航天X天線零件數(shù)控銑削加工改進(jìn)

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序言X天線零件是某載子系統(tǒng)上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，采用低剛度、輕量化結(jié)構(gòu)，90%左右的壁厚＜1mm，最薄處僅0.5mm，特征多、精度要求高，材料去除率達(dá)97.15%。加工特征多，特別是波導(dǎo)腔精度要求高。在經(jīng)過第一批次的摸索后，合格率仍不能達(dá)到批量生產(chǎn)要求。首批次加工后，合格率為87.59%，達(dá)不到量產(chǎn)要求。本文將闡述切削參數(shù)選擇、編程策略選擇及質(zhì)量管理工具運用等方式，以達(dá)到突破加工技術(shù)瓶頸，高質(zhì)量、高效率和低成本的批產(chǎn)化生產(chǎn)要求。2

結(jié)構(gòu)特點分析X天線零件是以長寬為551mm×151mm、厚度為0.5mm的薄板為主體，在其上下疊加若干個薄壁方框組合而成，如圖1所示。

圖1X天線零件剖視X天線零件屬于典型的深腔薄壁件[1]，其最大壁厚尺寸為0.8±0.05mm，最薄0.5±0.05mm，腔體最深為25.8±0.05mm。波導(dǎo)腔的寬度為60.7±0.05mm，長度為274.2mm，深度為25.8±0.05mm，壁厚為0.8±0.05mm。波導(dǎo)腔的精度及加工質(zhì)量直接關(guān)系到收發(fā)信號等電訊指標(biāo)的優(yōu)劣，因此工藝總師要求波導(dǎo)腔精度提升至60.7mm×274.2mm。3

不合格特征調(diào)查對首批次加工的X天線零件進(jìn)行調(diào)查，主要不合格特征有：波導(dǎo)腔寬度尺寸大、定位柱中心距尺寸小、扼流槽側(cè)壁變形大及平面度值大等，統(tǒng)計結(jié)果并繪制排列圖（見圖2）。圖2不合格特征排列由圖2可知，“波導(dǎo)腔寬度尺寸大”占比高達(dá)80.60%，是造成X天線零件數(shù)控銑削一次送檢合格率低的主要問題，并且“尺寸大”均發(fā)生在距設(shè)筋較遠(yuǎn)、剛性較低的位置。4

初步工藝方案擬定X天線加工時間為24h，綜合成本達(dá)6679元/件，按合格率87.59%計算，生產(chǎn)1800件合格品，至少需多投產(chǎn)255件，生產(chǎn)時間延長6120h，綜合成本增加170萬元，嚴(yán)重影響產(chǎn)品交付與成本，無法滿足客戶預(yù)期，合格率、效率問題亟待解決。綜合考慮，初步制定以下方案。（1）粗加工采用動態(tài)銑削策略動態(tài)銑削加工技術(shù)是Mastercam的專利技術(shù)，因為可以通過算法智能控制刀具在運行過程中的負(fù)載，所以可以使用刀具的全側(cè)刃，以大切削深度、小切削寬度的方式進(jìn)行高速的材料去除，使大量的材料在短時間去除成為可能，負(fù)載的穩(wěn)定控制，有效地避免了薄壁結(jié)構(gòu)變形。X天線零件材料去除率達(dá)97.15%，考慮到90%左右的壁厚尺寸均＜1mm，初步計劃將粗加工余量設(shè)置為1mm，以增加粗加工時的結(jié)構(gòu)剛性，運用動態(tài)銑削策略提升效率、控制變形量。（2）半精加工余量優(yōu)選

