航天X天线零件数控铣削加工改进

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序言X天线零件是某载子系统上的关键结构件，采用低刚度、轻量化结构，90%左右的壁厚＜1mm，最薄处仅0.5mm，特征多、精度要求高，材料去除率达97.15%。加工特征多，特别是波导腔精度要求高。在经过第一批次的摸索后，合格率仍不能达到批量生产要求。首批次加工后，合格率为87.59%，达不到量产要求。本文将阐述切削参数选择、编程策略选择及质量管理工具运用等方式，以达到突破加工技术瓶颈，高质量、高效率和低成本的批产化生产要求。2

结构特点分析X天线零件是以长宽为551mm×151mm、厚度为0.5mm的薄板为主体，在其上下叠加若干个薄壁方框组合而成，如图1所示。

图1X天线零件剖视X天线零件属于典型的深腔薄壁件[1]，其最大壁厚尺寸为0.8±0.05mm，最薄0.5±0.05mm，腔体最深为25.8±0.05mm。波导腔的宽度为60.7±0.05mm，长度为274.2mm，深度为25.8±0.05mm，壁厚为0.8±0.05mm。波导腔的精度及加工质量直接关系到收发信号等电讯指标的优劣，因此工艺总师要求波导腔精度提升至60.7mm×274.2mm。3

不合格特征调查对首批次加工的X天线零件进行调查，主要不合格特征有：波导腔宽度尺寸大、定位柱中心距尺寸小、扼流槽侧壁变形大及平面度值大等，统计结果并绘制排列图（见图2）。图2不合格特征排列由图2可知，“波导腔宽度尺寸大”占比高达80.60%，是造成X天线零件数控铣削一次送检合格率低的主要问题，并且“尺寸大”均发生在距设筋较远、刚性较低的位置。4

初步工艺方案拟定X天线加工时间为24h，综合成本达6679元/件，按合格率87.59%计算，生产1800件合格品，至少需多投产255件，生产时间延长6120h，综合成本增加170万元，严重影响产品交付与成本，无法满足客户预期，合格率、效率问题亟待解决。综合考虑，初步制定以下方案。（1）粗加工采用动态铣削策略动态铣削加工技术是Mastercam的专利技术，因为可以通过算法智能控制刀具在运行过程中的负载，所以可以使用刀具的全侧刃，以大切削深度、小切削宽度的方式进行高速的材料去除，使大量的材料在短时间去除成为可能，负载的稳定控制，有效地避免了薄壁结构变形。X天线零件材料去除率达97.15%，考虑到90%左右的壁厚尺寸均＜1mm，初步计划将粗加工余量设置为1mm，以增加粗加工时的结构刚性，运用动态铣削策略提升效率、控制变形量。（2）半精加工余量优选

采用铣刀侧齿精加工时，精加工余量是指在工件表面所切去的金属层厚度的垂直距离。精加工余量的大小，直接关系到铣削侧壁时是否发生振动出现振纹，表面粗糙度值变大并影响局部波导腔尺寸。铣削薄壁深腔时该现象会更为严重。半精加工余量需充分考虑切削振动和刀具承受能力，计划采用对分法优选精加工余量。（3）精加工切削参数选择波导腔加工后不允许有接刀痕迹，因拐角R2mm，故选用直径4mm立铣刀精加工，长径比达12.9。在实际加工中，零件拐角的切削阻力最大，铣刀侧齿加工侧面时，交界处的转角成R形，当刀具的每齿进给量大时，交界处的R转角会出现过切现象，引起靠近R转角处两侧面局部的过切，如图3所示，因此计划采用正交试验法选择最佳的每齿进给量。a）三维b）二维图3转角过切现象示意5

工艺方案实现参照第一批次的加工经验先将粗加工余量定为1mm，再分别采用优选法、正交试验来选择半精加工余量，最后使用CAM软件设计NC程序（粗铣采用动态铣削策略，半精、精加工参照选定的参数）。5.1优选波导腔精加工余量

精加工余量采用对分法进行优选，试验区间分别用a和b表示，为0.05～1mm。波导腔宽度尺寸为60.7mm，试验中将该尺寸控制在中间公差附近，才能精确控制该尺寸。将波导腔宽度值考察标准设为60.66～60.69mm。以X1、X2表示每次试验壁厚的工艺参数，寻找波导腔精加工余量值试验方案见表1，共进行了3次试验，见表2～表4。

表1设计波导腔精加工余量试验方案表2第1次试验测试及结果

（单位：mm）波导腔精加工余量为0.525mm时，波导腔宽度均值为60.638mm，超出工艺参数要求。波导腔宽度值过小，说明精加工余量过大，去掉（X1，b）即去掉精加工余量0.525～1mm，留下（a，X1）即0.05～0.525mm，继续选则新的试验点，见表3。

