針對(duì)航天薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的高效柔性裝夾解決方案

高性能、輕量化、精密化、高效化、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性是21世紀(jì)新一代航天產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，我國(guó)航天產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入高速發(fā)展期，航天技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，市場(chǎng)需求呈高速增長(zhǎng)趨勢(shì)，快速低成本發(fā)射、長(zhǎng)期在軌飛行、機(jī)動(dòng)能力突出、高有效載荷等已成為當(dāng)前航天事業(yè)發(fā)展的迫切需求。面對(duì)這一需求，航天產(chǎn)品零件材料需要往高強(qiáng)、低密度方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)需要往整體化、薄壁化方向發(fā)展，加工方式需要往高效率、低成本、節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展。

難加工材料的大量應(yīng)用，其加工性能差與結(jié)構(gòu)整體化帶來(lái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和高材料去除率，給航天薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，對(duì)制造裝備、工藝技術(shù)等也提出了更高要求。針對(duì)航天薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，特別是大型弱剛性曲面結(jié)構(gòu)件、薄壁回轉(zhuǎn)體類零件、薄型多面體類零件開(kāi)展柔性工裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)科學(xué)分布夾緊位置，合理確定夾緊力，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)航天精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高效精密加工提供穩(wěn)定的工裝系統(tǒng)。

一、柔性工裝設(shè)計(jì)要求??

機(jī)械加工工藝系統(tǒng)由機(jī)床、刀具、工件和夾具等組成，提高零件加工效率的途徑有兩條，即降低切削加工時(shí)間和降低輔助準(zhǔn)備時(shí)間。高速切削技術(shù)的應(yīng)用可以大幅度降低切削加工時(shí)間；而先進(jìn)工裝的應(yīng)用則可以大幅度降低輔助準(zhǔn)備時(shí)間，提高工件定位夾緊和調(diào)整裝卸的效率。

航天薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件具有弱剛性、形狀結(jié)構(gòu)相似等共性特征，同時(shí)型號(hào)種類呈現(xiàn)系列化發(fā)展特點(diǎn)，如艙體和端框類，舵面和翼面類等，這些零件的定位和夾緊規(guī)律性強(qiáng)。薄壁整體結(jié)構(gòu)在切削加工中零件剛性隨大量毛坯材料的去除而變化，結(jié)構(gòu)剛性低且復(fù)雜，因而客觀上要求加工中工件夾緊力要實(shí)時(shí)調(diào)整以適應(yīng)零件整體動(dòng)態(tài)剛度的變化；需要進(jìn)行多點(diǎn)輔助支撐，以提高加工部位的局部剛度，減少薄壁變形。

綜合體現(xiàn)機(jī)電液一體化技術(shù)和多傳感器信息融合技術(shù)的柔性工裝是近年來(lái)出現(xiàn)的先進(jìn)裝備技術(shù)，柔性工裝的技術(shù)特點(diǎn)是定位和夾緊元件為通用元件，可互換性好；定位夾緊位置可自適應(yīng)調(diào)整；夾緊力大小、方向和夾緊順序可自動(dòng)控制；驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)電液一體化部件；應(yīng)用位移、力和壓電傳感器元件。

柔性工裝技術(shù)可以使一套夾具滿足系列化多種尺寸規(guī)格的零件安裝要求，既具有機(jī)械式可調(diào)夾具和組合夾具的柔性，又具有特種專用夾具的高效性，適用于數(shù)控加工設(shè)備，可以使高速數(shù)控加工機(jī)床的性能得到更加充分的發(fā)揮，大幅度降低輔助準(zhǔn)備時(shí)間。

二、大型弱剛性曲面結(jié)構(gòu)件

運(yùn)載火箭推進(jìn)劑貯箱是由大尺寸、薄壁、蜂窩網(wǎng)格化的高強(qiáng)鋁合金壁板零件經(jīng)銑削加工后焊接而成，是箭體結(jié)構(gòu)中最大的結(jié)構(gòu)部件和影響運(yùn)載火箭安全性與可靠性的關(guān)鍵部件，占火箭總質(zhì)量的60％、全箭長(zhǎng)度的2／3。

