双面下陷蒙皮壁板快速定位及变形控制技术

张金玉，段贵超，李俊文，王杨，杨昊，姚亚超

天津航天长征火箭制造有限公司 天津 300462

1 序言

新一代运载火箭的特点是绿色、无毒和无污染。航天壁板以2219铝合金材质为主，作为新一代运载火箭的主要结构件，具有高强度、高韧性和轻量化等特点。新一代运载火箭研发的新型壁板结构——双面下陷蒙皮壁板，在具备各种力学优点的同时，也带来了加工方面的困难和挑战。

针对双面下陷蒙皮壁板加工过程中，两面下陷特征相对位置精度控制以及中空型腔壁厚公差控制进行研究，成功解决了双面两次定位精度差、找正效率低和壁厚公差难以保证的难题。

2 加工方式

双面下陷蒙皮壁板主要应用于新一代运载火箭贮箱中，不仅需要承载压力，还要有良好的工艺性能。为了减轻贮箱质量，采用双面加工的方式代替单面加工来减轻壁板质量。传统的单面加工利用真空吸附装夹固定，只需确定加工原点，即可完成整个铣削过程[1]。双面加工时，需要对壁板进行翻面加工，且A、B两面的凹槽下陷位置精度要求控制在0.05mm以内。传统的打表拉直定位方式精度误差较大，效率低下且容易超差；同时，由于B面凹槽下陷区域在真空吸附力的作用下易产生变形，因此增加了铣削难度。双面下陷蒙皮壁板如图1所示。

3 加工难点

1）寻找原点重复定位困难。壁板原采用单A面加工只需吸盘吸附固定，定好原点就可以完成整个工序的加工，一次装夹即可完成。现采用A面、B面铣削加工，B面加工完成后，翻面定位找正，再进行A面加工，这就需要精确保证A面、B面特征元素的位置度。然而壁板尺寸较大，A面、B面加工原点找正困难，尺寸难以对应，增加了翻面重复定位找正的难度和风险[2]。

2）悬空区域变形大，厚度累积误差大。当壁板在B面凹槽下陷加工完成后进行翻面，再进行A面凹槽下陷加工，且保证下陷区域厚度公差为0.2mm时，由于受切削力、吸附力的影响，B面凹槽下陷形成的中空区域极易产生塌陷变形，造成A面下陷壁厚尺寸超差。

4 加工方案优化

（1）装夹找正优化 贮箱壁板A面、B面加工时，利用百分表打表的方式对壁板一侧进行拉直定位，然后再利用寻边器找正壁板加工原点，这种定位方式缺点明显：打表拉直费时费力，增加工作时间和人力成本，效率低。通过对加工数据的测量、分析和尺寸链的研究、计算，确定将打表定位改为压板三点定位。三点定位找正如图2所示。

图2 三点定位找正示意

壁板B面凹槽下陷加工完成后，在吸盘上利用两个压板在壁板X向一侧进行定位，一个压板在壁板Y向一侧进行定位，此时只需要沿着X向180°翻转壁板，重新靠紧3个支点，然后进行A面加工。这种定位方式结构简单、操作方便，且保证产品定位误差在0.05mm以内，完全满足公差精度要求，重复定位精度也得到了保证。

（2）正反面凹槽加工方法优化 采用双面铣削加工方法，当产品翻转到A面时，由于需要在B面对应位置加工A面槽，此时B面若没有支撑，在加工时极易使（4.5±0.1）mm的总剩余厚度公差超差，因此需要考虑在B面凹槽的位置（见图3）填充弹性海绵垫、橡胶泥等填充物，避免受到悬空区域吸附变形的影响。

图3 填充海绵区位置示意

但采用B面凹槽添加填充物的方法存在以下缺点：生产成本提高、填充物分布不均匀及加工周期长等。经分析试验，在不添加填充物的情况下，采用对B面“小切削深度、慢进给速度、多分层”的铣削方法，也可满足尺寸精度要求，并提升生产效率，降低操作人员劳动强度[3]。具体实施方案如下。

1）以壁板厚度、B面槽深度和A面槽厚度组成尺寸链，通过精确计算，确定A面槽深度尺寸及加工误差，避免累积误差。

2）铣削A面槽采用“小切削深度、慢进给速度、多分层”的高速切削模式，根据不同深度确定分层、进给速度及切削深度。以2mm切削深度为例，为保证精度，同时兼顾效率，按0.8m m、0.7mm、0.5mm的分层方式分3层加工，通过逐层减少切削深度、进给速度的方式降低薄壁区变形，保证A面、B面铣削厚度精度。双面铣削分层切削参数见表1。

表1 双面铣削分层切削参数

5 加工效果对比

（1）切削质量提升 对比方案优化前后的实际加工效果，可知传统加工方法极易出现A面、B面凹槽剩余厚度减薄或增厚的不规律超差问题。方案优化前后超差情况统计见表2。

表2 方案优化前后超差情况统计

由表2得出，用高速铣削“小切削深度、慢进给速度、多分层”的理念进行加工方式优化，一举避免了B面槽受力变形而影响产品质量的复杂问题，保证了产品总厚度精度。且此方式在单面、双面加工的壁板类零件中均比较适用。

（2）切削效率提高 传统加工方法由于易出现变形，因此在半精加工和精加工时需要反复打表、测量，计算并修正变形带来的切削误差。工艺优化后采用三点定位找正及“小切削深度、慢进给速度、多分层”的切削方法[4，5]，通过三点定位快速地拉直找正，省去了打表拉直壁板找正的繁琐步骤；“小切削深度、慢进给速度、多分层”方法的应用，有效解决了加工变形带来的干扰，省去了反复打表、测量的时间，同时省略了B面凹槽装填充物的时间，加工效率得到大幅提升。

6 结束语

本文对壁板双面铣削加工中遇到的难点问题进行了详细的阐述和分析，提出了优化的工艺方法，通过技术革新，在壁板翻面加工中采用三点定位找正和数控高速铣削方法，将该类型壁板单件产品加工效率至少提升40%，一检合格率达到100%，并进行了多次实际加工验证，实现了双面铣削的快速定位以及加工变形的有效控制，为后续壁板类零件的工艺优化提供了可供参考的新经验。

该文针对双面下陷蒙皮壁板铣削过程中遇到的难点问题，提出了双面两次加工的工艺方法，通过装夹方式和正反面凹槽加工方法的优化,减少了壁板翻面后重复定位的难度和时间，经过实际加工验证，提高了产品合格率和加工效率。

文章的亮点是薄壁板翻面定位方法和双面凹槽对应加工技术，通俗易懂，实用性强。通过工艺优化，壁板翻面后采用三点定位找正，在B面凹槽不增加填充物的情况下，采用“小切削深度、慢进给速度、多分层”的铣削方法加工A面对应位置凹槽，有效解决了槽底薄壁处的加工变形问题，满足了双面铣削的尺寸精度要求。

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