針對航天薄壁復雜結構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、經濟性和環(huán)保性是21世紀新一代航天產品的發(fā)展趨勢。當前，我國航天產業(yè)已進入高速發(fā)展期，航天技術的應用范圍也越來越廣，市場需求呈高速增長趨勢，快速低成本發(fā)射、長期在軌飛行、機動能力突出、高有效載荷等已成為當前航天事業(yè)發(fā)展的迫切需求。面對這一需求，航天產品零件材料需要往高強、低密度方向發(fā)展，結構需要往整體化、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用，其加工性能差與結構整體化帶來的結構復雜化和高材料去除率，給航天薄壁復雜結構件加工帶來了巨大挑戰(zhàn)，對制造裝備、工藝技術等也提出了更高要求。針對航天薄壁復雜結構件，特別是大型弱剛性曲面結構件、薄壁回轉體類零件、薄型多面體類零件開展柔性工裝系統(tǒng)設計，通過科學分布夾緊位置，合理確定夾緊力，能夠為實現(xiàn)航天精密復雜結構件高效精密加工提供穩(wěn)定的工裝系統(tǒng)。

一、柔性工裝設計要求??

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

航天薄壁復雜結構件具有弱剛性、形狀結構相似等共性特征，同時型號種類呈現(xiàn)系列化發(fā)展特點，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。薄壁整體結構在切削加工中零件剛性隨大量毛坯材料的去除而變化，結構剛性低且復雜，因而客觀上要求加工中工件夾緊力要實時調整以適應零件整體動態(tài)剛度的變化；需要進行多點輔助支撐，以提高加工部位的局部剛度，減少薄壁變形。

綜合體現(xiàn)機電液一體化技術和多傳感器信息融合技術的柔性工裝是近年來出現(xiàn)的先進裝備技術，柔性工裝的技術特點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調整；夾緊力大小、方向和夾緊順序可自動控制；驅動執(zhí)行機構為機電液一體化部件；應用位移、力和壓電傳感器元件。

柔性工裝技術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，既具有機械式可調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)控加工設備，可以使高速數(shù)控加工機床的性能得到更加充分的發(fā)揮，大幅度降低輔助準備時間。

二、大型弱剛性曲面結構件

運載火箭推進劑貯箱是由大尺寸、薄壁、蜂窩網(wǎng)格化的高強鋁合金壁板零件經銑削加工后焊接而成，是箭體結構中最大的結構部件和影響運載火箭安全性與可靠性的關鍵部件，占火箭總質量的60％、全箭長度的2／3。

大型復雜鋁合金貯箱網(wǎng)格壁板是焊接成為貯箱的基礎零件，壁板按結構不同，又可分為殼段壁板和筒段壁板，不同型號的殼段壁板或筒段壁板結構又各不相同，如圖1所示。根據(jù)設計要求，壁板在保持足夠剛度和強度的前提下需盡量輕量化，所以其模型存在獨特的結構特征。壁板制造采用整塊鋁制板材輥彎后進行五軸銑削加工，整個加工工藝系統(tǒng)和加工過程具有區(qū)別于其他常規(guī)結構件加工的特點，這些特點主要包括：非規(guī)則蜂窩網(wǎng)格結構、凸臺和口框等特征交錯、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合；多應力耦合條件下的復雜轉變規(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。

針對貯箱壁板高效高精加工需求，采用了真空吸附裝夾技術，通過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：壁板內型面機銑加工大型真空吸附裝置、外型面機銑加工大型真空吸附裝置、真空發(fā)生系統(tǒng)、平臺一體化控制系統(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、手動截止閥、密封條等組成，如圖2所示。

圖1運載火箭壁板結構

（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容器的有效抽速。

三、薄壁回轉體類零件

艙體、端框等結構件屬于典型薄壁回轉體類零件，這類結構件的數(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，而長度方向和直徑方向的夾持范圍均可在一定范圍內調整，工裝系統(tǒng)夾緊力范圍也可調，從而適應多品種相似結構產品的裝夾需求，其外圓車削夾具、內腔與端面車削夾具均具備軟爪卡盤裝夾功能，以適應薄壁結構的小變形裝夾需求。

傳統(tǒng)裝夾條件下，薄壁回轉體類零件多采用機械壓板、悶蓋的組合裝夾方式，裝夾時間長，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法保證。根據(jù)薄壁回轉體類零件特征設計液壓柔性工裝系統(tǒng)，形成軸向夾緊位置可調，夾緊與浮動支撐結合，多點自動定心的柔性夾緊技術，從而滿足不同直徑和不同長度的回轉體類零件夾緊需求，柔性夾具示意圖如圖3所示。

圖3薄壁回轉體類零件數(shù)控銑削加工柔性工裝示意圖

多類型號的艙體、端框等薄壁回轉體類結構件均可采用圖3所示的同一套夾具裝夾，柔性夾具的軸向行程徑向行程均可以調整，軸向夾緊位置可以隨艙體外形加工的位置而改變，解決加工干涉問題。通過液壓站控制系統(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度轉臺，能夠實現(xiàn)艙體等回轉體類結構件不同位置的旋轉和加工。

在艙體類零件的外圓與內腔加工中，六爪或八爪卡盤特別設計適于薄壁件和易變形工件的多點夾持，如圖4所示。多爪卡盤基爪兩兩相連可浮動向心夾緊，這樣使多個夾緊點的力方向皆指向中心，保證工件不易變形。同時，此種設計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力學要求，因此結構設計復雜，表面加工質量要求較高。這類結構件以多斜面為主，結構復雜，刃口部位局部最薄壁厚不足0．5mm，零件材料去除率達70％以上，典型零件對象包括舵面、翼面、罩板等。

傳統(tǒng)裝夾模式下，針對薄型多面體類零件舵采用機械壓板夾緊，裝夾時間長，裝夾可靠性完全依靠工人經驗和工作規(guī)范性，夾緊力大小和一致性無法保證。根據(jù)薄型多面體類零件特征設計液壓柔性工裝系統(tǒng)，通過合理分布夾緊點，結合自動壓緊和壓緊力控制，形成適用于多種型號舵面、翼面類零件的柔性工裝系統(tǒng)。

舵翼類在加工過程中需要進行兩面加工，因此需要設計兩套柔性工裝系統(tǒng)來分別完成正面和反面的加工，結構示意圖如圖5所示。以翼面零件為翼面零件毛坯正面夾緊采用六個液壓轉角下壓油缸完成六個位置壓緊，毛坯放置底座采用挖空設計，防止在零件加工時底座干涉。通過液壓站控制系統(tǒng)壓力控制六個夾緊點夾緊力大小，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，反面夾緊采用六個液壓轉角下壓油缸完成與正面相同的六個位置壓緊，毛坯放置底座采用挖空設計，防止在零件加工時底座干涉。

圖5典型六爪卡盤

針對航天薄壁復雜結構件數(shù)控加工柔性工裝的研制需求，需要綜合研究薄壁復雜結構件切削力－熱耦合規(guī)律、零件剛性的動態(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，通過夾緊力的柔性可調來平衡切削力，減小局部切削變形。基于航天薄壁復雜結構件幾何結構特征相似性，研制自動化定位和夾緊的柔性工裝，用于大型弱剛性曲面結構件、薄壁回轉體類結構件和薄型多面體類結構件艙的定位裝夾，實現(xiàn)同類結構件共用一套柔性夾具，快速自動裝夾和拆卸，能夠大幅減少加工輔助準備時間，有效提升加工質量和生產效率。