表3第2次试验测试及结果

（单位：mm）波导腔精加工余量为0.288mm时，波导腔宽度均值为60.716mm，超出工艺参数要求。波导腔宽度值过大，说明精加工余量过小，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，继续选择新的试验点，见表4。

表4第3次试验测试及结果

（单位：mm）波导腔精加工余量为0.407mm时，波导腔宽度均值为60.675mm，达到了工艺参数标准要求。通过试验，波导腔宽度尺寸平均值为60.675mm，在试验工艺参数范围内，找到波导腔精加工余量为0.407mm。5.2确认刀具每齿进刀量

对影响每齿进给量的进给速度vf、转速n、刀齿数Z这3个因素进行正交试验。

（1）明确试验目的在切削宽度、切削深度等切削参数都确定的情况下，用φ

4mm立铣刀精加工时，明确vf、n及Z等对波导腔宽度尺寸的影响。

（2）确定考察的指标要考察的指标为每齿进给量以及波导腔宽度尺寸差值的绝对值。

（3）挑因素、选位级、制定因素位级表选用MIKRON800LP高速铣削加工中心，相同的波导腔结构进行试验，确定需考察vf、n及Z这3个因素，现根据具体情况选出要考察、比较的位级，见表5。表5因素-位级 （4）设计试验方案本试验共有3因素3个位级，可选择L9（34）正交表来安排试验，正交试验设计见表6。表6正交试验设计（5）实施试验方案根据表6，进行9次试验，并将每齿进刀量，波导腔宽度尺寸差值的绝对值等进行相关分析，正交试验结果见表7。表7正交试验结果（6）试验结果分析考察的两个指标，都是值越小越好。每齿进刀量由给定的3个因素，根据公式直接计算得出；波导腔宽度尺寸差值的绝对值通过实际加工后，使用三坐标测量仪测量得出，后续主要查看波导腔宽度尺寸差值的绝对值。直接看：由表7可以看出最好的条件是A3B1C2，即转速n为20000r/min，进给速度vf为1500mm/min，刀齿数Z为3齿。

算一算：通过以上试验，计算相应的波导腔宽度尺寸差值的绝对值之和T、其平均值及极差R，整理的数据见表8。表8试验结果数据整理由表8可知，波导腔宽度尺寸差值的绝对值，越小越好，通过计算，可以看出最好的条件是A3B1C3。直接看与算一算不一致，需要适当修改条件，继续试验。

从极差R的结果看，转速n是重要因素，其次是刀齿数Z，进给速度vf的影响较小。在后续的试验中，需要对影响较大的因素进行调整。

调优试验具体步骤如下。

1）调优因素位级选择。通过对前述试验的分析，小组认为以“算一算”的好条件为主，参考“直接看”的好条件，并考虑生产实际、成本和效率等，决定对n、vf、Z这3个因素及相应位级再考察，因素位级见表9。表9因素位级2）制定正交表。对于表9所示的因素位级，可以使用L4（23）三因素两位级的正交表，制订的试验设计及结果见表10。表10试验设计及结果3）试验结果分析。直接看：由表10可以看出最好的条件是A2B1C2，即转速n为20000r/min，进给速度vf为1500mm/min，刀齿数Z为4齿。算一算，结果见表11。表11试验数据整理由表11可知，对于波导腔宽度尺寸差值的绝对值，越小越好，通过计算，可以看出最好的条件是A2B1C2，直接看与算一算结果一致，且波导腔宽度尺寸差值的绝对值明显减小。（7）生产验证及最优参数选择本次试验的目的是通过对转速n、进给速度vf及刀齿数Z这3个对每齿进刀量有影响的参数进行试验，找到使波导腔宽度尺寸差值的绝对值变小的每齿进刀量，通过正交试验法的多次试验验证，波导腔宽度尺寸差值都得到了较好的控制。通过运用上述参数跟踪验证10次，其波导腔宽度尺寸差值的绝对值稳定，因此选择转速n为20000r/min、进给速度vf为1500mm/min、刀齿数Z为4齿，每齿进给量为19μm。

5.3数控程序设计

以上通过优选法、正交试验，确定最优精加工余量和切削参数。参照精确的试验数据和第一批次的加工经验总结，重新设计X天线的数控加工程序，为了提高粗加工的切削效率，减小粗加工的应力、变形量，将老程序中所有的粗加工策略全部改为动态铣削策略（因篇幅原因，数控程序设计过程在此不做缀述）。对连续3个批次的加工合