大型復(fù)雜鋁合金貯箱網(wǎng)格壁板是焊接成為貯箱的基礎(chǔ)零件，壁板按結(jié)構(gòu)不同，又可分為殼段壁板和筒段壁板，不同型號(hào)的殼段壁板或筒段壁板結(jié)構(gòu)又各不相同，如圖1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，壁板在保持足夠剛度和強(qiáng)度的前提下需盡量輕量化，所以其模型存在獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征。壁板制造采用整塊鋁制板材輥彎后進(jìn)行五軸銑削加工，整個(gè)加工工藝系統(tǒng)和加工過(guò)程具有區(qū)別于其他常規(guī)結(jié)構(gòu)件加工的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)主要包括：非規(guī)則蜂窩網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、凸臺(tái)和口框等特征交錯(cuò)、整體相似與局部差異并存；宏觀大尺寸與局部變剛性特征相結(jié)合；多應(yīng)力耦合條件下的復(fù)雜轉(zhuǎn)變規(guī)律，使得壁板發(fā)生宏觀的翹曲變形以及不同網(wǎng)格位置的局部變形加大了不同網(wǎng)格壁厚的不均勻性。

針對(duì)貯箱壁板高效高精加工需求，采用了真空吸附裝夾技術(shù)，通過(guò)真空吸附夾具吸附裝夾零件，使其受到均勻分布載荷的夾緊力，從而減少零件因夾緊力造成的變形，提高零件的加工精度。真空吸附柔性裝夾裝置的主要組成包括：壁板內(nèi)型面機(jī)銑加工大型真空吸附裝置、外型面機(jī)銑加工大型真空吸附裝置、真空發(fā)生系統(tǒng)、平臺(tái)一體化控制系統(tǒng)。其中，真空吸附裝置的主要組成包括鑄造形胎、轉(zhuǎn)臂氣缸和真空吸盤、閥塊模組、壓力傳感器、真空管路、快速接頭、手動(dòng)截止閥、密封條等組成，如圖2所示。

圖1運(yùn)載火箭壁板結(jié)構(gòu)

（a） 殼段壁板 （b） 艙段壁板

圖2貯箱壁板真空吸附裝置

（a） 殼段壁板真空吸附裝置 （b） 艙段壁板真空吸附裝置

真空發(fā)生系統(tǒng)的主要功能是提供持續(xù)、穩(wěn)定的氣壓差，確保吸盤能夠牢靠的吸住工件。真空發(fā)生系統(tǒng)的組成包括：真空泵、消音器、電磁壓差真空閥、高真空隔膜閥、真空阱、高真空手動(dòng)蝶閥、真空表、控制系統(tǒng)等，真空發(fā)生系統(tǒng)中重要的性能參數(shù)是其所能獲得的極限真空度和對(duì)容器的有效抽速。

三、薄壁回轉(zhuǎn)體類零件

艙體、端框等結(jié)構(gòu)件屬于典型薄壁回轉(zhuǎn)體類零件，這類結(jié)構(gòu)件的數(shù)控銑削加工柔性工裝可用于零件周向孔、槽、口框、型腔的銑削、鉆削與鏜削加工，而長(zhǎng)度方向和直徑方向的夾持范圍均可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，工裝系統(tǒng)夾緊力范圍也可調(diào)，從而適應(yīng)多品種相似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的裝夾需求，其外圓車削夾具、內(nèi)腔與端面車削夾具均具備軟爪卡盤裝夾功能，以適應(yīng)薄壁結(jié)構(gòu)的小變形裝夾需求。

傳統(tǒng)裝夾條件下，薄壁回轉(zhuǎn)體類零件多采用機(jī)械壓板、悶蓋的組合裝夾方式，裝夾時(shí)間長(zhǎng)，裝夾可靠性完全依靠工人態(tài)度和工作規(guī)范性，夾緊力大小和一致性無(wú)法保證。根據(jù)薄壁回轉(zhuǎn)體類零件特征設(shè)計(jì)液壓柔性工裝系統(tǒng)，形成軸向夾緊位置可調(diào)，夾緊與浮動(dòng)支撐結(jié)合，多點(diǎn)自動(dòng)定心的柔性?shī)A緊技術(shù)，從而滿足不同直徑和不同長(zhǎng)度的回轉(zhuǎn)體類零件夾緊需求，柔性?shī)A具示意圖如圖3所示。