采用銑刀側(cè)齒精加工時，精加工余量是指在工件表面所切去的金屬層厚度的垂直距離。精加工余量的大小，直接關(guān)系到銑削側(cè)壁時是否發(fā)生振動出現(xiàn)振紋，表面粗糙度值變大并影響局部波導(dǎo)腔尺寸。銑削薄壁深腔時該現(xiàn)象會更為嚴(yán)重。半精加工余量需充分考慮切削振動和刀具承受能力，計劃采用對分法優(yōu)選精加工余量。（3）精加工切削參數(shù)選擇波導(dǎo)腔加工后不允許有接刀痕跡，因拐角R2mm，故選用直徑4mm立銑刀精加工，長徑比達(dá)12.9。在實際加工中，零件拐角的切削阻力最大，銑刀側(cè)齒加工側(cè)面時，交界處的轉(zhuǎn)角成R形，當(dāng)?shù)毒叩拿魁X進(jìn)給量大時，交界處的R轉(zhuǎn)角會出現(xiàn)過切現(xiàn)象，引起靠近R轉(zhuǎn)角處兩側(cè)面局部的過切，如圖3所示，因此計劃采用正交試驗法選擇最佳的每齒進(jìn)給量。a）三維b）二維圖3轉(zhuǎn)角過切現(xiàn)象示意5

工藝方案實現(xiàn)參照第一批次的加工經(jīng)驗先將粗加工余量定為1mm，再分別采用優(yōu)選法、正交試驗來選擇半精加工余量，最后使用CAM軟件設(shè)計NC程序（粗銑采用動態(tài)銑削策略，半精、精加工參照選定的參數(shù)）。5.1優(yōu)選波導(dǎo)腔精加工余量

精加工余量采用對分法進(jìn)行優(yōu)選，試驗區(qū)間分別用a和b表示，為0.05～1mm。波導(dǎo)腔寬度尺寸為60.7mm，試驗中將該尺寸控制在中間公差附近，才能精確控制該尺寸。將波導(dǎo)腔寬度值考察標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為60.66～60.69mm。以X1、X2表示每次試驗壁厚的工藝參數(shù)，尋找波導(dǎo)腔精加工余量值試驗方案見表1，共進(jìn)行了3次試驗，見表2～表4。

表1設(shè)計波導(dǎo)腔精加工余量試驗方案表2第1次試驗測試及結(jié)果

（單位：mm）波導(dǎo)腔精加工余量為0.525mm時，波導(dǎo)腔寬度均值為60.638mm，超出工藝參數(shù)要求。波導(dǎo)腔寬度值過小，說明精加工余量過大，去掉（X1，b）即去掉精加工余量0.525～1mm，留下（a，X1）即0.05～0.525mm，繼續(xù)選則新的試驗點，見表3。

表3第2次試驗測試及結(jié)果

（單位：mm）波導(dǎo)腔精加工余量為0.288mm時，波導(dǎo)腔寬度均值為60.716mm，超出工藝參數(shù)要求。波導(dǎo)腔寬度值過大，說明精加工余量過小，去掉（X1，b）和（a，X2）即去掉精加工余量0.525～1mm和0.05～0.288mm，留下（X2，X1）即0.288～0.525mm，繼續(xù)選擇新的試驗點，見表4。

表4第3次試驗測試及結(jié)果

（單位：mm）波導(dǎo)腔精加工余量為0.407mm時，波導(dǎo)腔寬度均值為60.675mm，達(dá)到了工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。通過試驗，波導(dǎo)腔寬度尺寸平均值為60.675mm，在試驗工藝參數(shù)范圍內(nèi)，找到波導(dǎo)腔精加工余量為0.407mm。5.2確認(rèn)刀具每齒進(jìn)刀量

