大长宽比薄壁滤波器腔体加工工艺方案优化

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大长宽比薄壁滤波器腔体加工工艺方案优化

廖基跃,古志勇

(成都四威高科技产业园有限公司,四川成都 610000)

摘要：某航天项目中的滤波器腔体具有长宽比大、壁薄的结构特点,以及尺寸公差、形位公差精度要求高的工艺特点,加工难度大.介绍了一种大长宽比航天薄壁腔体的结构和工艺特点,分析了腔体截面结构对零件尺寸公差和形位公差精度的影响,改进了加工工艺方案.最后运用此工艺方案进行加工试验,结果满足要求.

关键词：滤波器腔体; 大长宽比; 薄壁; 工艺方案

航天项目零部件在满足性能要求的前提下,要求尽可能轻量化[1].薄壁零件因具有质量轻、结构紧凑等优点被广泛应用于航空航天领域中.但是薄壁件刚性差、强度弱、加工制造困难.

针对薄壁件难加工问题,国内外学者对此做了相关研究.邓学忠等[2]论述了航天类精密复杂零件的工艺设计过程的注意事项和工艺方案的设计方法;由文献得知航空航天薄壁框体零件加工变形的原因包括材料加工过程中残余应力的释放、刀具对工件的削切作用和工件的装夹工艺.文献[3-8]针对这些加工问题提出了相应的解决办法;刘晓等[9]提出了适合航天铰链类零件的单向走丝电火花线切割加工工艺方案;KOLLURU等[10]针对薄壁件的加工问题,从优化装夹工艺的角度出发,设计了一种由预扭弹簧铰接组合而成的装置.上述研究成果,分析确定了影响薄壁件工艺质量的原因,提出了解决办法并通过加工试验工件证明了方法的有效性,为优化薄壁件加工工艺的研究确定了方向.同时在生产实际中工艺方案的制定还应尽量考虑本单位的加工设备制造能力.

基于此,本文以航天项目里一种刚性差、强度弱、设计形状复杂、精度要求较高的常用元件——滤波器腔体作为研究对象,在分析了原有工艺造成零件不合格原因的基础上,优化了加工工艺方案,并通过试验验证优了此化方案的有效性和稳定性.

1 零件的结构与工艺特点

作为航天项目里一种常用无源器件,滤波器是一种在没有外加电源的条件下能依靠其自身工艺结构特性满足其工作特性的电子元件,因而对零件自身的工艺结构和精度要求非常高[10].

图1 某航天项目滤波器腔体
Fig.1 A Cavity filter of a space project

图1为某航天项目中的滤波器腔体,是滤波器的主要结构件和支撑件,其工艺结构特性和精度影响整个滤波器的工作性能.该零件长度(腔体长度)最长为348 mm,宽度最宽为66.8 mm,腔体宽度最宽为51 mm,腔体壁厚最薄处在内腔底面处,厚度为1 mm,该零件具有大长宽比薄壁类零件的结构特点.

在工艺要求方面,零件顶面和两端面作为配合接触面以及腔体内部底平面,平面度要求小于0.05,粗糙度要求小于0.8,另外还有垂直度和平行度要求;腔体深度15.8要求保证公差±0.02;腔体内部各台阶长宽距离最长大于300 mm,公差要求保证±0.03.以上尺寸公差,以及零件其他部位的尺寸公差和形位公差要求,都在GB/T1804-f级以上,属于高精度工艺要求.

2 零件原工艺方案及加工不合格原因分析

2.1 零件原工艺方案

根据已有的加工工艺经验,初步制定了该零件的加工工艺方案:粗加工(粗铣)→热处理去应力→精加工(精铣).首先采用铣削方式粗加工长方体原材料,加工零件外形、腔体、台阶等,留0.5 mm余量;然后热处理工件,去除粗加工后残留应力;最后铣削去除余量,加工剩余特征,完成加工.由于零件的长宽比大、壁厚小,零件自身结构强度低,抗弯、抗扭强度小,加工过程中受装夹力、切削力等因素影响,加工完成卸下装夹后产生反向作用力,都容易造成零件产生弯曲和扭曲变形,加工过程不稳定,导致零件尺寸公差和形位公差难以达到设计要求,产品合格率低,小于20%.

2.2 零件结构加工影响原因分析

由图1得知滤波器腔体总长度348 mm,宽度51 mm,长宽比约达7.图2为腔体截面剖面图,腔体底面壁厚为1 mm,腔体外边厚度1.5 mm,上边厚度为2 mm.以腔体截面底边水平方向的延长线和左侧壁竖直方向延长线的交点为原点,建立腔体截面剖面图的直角坐标系(注:根据材料力学抗弯截面模量定义,腔体剖面图水平方向为z轴,竖直方向为y轴).

