大型航天结构件加工的温度补偿技术

■贵州航天风华精密设备有限公司 （贵州贵阳 550009） 童春桥

大型航天产品的关键技术指标决定其结构件的重要尺寸受严格技术条件控制，但大型结构件受工件材料自身属性、加工设备和厂房环境温差等因素影响，容易产生超差问题。通过发射筒加工的条件分析和实践应用温度补偿加工技术，解决了大型铝合金结构件重要尺寸加工因受温度变化影响而热胀冷缩的问题。

1. 零件结构及加工要求

某导弹发射筒是由铝合金蒙皮卷圆后，与加强筋、主框架和法兰盘等焊接而成的薄壁筒体结构件，如图1所示。蒙皮材料为5A06。由于发射筒加工过程中存在焊接收缩及变形，所以发射筒上的关键部位需要在焊接完成后，采用大型数控龙门铣床进行加工。其中，发射筒上的3个重要大尺寸控制要求非常严格：与发射车定位销配合的4 个孔的位置精度（对应尺寸3 046mm±0.4mm）影响导弹发射的初始定向精度；发射筒上与导弹对接的2 个支架组件安装孔的位置精度（对应尺寸4652mm±0.7mm 和4978mm±0.7mm）决定了与导弹的装配协调性。以上3个尺寸在（20±5）℃范围内检测时不允许超差。

图1 导弹发射筒示意

2. 加工中存在的问题

在某研制阶段投产的10余台发射筒，有6台在8月份（当地气温为20～35℃）进行了机加工，剩余部分在12月份（当地气温为0～7℃）进行机加工，前述重要尺寸均按尺寸公差中值进行加工。加工时现场用激光三坐标测量仪进行了测量，均满足要求。在第二年4月份（当地气温为12～24℃）进行装配时，重新对发射筒进行了测量，发现所有发射筒较大的尺寸均发生了变化，前述3个重要尺寸都有超差，且离散性非常大，其中8月份加工的筒体，测量结果多数超出尺寸下偏差，而12月份加工的发射筒，测量结果多数超出尺寸上偏差。无法正常使用。

3. 问题分析

发现问题后，即从人、机、料、法、环和测（5M1E）各方面进行复查。由于机床是光栅全闭环系统，自身带温度补偿系统，厂家在机床上设置有温度传感器，软件系统根据环境温度进行机床精度自动补偿。经复查，机床各方面精度都满足，不存在问题；零件加工时，刀具和数控程序经过验证完全适合加工，加工过程中测量值与加工情况相符，加工后测量值也符合工艺要求。

最后将问题定位在环境温度变化的因素上，进行了如下分析。

1）铝合金的温度膨胀系数较大，线膨胀系数为23.6×10-6/℃，根据公式△l＝aL△t（其中，△l为伸长量；a为线膨胀系数；L为原始尺寸；△t为温度变化量）计算，3个重要尺寸在温度变化10℃和15℃时的伸长量见表1。

2）从表1 可以看出，温度变化1 0 ℃时3 个尺寸的膨胀值已基本接近尺寸公差范围值，即（20±5）℃范围内，尺寸3046mm的公差±0.4mm、4652mm的公差±0.7mm和4978mm的公差±0.7mm。机床的精度因素影响在发射筒热胀冷缩状况下已微不足道。

3）当地全年气温在0～35℃内变化，虽然厂房内安装了中央空调，但由于加工发射筒的大型数控龙门铣床非常大，厂房空间也大，加工环境温度只能控制在8～30℃，冬天接近8℃，夏天接近30℃，而4月在20℃左右。原加工工艺没有考虑到实际环境温度的影响，是造成后续超差和尺寸离散性大的主要原因。

4. 采取的措施

根据分析，制定了温度补偿措施。标准测量时的温度为20℃，因此当工件温度为20℃时，按尺寸公差中值进行加工；当工件温度低于20℃时，按低于标准测量温度的数值换算并减小加工尺寸；当温度高于20℃时，按高出标准测量温度的数值换算并加大加工尺寸。具体为：

1）由于温度有一个变化范围，操作人员不可能在每次测量后都进行一次繁琐的计算，所以为了方便直接应用，随时查看变化量，我们专门制作了一个温度补偿对应加工尺寸表，表格里面编辑了工件温度值对应选取的加工尺寸值。“温度补偿对应加工尺寸表”的温度采用每1℃为区间分界，以3 046m m尺寸为例，在19.5～20.5℃区间，取3 046mm；在20.5～21.5℃区间，取3046.07mm，以此类推。

表1 温度变化10℃和15℃时的伸长量对比

2）由于环境温度随时都在发生变化，而工件的热传递和热胀冷缩也会存在一定的反应时间，所以为消除环境温度与工件实际温度差异带来的影响，加工以上关键尺寸前，直接用红外测温枪测量工件温度，然后在表格中选取加工数值修改到数控加工程序中，再进行加工。

3）加工完后，工件进入标准室温（20±2）℃的检验室放置4h后，用激光三坐标测量仪进行测量。由于工件较大，且批量生产后测量工作量较大，所以经过摸索对比，可以采取加工完后现场用数控龙门铣床进行测量。测量时按工件的实际温度，对照“温度补偿对应加工尺寸表”检查符合性，3 046mm尺寸公差按±0.15mm控制，4 652mm和4 978mm的尺寸公差按±0.2mm控制。用数控龙门铣床测量的方法经验证是有效的，节省了大量在标准检验室测量的工作量，但需要定期（如每2个月）进行一次测量对比或对数控机床进行精度校验。

5. 实施效果

采取措施后加工的发射筒，取得了以下效果。

1）3个重要尺寸在（20±5）℃范围内随时进行测量，都能保证在设计要求的公差范围内，20℃时测量结果接近公差中值。

2）不同时期加工的发射筒，放到同样的环境温度下测量，同一尺寸测量结果的一致性非常好，偏差基本控制在0.3mm以内，这对后续产品装配极为有利。

3）利用数控龙门铣床作为工检共用设备得到验证，减少了在标准检验室测量的工作量。

经过批量生产验证，发射筒后续装配未发现因以上尺寸超差而受到影响的质量问题，取得了较好的效果。

6. 结语

对于大型结构件加工，其设备和厂房通常较大，环境温度很难稳定在（20±2）℃范围内，因此对于精度要求较高的大尺寸，需要结合温度补偿加工技术进行加工。在发射筒上采取了测量实际工件温度、使用温度补偿对应加工尺寸表的方法，保证了加工要求，也方便了工人的操作。在使用数控龙门铣床作为工检共用设备前进行了验证，并采取相应的控制措施，在批量生产时减少了测量的操作难度与工作量。