圖3薄壁回轉(zhuǎn)體類零件數(shù)控銑削加工柔性工裝示意圖

多類型號(hào)的艙體、端框等薄壁回轉(zhuǎn)體類結(jié)構(gòu)件均可采用圖3所示的同一套夾具裝夾，柔性?shī)A具的軸向行程徑向行程均可以調(diào)整，軸向夾緊位置可以隨艙體外形加工的位置而改變，解決加工干涉問(wèn)題。通過(guò)液壓站控制系統(tǒng)壓力和夾緊力大小，采用有限元仿真分析不同夾緊力條件下，零件裝夾變形情況，從而確定最優(yōu)夾緊力。夾具底部采用360度轉(zhuǎn)臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)艙體等回轉(zhuǎn)體類結(jié)構(gòu)件不同位置的旋轉(zhuǎn)和加工。

在艙體類零件的外圓與內(nèi)腔加工中，六爪或八爪卡盤特別設(shè)計(jì)適于薄壁件和易變形工件的多點(diǎn)夾持，如圖4所示。多爪卡盤基爪兩兩相連可浮動(dòng)向心夾緊，這樣使多個(gè)夾緊點(diǎn)的力方向皆指向中心，保證工件不易變形。同時(shí)，此種設(shè)計(jì)使得在卡盤上直接使用傳統(tǒng)卡爪成為可能，并兼具離心力補(bǔ)償。

圖4典型六爪卡盤

四、薄型多面體類零件

作為保持飛行姿態(tài)和控制飛行方向的重要零件，薄型多面體類零件有較高的空氣動(dòng)力學(xué)要求，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，表面加工質(zhì)量要求較高。這類結(jié)構(gòu)件以多斜面為主，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，刃口部位局部最薄壁厚不足0．5mm，零件材料去除率達(dá)70％以上，典型零件對(duì)象包括舵面、翼面、罩板等。

傳統(tǒng)裝夾模式下，針對(duì)薄型多面體類零件舵采用機(jī)械壓板夾緊，裝夾時(shí)間長(zhǎng)，裝夾可靠性完全依靠工人經(jīng)驗(yàn)和工作規(guī)范性，夾緊力大小和一致性無(wú)法保證。根據(jù)薄型多面體類零件特征設(shè)計(jì)液壓柔性工裝系統(tǒng)，通過(guò)合理分布夾緊點(diǎn)，結(jié)合自動(dòng)壓緊和壓緊力控制，形成適用于多種型號(hào)舵面、翼面類零件的柔性工裝系統(tǒng)。

舵翼類在加工過(guò)程中需要進(jìn)行兩面加工，因此需要設(shè)計(jì)兩套柔性工裝系統(tǒng)來(lái)分別完成正面和反面的加工，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。以翼面零件為翼面零件毛坯正面夾緊采用六個(gè)液壓轉(zhuǎn)角下壓油缸完成六個(gè)位置壓緊，毛坯放置底座采用挖空設(shè)計(jì)，防止在零件加工時(shí)底座干涉。通過(guò)液壓站控制系統(tǒng)壓力控制六個(gè)夾緊點(diǎn)夾緊力大小，采用有限元仿真分析不同夾緊力條件下，零件裝夾變形情況，確定最優(yōu)夾緊力。

在完成正面加工后，利用正面夾緊工藝搭子，反面夾緊采用六個(gè)液壓轉(zhuǎn)角下壓油缸完成與正面相同的六個(gè)位置壓緊，毛坯放置底座采用挖空設(shè)計(jì)，防止在零件加工時(shí)底座干涉。

圖5典型六爪卡盤

針對(duì)航天薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工柔性工裝的研制需求，需要綜合研究薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件切削力－熱耦合規(guī)律、零件剛性的動(dòng)態(tài)變化以及加工路徑的影響規(guī)律，從而優(yōu)化夾緊位置和夾緊力的分布，通過(guò)夾緊力的柔性可調(diào)來(lái)平衡切削力，減小局部切削變形?；诤教毂”趶?fù)雜結(jié)構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)特征相似性，研制自動(dòng)化定位和夾緊的柔性工裝，用于大型弱剛性曲面結(jié)構(gòu)件、薄壁回轉(zhuǎn)體類結(jié)構(gòu)件和薄型多面體類結(jié)構(gòu)件艙的定位裝夾，實(shí)現(xiàn)同類結(jié)構(gòu)件共用一套柔性?shī)A具，快速自動(dòng)裝夾和拆卸，能夠大幅減少加工輔助準(zhǔn)備時(shí)間，有效提升加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。