基于测量补偿的多种曲率壁板共用工装的误差分析及加工方法

姚辉， 袁祥祥， 姚亚超， 张金玉， 冀亚东

（天津航天长征火箭制造有限公司，天津300462）

0 引言

随着我国航天事业的快速发展, 我国运载火箭迅速进入了“高密度并行研制、多型号密集发射和应急快速发射”的快速发展期。新一代运载火箭从绿色制造出发摒弃了传统的化学铣削，按照“平板铣削-滚弯成型-拼焊”的加工工艺。但此工艺存在壁板在弯曲变形过程中壁板开裂、壁板凸楞和母线不直等问题，特别是对于2195铝锂合金，存在室温塑性差和冷加工容易开裂等特点，常见的先铣后弯的工艺越来越不具有优势[1]。

上述缺陷的成因主要是由于平板壁板存在网格结构，这些结构易产生应力集中，板材越厚网格深度越大，壁板滚弯开裂的风险越大。同时壁板网格结构越不均匀，滚弯过程中整板受力越不均匀，越容易在某些位置产生应力集中点[2]。在实际生产中，往往通过增大网格区或者应力集中较大处的根部圆角以增强这些位置的强度。但随着产品材料的更新、结构的不断升级，以及壁板板材网格深度的逐步增加，上述的工艺缺陷问题越发凸显。单纯地进行局部结构的加强已不能改善滚弯过程中产生的缺陷。

为克服上述问题，就需要将网格铣削的工序后移至滚弯工序之后，以降低壁板在弯曲变形过程中出现开裂等问题的风险。即采用“滚弯成形-五轴铣削-拼焊”的工艺方案。为此本文将对弯曲壁板机械铣蒙皮外网格的加工方案进行分析，通过辅助工装及在位测量技术，解决加工过程中壁厚精度保证及不同半径壁板共用模胎的误差分析。

1 整体工艺方案

弯板机械铣采用的先滚弯后弯曲壁板铣削的加工方式，如图1所示。为保证零件与工装的贴合效果，同时减小壁板弯曲状态的加工量，壁板两面均需要加工并加工至最终尺寸。由于壁板金属去除率高，加工后残余应力较大。弯板加工后弧板往往会有较大的变形，需要最终再进行一次校形。

图1 弯曲壁板加工流程图

弯曲壁板的加工采用弯曲真空吸盘进行装夹，如图2所示。胎膜表面开设有若干横纵的气道可根据零件大小在相应的气道内铺设密封胶条形成真空区,使吸盘内产生负气压,从而将待弯曲壁板吸牢，同时在壁板周围设置辅助压板以提高吸附效果[3]。工装模型及实物图如图2所示。

图2 工装模型及实物图

图3 壁厚测量反馈系统

弯曲壁板相对弯曲壁板与胎具的贴合度较差，一般局部均会存在一定的间隙，同时板材在弯曲成型的过程中会存在一定的壁厚变化。非接触式的光学测量方法优势在于，可在较短时间内获取数以万计的点云数据，在确保测量效率的同时能更准确地描述被测对象的特征。然而对于端壳壁板减重网格的壁厚特征，光学测量无法直接获得壁厚数据[4]。根据实际加工经验，壁板与胎膜不可能毫无缝隙地贴合，这严重影响了非接触式的光学测量方法的准确度，因此实际生产中一般还是采用超声测量的方法，如图3所示。超声测量装置由测量探头机构和耦合剂喷涂机构组成，测量装置安装在设备主轴上通过数控系统控制，根据编制好的测量程序对网格按照设定密度进行壁厚测量并反馈测量结果。并且根据测量结果可以对原始的数控程序进行法向位置的精确补偿，完成对每个网格的差异化补偿，来保证壁厚的均匀一致性。

因此，对于不同曲率半径的产品，通过设备壁厚补偿的功能，就可以对弧面不同位置补偿不同刀具长度方式，实现用不同曲率半径的程序在固定曲率半径的胎模上加工出等壁厚的壁板。

2 多曲率壁板共用胎具的误差分析

壁板数控加工中通常需要设置程序原点以保证程序轨迹与零件实物重合，确保零件壁厚均匀。当程序原点设置有偏差时，即会造成程序轨迹与零件实物错位，造成零件壁厚出现偏差。

在使用固定胎具加工不同曲率壁板时，零件装夹在胎具后其曲率半径将发生变化与胎具一致，使得原加工程序轨迹与装夹后的零件实物无法完全重合，根据加工原点设定对称居中的原则。原加工程序轨迹与装夹后的零件实物将会沿零件中心线方向形成一个圆心距Δt的偏差。如图所4示，为方便后续计算及表示约定：程序轨迹曲率为R1=1666，零件装夹后曲率为

R2=1669，R1＜R2；α为铣削位置程序的向心角度（0 ＜α ＜60°），β为实际加工位置的理论法向角度。

根据设备的补偿原理，当加工点A时，此时程序加工角度为α，当补偿完成后实际加工位置的理论法向角度β，根据几何关系α与β的关系为

图4 程序轨迹轮廓与零件实物轮廓示意图

因此程序轨迹与装夹后的零件在法向位置存在一个法向补偿值ΔR。当Δt的值发生变化时，铣削位置法向角度及对应周向位置与程序理论位置的法向角度及对应周向位置将会产生偏差。

根据几何关系，两曲面以中心线为界，曲面上任意点的位置偏差为其到中心线位置弧长的偏差。根据弧长公式L=α×R，则补偿后曲面上任意位置沿弧面的偏差为

当Δt=0，即程序轨迹原点与零件装夹后原点处于同心时，程序轨迹任意位置的补偿值ΔR均为R2-R1，同时α=β，则ΔL=α（R2-R1）。

根据式（1）和式（2）可绘制出ΔL -α 曲 线图，如图5～图7所示。

当0 ＜Δt ＜（R2-R1）时，根据几何关系可知，随着Δt的增大，程序轨迹任意位置的补偿值ΔR均开始减小，且越远离中心线的点ΔR减少的越小。随着α增大即越远离中心线ΔL的增长越快。但由于ΔR的减小，最大ΔL相比Δt=0时明显减少。

当Δt=( R2-R1)时，中心线位置 处 的ΔR =0。此时ΔL虽然仍为单调递增，但ΔL的最大值进一步减少。

当Δt＞( R2-R1)时，随着Δt的增大ΔL并不再是单调递增，ΔL开始出现负值，同时|ΔL|相比Δt≤( R2-R1)时的|ΔL|，依然有逐渐减小的趋势。

最后通过计算可得，在R1=1666，R2=1669的条件下，当Δt=3.5时α在[0,60°] 范围内,mix|ΔL|有最小值为0.18 mm。即线性尺寸的偏差的最大值为0.36，满足生产中GB/T 1804-m级的精度要求。

图5 ΔL-α曲线关系图（R1=1666，R2=1669，Δt=0）

图6 ΔL-α曲线关系图（R1=1666，R2=1669，Δt=2.8）

图7 ΔL-α曲线关系图（R1=1666，R2=1669，Δt=3.5）

3 结语

本文针对生产过程中多曲率弯曲壁板的加工需多套工装的问题，制定了不同曲率壁板共用工装的加工方法，并对共用工装所带来的周向弧长偏差进行了误差分析。结果显示，通过机床的测量补偿系统可以实现共用工装的加工方法，加工误差在产品制造精度要求范围内。在满足产品制造精度的同时，减小了产品对工装的需求，缩短了产品的研制周期。