图2 腔体截面剖面图直角坐标系

Fig.2 A cartesian coordinate system of the chamber’s body section

由腔体结构得知,腔体截面剖面图是左右对称图形,因此腔体截面剖面图的形心的水平方向的位置是ZC=25 mm.竖直方向位置由以下求得.

由组合截面静矩公式得出腔体截面对z轴的静矩Sz为

(1)

腔体截面面积A为

(2)

形心的竖直方向位置YC为

(3)

由式(1)—(3)得出:z1=6.5 mm,z2=8 mm,z3=43 mm,z4=44.5 mm,z5=51 mm,y1=1 mm,y2=14.5 mm,y3=16.5 mm,求得:YC=7.5 mm.由组合截面惯性矩公式得出腔体截面对过点(ZC,YC)水平方向的惯性矩Iz为

(4)

将数据代入计算式(4)求得:Iz=4 150 mm4.

则抗弯截面模量

(5)

ymax是y方向距离中性层的最大距离,根据YC=7.5 mm和腔体截面总高度16.5 mm得出腔体截面上下两边距中性层的最大距离分别是9 mm和7.5 mm.由式(5)得出抗弯截面模量(截面模数)分别为0.46 cm3和0.57 cm3.

根据图1，2得知腔体底部是δ1×338×38大薄板面,由式(5)计算得知腔体截面强度低.加工腔体过程中,零件受切削的影响、切削热产生的热膨胀力以及装夹力的影响.随着余量的去除,工件强度逐渐降低,无法再抵抗切削过程中内应力的转移再平衡、切削热使工件产生的热胀冷缩形变等,工件在加工过程中即产生变形和蠕动,不能有效控制加工尺寸公差和形位公差精度.加工完成卸下装夹后,由于壁厚过小,腔体大平面强度不能抵抗加工残余应力的平衡,使工件的尺寸公差和形位公差精度进一步降低,最终工件报废.

3 优化工艺方案

3.1 优化方向及工艺方案

由前文分析得知,造成工件报废的原因主要是工件不能抵抗加工过程中和加工完成后的应力造成的变形，因此必须改变加工过程中截面的结构形状,提高加工过程中腔体的结构强度,以抵抗加工过程中由切削力、切削热和装夹力等因素造成的形变,保证尺寸公差和形位公差.另外最好采用切削力较小的切削方式加工工件外形轮廓,完成工件加工.

图3是在图2基础上把腔体壁往外侧对称延伸后,带有加强筋结构的截面剖面.优化后的加工工艺方案:按图3截面加强结构粗加工→热处理去应力→按图3截面加强结构精加工→组合工件热处理去应力→组合工件整体加工外形成型.优化的工艺方案改变了加工过程中工件截面的形状,加强了结构强度,有效抵抗了加工过程中的应力,提高了加工过程中尺寸公差和形位公差的精度.同时将工件与待装配工件组合整体加工外形,强度提高,有效抵抗了加工残余应力.

图3 工艺方案优化后腔体截面剖面图直角坐标系
Fig.3 A cartesian coordinate system of the chamber’s body section after improved process plan

3.2 优化后的腔体截面结构强度分析

由上文分析得知,由于零件内腔是大平面薄壁结构,强度低,抗弯变形能力差，因此加工过程中不能抵抗由切削力等因素造成的形变.优化方案是把腔体壁往外侧对称延伸,设计加强筋，如图3所示,使腔体背面的外形轮廓成为一个封闭四边形平面.以加强结构腔体截面左下角交点为原点,在图中建立腔体截面剖面图的直角坐标系:z1′=3 mm,z2′=20 mm,z3′=21.5 mm,z4′=56.5 mm,z5′=58 mm,z6=75 mm,z7=78 mm,y1′=10.5 mm,y2′=11.5 mm,y3′=25 mm,y4=27 mm.与图2的形心同理,图3形心的水平方向位置Zc′=39 mm.形心在竖直方向位置由下面求得.

与式(1)同理代入数据得腔体截面对z轴的静矩Sz′为:Sz′=5 270 mm3.

与式(2)同理代入数据得腔体截面面积A′为:A′=3 14 mm2.

代入式(3)得形心的竖直方向位置为:YC′=16.7 mm.

与式(4)同理代入数据得腔体截面对过点(ZC′,YC′)水平方向的惯性矩Iz′为:Iz′=76 000 mm4.

