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1、航天构造件成组加工工艺方法研究摘要:立足航天科研型号生产实际，在梳理并研究所承接重点关注产品加工特征的基础上，提出一种基于坐标系偏置的成组加工工艺方法。以算法VS2010为核心，开发了专用的成组加工程序批量后处理器，实现了加工程序的高效生成。该方法已应用在航天多种型号零部件的实际生产中，可在保证高精度要求的同时，大幅提高生产效率。关键词:航天制造领域;典型构造件;成组加工;坐标系偏置随着航天技术的发展，航天器高密发射需求越发凸显，各型号任务几何式增长(由单件/年激增至近是数十件/年)。深空探测任务的逐步施行，航天器所面临的使用环境越发复杂，对产品制造的性能要求越来越多和越来越高，涌现出一大批高
2、性能指标要求的关键零部件(难切削材料全面应用;复杂的空间轮廓，刀具可达性弱;微米级的形位精度及尺寸精度，难以保证)，如运载型号阀门系统中的电磁铁壳体、阀体，对接机构盒盖、底座，921型号铰链、锁轮等零件(如图1所示)。该类零件年生产当量的突然加剧、紧凑的交付节点与“苛刻的精度指标给航天制造单位带来了极大的挑战。原有“一对一的生产形式(即一次装夹加工一个工件)难以知足高密发射的需求，工艺道路及工艺方法的创新势在必行。成组加工技术起源于欧洲，大成于美国1，可大幅提高生产系统柔性，是解决航空航天“多品种、小批量生产瓶颈的绝佳方法之一。美国将其列入国防军工领域200项核心技术库2，并对我国施行技术封锁
3、。为打破技术垄断，国内各研究机构相继开展专项攻关，历经近半个世纪的努力，获得了多项成果，不仅填补了理论空白37，并在农工业机械、纺织机械等以批量生产形式为主的当代化工业生产中进行了工程应用验证，带来了显著的经济效益。但对于以“小批量(甚至单件)、高精度、多品种为显著特征的航空航天等领域，成组加工技术尚处于探索阶段，未能广泛应用。本文立足航天型号科研生产实际，在梳理并研究所承接重点关注产品加工特征的基础上，提出一种基于坐标系偏置的成组加工工艺方法。以该方法为核心，开发了专用的成组加工程序批量后处理器，实现了加工程序的高效生成。十余种型号产品的实际加工结果表明，该工艺方法正确、有效。1技术道路制定
4、及目的对象选取梳理并研究重点关注产品的加工特征，以产品加工难度、批量为权值划分优先级。根据优先级选取典型产品。同时，关注该产品的生命全周期，梳理瓶颈，制定成组加工解决方案。图2(左上)所示为航天某型号电磁铁壳体。该零件具备航天构造件典型特征(详细见表1)，选取该零件为对象，研究航天典型构造件成组加工技术，以点带面，推进航天精益数控进程。2成组加工技术方案施行21通过切削试验优选刀具、走刀途径及切削参数传统走刀途径主要包括Z形迂回、单向平行及轮廓平行途径(图3a、b、c)。实际加工时，Z形迂回及轮廓平行途径存在顺铣逆铣往复交替、拐角处加减速变化剧烈等缺陷;单向平行途径避免了顺铣逆铣往复交替，但是
5、其包含的进退刀经过和相邻两层刀具空切移动占用大量机时，CAM程序执行效率低下。相对于传统策略，螺旋铣避免了顺铣逆铣交替进行、刀路拐角和途径自相交、空切移动等问题，具有更高的切削效率和更低的刀具磨损率，可在保证加工精度的前提下，大幅提高加工效率(如图3d)。针对1J22软磁合金(电磁铁壳体基体材料)开展切削试验研究(图4，表2)，完成刀具优选及切削参数制定。22成组加工专用批量后置处理软件的开发及应用主流数控系统(如西门子840D、FANUC31i、海德汉530等)均具备坐标系偏置功能，并支持同时设置多个坐标系。成组加工的核心是在一次装夹经过中，安装多个工件，同时进行加工，以程序高度集成，减少人
6、为干涉的方式，提高生产效率。基于此，可将所安装的每个工件都视为一个单独的生产单元，每个单元均具备本身的加工坐标系，加工坐标系之间存在着阵列的数学关系，这种关系以数据的形式保存在坐标系偏置指令寄存器中(如G54G59)。通过偏置坐标系，完成数控加工程序的准确阵列，进而实现成组加工。综合上述理论方法，结合生产实际需要，开发了成组加工程序批量处理软件(如图4所示)。软件兼容主流数控系统，实现主程序与子程序的批量修改与自动生成。23VEICUT仿真平台的搭建及数控程序仿真检测根据机床运动学模型，在VEICUT平台中建立了机床的配置信息文件。研究了Simens840D数控系统宏指令与VEICUT软件功能
7、模块的对应关系，并以调用软件内置关键字及代码编写的方式，完成了数控系统的配置。基于VEICUT平台，完成了考虑工件装夹方案的成组加工全经过仿真(图6)，确保成组加工程序与工件、装夹元件均无干预，程序几何轨迹完全正确，为工件的实际加工奠定基础。24实际加工验证将仿真验证过的成组加工数控程序导入机床，并采用表2中的轨迹策略及切削参数进行加工，产品精度稳定性、加工效率、成品率大幅提高;同时刀具成本降低，效果显著(表3、图7)。25推广应用该技术已推广应用于航天多种型号十数种零件的实际加工中，如921某型号铰链;对接机构盒盖;运载某型号阀体等(图8)。在航天系统内部起到了很好的示范作用。本文提出了一种基于坐标系偏置的成组加工工艺方法。该方法可在保证产品质量的前提下，大幅提高加工效率，为航天各型号产品的按时交付提供有力保障。同时，由于工艺方法高度集成，在整个加工周期内，刀具更换、程序调用等均自动进行，无需人为干涉，实现了整个加工经过的“黑灯化，为打造精益数控、构建航天“黑灯工厂踏出坚实一步。