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陀螺仪壳体组件精密车削加工技术研究

文章来源:未知时间:2020-03-04 点击:

  2015年2月导航与控制 NAVIGATION AND CONTROL Vbl.14 No.1 Feb.2015 陀螺仪壳体组件精密车削加工技术研究 (北京航天控制仪器研究所,北京100039)摘要:本文以精密制造车间数字化制造系统为平台,在陀螺仪壳体组件结构特点分 析的基础上,选用合适刀具角度和切削参数,减少陀螺仪壳体组件加工过程中结构变 形。设计专用工装,优化精密车削时工件装夹方式,提高陀螺仪壳体组件的加工精度和 加工稳定性,实现陀螺仪壳体组件的高精密加工。 关键词:精密;薄壁件;车削:壳体组件 中图分类号:TG51 文献标志码:A 文章编号:1674—5558(2015)04—01019 doi:10.3969组issn.1674—5558.2015.01.007 Technical Research PrecisionTurning GyroscopeShell Assemblv wANG Chang—feng,XuE Feng.ju,zHANG Hong,◆◁•HAN zhong—yuan,zHANG Ying—qing (Beijing Institute ofAemspace Con仃ol Devices,Beijing 100039) Abstract:This paper bases digitalmanufkng system plant precisionmanufactIlring depanment meanalysis stmctIlmlcharacteristics gyroshell assembly.Wb select appropriate tools angle锄d tools parameters re-duce suctural defomation d耐ng processing,design special tools aIld optimize clamping ways t0 improVe machin—ing accuracy stabili够andcomplete gymsc叩e sheU assembly precision machining. Key words:precision;thin—walled pan;tuming;shell assembly 0引言 航天事业的迅猛发展,对惯性系统平台的稳 定性和可靠性有了更高的要求。为使平台在高 速、高压、重载等复杂环境下能稳定可靠的工 作,对惯性器件加工和制造提出了更为严格的要 求。陀螺仪作为惯性系统平台的关键部件,其精 度直接决定了平台系统的精度删。壳体组件作为 陀螺仪的核心元件,具有结构特殊、★▽…◇工序复杂、 制造精度高等特点,保证壳体组件尺寸和形位的 精度和稳定性是实现陀螺仪精度的前提。根据陀 螺仪壳体组件结构将直接影响精密车削的精度, 本文以精密制造车间的数字化制造系统为平台, 设计专用工装,改进装夹方式,优化工艺流程, 有效减少加工过程中工件的变形问题,实现壳体 收稿日期:2014—11.18 组件的精密制造。☆△◆▲■ 1陀螺仪壳体组件结构分析及工艺 流程 壳体组件作为陀螺仪的核心元件由壳体和定 位环两部分组成,如图l所示,壳体是浮子组件、 端盖组件、传感器组件、力矩器组件等组件的支 撑构件,同时壳体还能保护内部零部件免受损 伤。借助于定位环安装孔,▼▲★-●△▪️▲□△▽可以将陀螺仪固定在 平台上,△因此实现壳体组件精度是保证陀螺仪表 精度的前提。 万方数据 王长峰等:陀螺仪壳体组件精密车削加工技术研究37 图1陀螺仪壳体组件 Fjg.1 Gyro-sheassembIy schematic djag阳m 1.1 壳体结构分析及工艺流程 陀螺仪壳体,如图2所示,其结构特点为: 1)工件壁厚较薄、刚度低,在夹紧力作用下易产 生变形,从而影响加工精度。2)加工所产生的切削 热会引起工件热变形,使工件的尺寸精度难以控 制。3)在切削力尤其是背向力的作用下产生的振动 会影响工件的尺寸、形位精度和表面粗糙度等圜。 图2陀螺仪壳体 Fig.2 GyrO’she J|s”ucture 薄壁类零件陀螺仪壳体尺寸如图3所示,根据 其结构特点制定工艺路线为:半精车一精铣一钳 一热处理一精车,首先采用软爪内孔和外圆,▪️•★精 加工和半精加工之间采用热处理手段,以释放加 工应力,精加工是使用自制工装设备对内孔和外 圆精加工完成壳体加工。 