式(5)中的ymax根据YC′=16.7 mm和腔体截面总高度27 mm,得出腔体截面上下两边距中性层的最大距离分别是16.7 mm和9.3 mm.数据代入式(5)得出加强结构抗弯截面模量(截面模数)分别是4.5 cm3和7.3 cm3.对比图2和图3的计算结果得知:改进后的加强结构抗弯截面模量分别提高了9.7倍和12.8倍以上,有效提高了加工过程中工件抗弯等形变的能力,加工过程稳定.同时两侧加强筋与其余面形成等高的边框大面,有利于保障工件加工过程中装夹的稳定性和可靠性.

3.3 组合工件的整体外形成型加工

工件在加强结构下的加工有效保证了工件尺寸公差和形位公差.最后还需要去除附加的加强结构并经过加工残余应力再平衡后,工件的尺寸公差和形位公差满足要求.通过对该零件的组装结构分析得知为外形轮廓一致的上下腔组合件,其中该零件为下腔.

组合件的单个工件单独外形成型时较难保证组合件外形的一致性,同时单个工件单独加工和组合件一起加工相比,结构强度小,容易受残余应力的影响而产生变形,最终影响其尺寸公差和形位公差.因此可以将带有加强筋结构的上下腔通过螺钉连接组合,进行热处理，去除铣削加工过程中的残余应力.最后采用作用力小的电火花线切割组合体,完成外形成型加工,以保证工件的尺寸公差和形位公差.

4 工艺方案试验

为了保证试验数据的可靠性,采用该工艺方案加工5件试验件.原材料为2A12H112铝板,尺寸为δ35×80×360.数控铣床型号为HEM800,数控线切割机床型号为DK7725F,三坐标测量仪型号为Z003.

工件附加加强结构铣削后,使用三坐标测量仪测量腔体正面和内腔底面的平面度、内腔的深度,测量结果如表1所示.

表1 附加加强结构铣削后的检测结果

Tab.1 Result withadditional reinforcing structure

测量要素工件1工件2工件3工件4工件5正面平面度/mm(≤0.05)0.040.040.030.030.04内腔底面平面度/mm(≤0.05)0.030.040.050.030.04内腔深度/mm(15.8±0.02)15.8115.8115.7915.8015.78

通过螺钉连接组合带有加强筋结构的上下腔,组合件如图4所示.整体热处理去除组合件应力,采用电火花线切割加工组合件的外形.完成加工后拆开组合件,使用三坐标测量仪测量工件腔体正面和内腔底面的平面度、内腔的深度,测量结果如表2所示.结果表明：电火花线切割加工方式对工件精度影响很小,不会影响工件的合格率.

表2 外形成型后检测结果

Tab.2 Result of final appearance

测量要素工件1工件2工件3工件4工件5正面平面度/mm(≤0.05)0.040.040.040.030.04内腔底面平面度/mm(≤0.05)0.030.040.050.040.04内腔深度/mm(15.8±0.02)15.8115.8115.7915.8115.78

零件其他部位的尺寸精度和形位公差，经检测符合要求.采用优化后的工艺方案加工5件工件,无废品无返修,5件全部符合要求,合格率100%,表明优化后的工艺方案有效且稳定.

5 结语

(1) 在介绍了一种大长宽比薄壁腔体滤波器结构特点和工艺特点基础上,计算了腔体截面的抗弯模量,分析和确定了零件强度低是造成零件不合格的原因.在此基础上优化了加工工艺方案,改变了加工过程中腔体截面的形状,通过计算得知抗弯模量增大了约10倍.采用切削力小的电火花线切割加工方式,对组合工件进行整体外形加工.最后运用优化后的工艺方案加工5件试验件,无废品无返修,合格率100%,表明优化后的工艺方案有效且稳定,为同类结构高精度要求的零件的加工工艺方案制定提供了一定的参考价值.

(2) 影响尺寸公差和形位公差的因素非常多,如机床精度、刀具参数等.本文主要分析了加工过程中工件强度时尺寸公差和形位公差的影响,还有一些情况难免没考虑周全,有待进一步研究.

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Optimization of process plan for the filter cavity withlarge aspect ratio and thin wall

LIAO Ji-yue,GU Zhi-yong

(Chengdu Siwi Hi-Tech Park Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China)

Abstract：The filter cavity in some space projects is with large aspect ratio,thin wall of the structure and high tolerance of form and position.It is difficult to be machined.The structure and process of a filter cavity,which is of a space project with large aspect ratio and thin wall,are introduced.The influence about tolerance of form and position is analyzed from cavity cross-section.On the basis of it improves process plan of the part.At last,the plan is applied and the result showed that it meets demand.

Key words：filter cavity; large aspect ratio; thin wall; process plan

作者简介：廖基跃(1978-),男,工艺师.E-mail:[e-mail].

中图分类号：TH 16

文献标志码：A

文章编号：1672-5581(2016)02-0152-05