航天箱体零件设计分析工艺分析

中图分类号：TH161 文献标识码:A 文章编号：1674-098X(2012)06(c)-0070-01

1 航天箱体类零件的功用及工况条件分析

箱体类零件(含机架)是航天产品的基础零件,它与航天产品中的齿轮、套、轴等有关的一系列零件拼接为一个整体,并使它们之间的互相位置,按照一定的协调传动关系传递动力并固定其它零部件。

常见的航天箱体类零件主要有:自由陀螺壳体、航天雷达机架、涡喷发动机壳体、航天变速器外壳、遥测装置基座等;

由于航天产品本身的工作环境通常为太空或高空飞行,且许多产品需要做海上打靶等试验,所以决定了航天箱体类零件的工况条件及选材要求为:(1)耐高温;(2)能在高湿度的工作环境而不产生风化、发霉、变质等失效现象;(3)能够承受高的压力差,这对材料的力学性能及热处理提出了较高的要求;(4)由于许多产品需做海上打靶等试验,因而要求产品能够耐酸性、碱性或盐性工作环境;(5)重力加速度小于地平面,所以选材要轻,使航天产品能够克服重力加速度而轻松升空……

2 常用材料及牌号

在实践中,航天箱体类零件常用的材料为铝材,原因在于:与钢材相比,其密度只有钢材的近1/3,因而比较轻;与非金属相比,铝材有具有较高的熔点、导热系数,较低的摩擦系数以及比非金属更高的强度和综合机械性能;与铜、钛材等有色金属、贵金属相比,由于航天箱体类零件通常体积较大因而耗材较多,所以选用铝材通常可获得较高的性价比。

根据箱体零件的结构形式不同,可分为整体式箱体和分离式箱体两大类。前者通过整体铸造完成,常用材料为铸铝,牌号有ZL101、ZL401等;后者可分别制造,常用材料为LY11、LY12等牌号的硬铝。

3 航天箱体类零件的结构特点及图纸特点

由于航天零、部件几乎都需装在箱体(或机架)上,所以箱体类零件的加工质量将直接影响航天产品的精度、性能和寿命。为确保航天产品的“稳妥可靠、万无一失”,箱体(含机架)类零件历来被航天军工企业定为“关键件”、“重要件”,从设计到生产,必然引起高度重视。

由于航天箱体(含机架)多种多样的结构形式,可是有几大相同特点,主要是:壁薄不均、形状繁多,加工部位繁多,内部腔形结构,加工难度颇大,而且要求精度,许多精度要求较低为紧固孔,精度要求较高的为孔系和平面。在航天箱体类零件图纸中,通常具有以下一些共同特点:

3.1 主平面的表面粗糙度值和形状精度要求较高

箱体的主要平面是装配的基础标准,加工时才定位基准,因此,如果没有较小的表面粗糙度值和较高的平面度,会直接影响箱体加工时产生的定位精度,从而影响机座与箱体总装时的相互位置精度和接触刚度。

一般箱体主要的平面度在0.1～0.03mm,各主要平面对装配基准面垂直度为0.1/300,表面粗糙度Ra2.5～0.63μm。

3.2 高的孔尺寸精度、几何形状精度与表面粗糙度

大孔多为轴承支承孔,若精度如果达不到要求,将影响轴承与箱体孔的配合精度,导致轴的回转精度下降,容易使传动件(如齿轮)产生噪声和振动。因此对孔的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度都要求较高,一般支承孔的尺寸精度为IT6,圆度和圆柱度公差不超过孔径公差的1/2,表面粗糙度值为Ra0.63～0.32μm。

3.3 主要孔和平面相互位置精度要求较高

同一轴线的承孔要求有一定的同轴度要求,各支承孔之间也要求有一定的孔距尺寸精度及平行度相对应,否则不仅装配困难,而且会使轴运转恶化,温度增高,齿轮啮合精度下降,轴承磨损加剧,从而引起振动和噪音,进而影响齿轮寿命。一般二言,平行度公差应小于孔距公差;同一轴线上孔的同轴度公差一般为0.04～0.01mm。主要平面与支承孔的平行度公差为0.1～0.05mm。主要平面间和主要平面对支承孔之间垂直度公差为0.1～0.04mm。

4 航天箱体类零件加工工艺分析

航天箱体类零件加工过程复杂,加工精度高,难度大。所涉及到的常见切削加工方法有:铣、刨、磨、镗、钻等。加工中需解决的关键是主要平面和轴承支承孔的加工。

对于大的零件,一般先在龙门刨床或龙门铣床上加工。在大批量的生产时,基本采用铣削;在主要平面的加工中,对于中、小零件,一般在普通铣床或牛头刨床上进行。生产批量大并且高精度零件时可采用磨削。要求生产单件小批量精度较高的平面时,除一些高精度的箱体仍然需手工刮研外,一般采用数控加工中心或宽刃精刨完成。

加工箱体支承孔时,一般不铸出直径小于50mm的孔,可采用钻－扩(或半精镗)－铰(或精镗)的方案。对于已铸出的孔,可采用粗镗－半精镗－精镗(用浮动镗刀片)的方案。由于主轴轴承孔精度和表面质量要求比其余轴孔高,所以,在精镗后要用浮动镗刀片进行精细镗。对于高精度孔,最后精加工工序也可采用滚压、珩磨等工艺方法。

5 热处理及表面处理

航天箱体类零件铸铝材料较为普遍,通常采用的热处理方法为人工时效。在毛坯铸造后应安排一次人工时效处理,有时甚至在半精加工之后还要再安排一次时效处理,以便快速消除切削加工时产生的内应力和残留铸造内应力。相对于高精密度箱体,在机械加工过程中还应安排较长时间的自然时效。

表面处理常用的方法有氧化和涂漆等方法,由于航天箱体类零件多为航天军品所采用,所以涂漆通常为黑色磁漆,牌号如H04-2黑HG2-603-75等。

参考文献

[1] 邓昭铭主编.机械设计基础.北京:高等教育出版社,2007.

[2] 孟少农主编.机械加工工艺手册.北京:机械工业出版社,1991.