1.2定位环结构分析及工艺流程 陀螺仪定位环三维结构示意图如图4所示,为 薄壁环状结构且基体材料为1J50,尺寸精度要求 较高,同样存在装夹及加工过程中的变形问题, 加工工艺流程为:半精加工一钳一精加工一氢气 退火,精密车削时采用端面胎、芯轴等工装定位 装夹,完成定位环的精加。 图3陀螺仪壳体零件图 Fig.3 Gyro’sheII structure schematic diagram 图4定位环结构示意图 Fig.4 Gyro’positiOn ring structure schematic diag阳m 1.3陀螺壳体组件结构分析及工艺流程 如图1陀螺仪壳体组件所示,壳体组件由定位 环和壳体两部分装配而成,但作为安装平台其精 度相对于两零件要求更为严格。 浮子组件、端盖组件、传感器座力矩器座组 件等安装精度对陀螺仪的精度和可靠性影响至关 重要,所以对浮子组件、端盖组件、传感器座力 矩器座组件的安装载体一壳体组件提出更高的精 万方数据 导航与控制 2015年第l期 度要求。壳体组件工艺流程为:半精加工一热处 理一精加工一装配一热处理一精加工,其中壳体 组件的精密加工是实现最终尺寸精度和形位精度 最为关键的工序。精密加工完成壳体组件外圆内 孑L以及端面加工工作,如图5所示,壳体组件的精 度要求已经达到了高精密数控设备的精度极限, 从而对工艺方法、工装设计和装夹方式等提出了 很高要求。◆▼ _r—亍22一 ;i辞^TlT国囱图5壳体组件尺寸简图 Fig.5 Gyr0’sheschematic diagram 2陀螺仪壳体组件精密切削 陀螺仪壳体组件精度主要由精密车削加工保 证,为达到工件精度要求,将本工序精车加工分 为两个步骤:第一、设计胞胎工装,加工零件内 孔和端面,保证各部分尺寸和形位精度要求;第 二、设计弹性芯轴工装,以内孔为基准装夹定 位,加工零件的外圆和端面并保证各部份尺寸精 度、形位精度要求,完成该工件加工工作。 2.1壳体组件精密车削刀具及切削参数的选择 壳体采用特殊材料,该材料具有独特的机械 特性,根据试验研究发现,该材料在精密车削时 选用硬质合金涂层刀或者整体硬质合金作为刀具 材料加工时,精度更容易保证。加工薄壁零件 时,刀具必须刚度足够且刃口锋利,且车刀的修 光刃不宜过长。刀具选取900~950的主偏角可适 当增大刀具的前角、后角、副偏角及刃倾角。采 用专用工装装夹时必须保证夹紧力均匀,△▪️▲□△加工过 程中切削深度由深到浅依次递减并严格控制切削 速度,从而有效地减小壳体组件加工过程中的切 削变形问题,和由于刀具震动产生的质量问题嘲。 2.2精密车削工装设计 壳体组件作为薄壁筒状结构件,首先须采用 合适的装夹方式并选用合适夹紧力,要求装夹方 式和装夹力既能保证切削过程稳定,又不至引起 工件变形。其次该部件属于典型的薄壁高精零部 件,◇•■★▼发彩网对尺寸精度、形位精度和表面粗糙度的要求 都很高【4‘51。因此工装设备的设计和制造精度,装 夹力的大小对组件最终精度是至关重要的。 (1)壳体组件内孔加工工装设计 壳体组件内孔作为设计、加工和计量基准, 其精度决定于精密车削的加工质量。刀具在切削 构成中主要受到径向支撑和切向的切削阻力,在 加工时必须尽可能减小工件装夹位置与切削力作 用点之间的距离,来减小偏转力矩,从而减小加 工过程中零件在切削力作用下的变形。▲● 为实现精密车削壳体内孔和外端面后,各内 孔尺寸精度、形位精度和表面粗糙度,经仿真试 验对比发现,加工时选用胞胎工装可缩短工件装 卡位置与切削力作用点之间的距离,且胞胎装夹 时工件受力比较均匀,如图6工装装夹示意图所 示,能有效地降低对零件加工精度不利的偏转力 矩,完成零件精密加工。 图6胞胎工装装夹示意图 Fig.6 Gyr0’shec|.ng fast clamp schematic diag怕m (2)壳体组件内孔加工工装设计 3叩qte 一]Jiiiil 一下1国 万方数据 王长峰等:陀螺仪壳体组件精密车削加工技术研究39 壳体组件内孔作为设计、加工和计量基准, 要求通过精密车削实现壳体组件内孑L及端面的加 工,同时要满足内孑L、端面同基准A形位精度和 尺寸精度要求。加工壳体组件左端时,为实现基 准统一,必须以内孑L作为加工基准,加工工件外 圆和端面。