對影響每齒進(jìn)給量的進(jìn)給速度vf、轉(zhuǎn)速n、刀齒數(shù)Z這3個因素進(jìn)行正交試驗。

（1）明確試驗?zāi)康脑谇邢鲗挾?、切削深度等切削參?shù)都確定的情況下，用φ

4mm立銑刀精加工時，明確vf、n及Z等對波導(dǎo)腔寬度尺寸的影響。

（2）確定考察的指標(biāo)要考察的指標(biāo)為每齒進(jìn)給量以及波導(dǎo)腔寬度尺寸差值的絕對值。

（3）挑因素、選位級、制定因素位級表選用MIKRON800LP高速銑削加工中心，相同的波導(dǎo)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗，確定需考察vf、n及Z這3個因素，現(xiàn)根據(jù)具體情況選出要考察、比較的位級，見表5。表5因素-位級 （4）設(shè)計試驗方案本試驗共有3因素3個位級，可選擇L9（34）正交表來安排試驗，正交試驗設(shè)計見表6。表6正交試驗設(shè)計（5）實施試驗方案根據(jù)表6，進(jìn)行9次試驗，并將每齒進(jìn)刀量，波導(dǎo)腔寬度尺寸差值的絕對值等進(jìn)行相關(guān)分析，正交試驗結(jié)果見表7。表7正交試驗結(jié)果（6）試驗結(jié)果分析考察的兩個指標(biāo)，都是值越小越好。每齒進(jìn)刀量由給定的3個因素，根據(jù)公式直接計算得出；波導(dǎo)腔寬度尺寸差值的絕對值通過實際加工后，使用三坐標(biāo)測量儀測量得出，后續(xù)主要查看波導(dǎo)腔寬度尺寸差值的絕對值。直接看：由表7可以看出最好的條件是A3B1C2，即轉(zhuǎn)速n為20000r/min，進(jìn)給速度vf為1500mm/min，刀齒數(shù)Z為3齒。

算一算：通過以上試驗，計算相應(yīng)的波導(dǎo)腔寬度尺寸差值的絕對值之和T、其平均值及極差R，整理的數(shù)據(jù)見表8。表8試驗結(jié)果數(shù)據(jù)整理由表8可知，波導(dǎo)腔寬度尺寸差值的絕對值，越小越好，通過計算，可以看出最好的條件是A3B1C3。直接看與算一算不一致，需要適當(dāng)修改條件，繼續(xù)試驗。

從極差R的結(jié)果看，轉(zhuǎn)速n是重要因素，其次是刀齒數(shù)Z，進(jìn)給速度vf的影響較小。在后續(xù)的試驗中，需要對影響較大的因素進(jìn)行調(diào)整。

調(diào)優(yōu)試驗具體步驟如下。

1）調(diào)優(yōu)因素位級選擇。通過對前述試驗的分析，小組認(rèn)為以“算一算”的好條件為主，參考“直接看”的好條件，并考慮生產(chǎn)實際、成本和效率等，決定對n、vf、Z這3個因素及相應(yīng)位級再考察，因素位級見表9。表9因素位級2）制定正交表。對于表9所示的因素位級，可以使用L4（23）三因素兩位級的正交表，制訂的試驗設(shè)計及結(jié)果見表10。表10試驗設(shè)計及結(jié)果3）試驗結(jié)果分析。直接看：由表10可以看出最好的條件是A2B1C2，即轉(zhuǎn)速n為20000r/min，進(jìn)給速度vf為1500mm/min，刀齒數(shù)Z為4齒。算一算，結(jié)果見表11。表11試驗數(shù)據(jù)整理由表11可知，對于波導(dǎo)腔寬度尺寸差值的絕對值，越小越好，通過計算，可以看出最好的條件是A2B1C2，直接看與算一算結(jié)果一致，且波導(dǎo)腔寬度尺寸差值的絕對值明顯減小。（7）生產(chǎn)驗證及最優(yōu)參數(shù)選擇本次試驗的目的是通過對轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf及刀齒數(shù)Z這3個對每齒進(jìn)刀量有影響的參數(shù)進(jìn)行試驗，找到使波導(dǎo)腔寬度尺寸差值的絕對值變小的每齒進(jìn)刀量，通過正交試驗法的多次試驗驗證，波導(dǎo)腔寬度尺寸差值都得到了較好的控制。通過運用上述參數(shù)跟蹤驗證10次，其波導(dǎo)腔寬度尺寸差值的絕對值穩(wěn)定，因此選擇轉(zhuǎn)速n為20000r/min、進(jìn)給速度vf為1500mm/min、刀齒數(shù)Z為4齒，每齒進(jìn)給量為19μm。

5.3數(shù)控程序設(shè)計

以上通過優(yōu)選法、正交試驗，確定最優(yōu)精加工余量和切削參數(shù)。參照精確的試驗數(shù)據(jù)和第一批次的加工經(jīng)驗總結(jié)，重新設(shè)計X天線的數(shù)控加工程序，為了提高粗加工的切削效率，減小粗加工的應(yīng)力、變形量，將老程序中所有的粗加工策略全部改為動態(tài)銑削策略（因篇幅原因，數(shù)控程序設(shè)計過程在此不做綴述）。對連續(xù)3個批次的加工合