▼▼▽●▽● 图7装夹力仿线 Gyro’shecIamp force SimuIatiOn expe r.ment 为实现对工件外圆和端面精密车削,加工时 采用自制胞胎工装装夹,并对装夹方式进行仿 线所示,以确保加工过程稳定。 壳体组件外圆加工时采用自制弹性芯轴工 装,工装内壁车有内螺纹,当锥度螺栓旋人时就 会将弹性芯轴胀大从而实现零件装夹,当其旋出 时,弹性芯轴恢复原状,从而较方便地取出工 件,其弹性芯轴工装优点为:1)解决了以往弹性芯 轴采用分体式,产生多个零件,使装拆工件较为 繁琐的问题。2)解决了采用圆锥塞时,造成不能顺 利退出而影响卸工件的问题。•● 将弹性芯轴工装应用于壳体组件外圆和端面 的加工过程中,实现了加工过程中设计基准、工 艺基准和加工基准的统一,有效的解决了薄壁高 精壳体组件加工过程中由于不合理装夹引起的变 形问题,检测结果如表1、表2和表3所示。◇▲=○▼=△▲ 壳体数据检测记录表TabIe 1Gyro’shel data detection record sheet 同轴度 垂直度 同轴度垂直度 序号中46_4+?。 审43+:… 中0.002 A0003 A0002 中0.002 A0.003A 0.002 1中46.403 伽.0016 0.00l ̄0.002 O.00l ̄0.002 西43.006 伽.0016 0,001 ̄0.002 0.00l ̄o.002 2西46.408 伽.0015 O.001加.002 0,001 ̄o.002 咖43.008 中O.0015 0.00l~0.002 O.001 ̄o.002 3咖46.407 函O.0015 0.00l ̄o.002 O.00l ̄0.002 西43.007 中0.0015 0.00l ̄0.002 O.00l如.002 4中46.402 西O.002 0.00l加.002 0.001 ̄0.002 西43.003 伽.002 O.001 ̄o.002 O.00l ̄o.002 5中46.403 伽.002 0.00l ̄o.002 0.OOl加.002 面43.004 中O.002 0.00l ̄0.002 O.001 ̄o.002 6曲46.406 伽.002 0.00l加.002 0.00l ̄o.002 中43.006 中0.002 0.00l ̄o.002 O.001 ̄o.002 7西46.409 西O.002 0.00I ̄0.002 0.00I ̄0.002 西43.009 伽.002 0.00l~0.002 O.00l~O.002 8西46.4l 西0.002 0.00l ̄o.002 O.00l ̄0.002 西43.01 伽.002 0,001 ̄0.002 0.00l加.002 9中46.405 伽.002 O.001加.002 0.001 ̄0.002 中43.005 oO.002 0.OOl ̄o.002 O.00l如002 10 曲46.411 伽.0022 O.00l ̄o.002 O.OOl加.002 西43.015 中0.004 0.00l ̄o.002 O.001 ̄o.002 表2壳体数据检测记录表 TabIe 2Gyro 7sheI data detection record sheet 同轴度 垂直度 圆柱度同轴度 垂直度 序号 中41.2+ 中42+掣 002A0.005A 0.002 O.003 中0.002 AO.005A l西41.203 伽.0016 0.002 ̄0.004 O.001加.002 0.003 中42.007 伽.00l O.002 ̄0.004 2咖41.208 伽.0015 0.002 ̄0.004 O.001加.002 O.002 咖42.004 .002 0.002 ̄0.004 3中41.207 西0.0015 O.002加.004 0.OOl ̄o.002 0.003 中42.007 中0.0015 O.002加.004 4中41.202 中0.002 0.002 ̄o.004 O.00 J~0.002 0,003 西42.002 西O.0015 0002—0.004 5曲41.203 西O.002 O.002加.004 0.OOl ̄0.002 0.OO 中42.008 踟.002 O.002 ̄o.004 6中41.206 函O.OOl O.002 ̄o.004 0.00l ̄o.002 0.003 函42.000 中0.00l O.002 ̄o.004 7咖41.209 中0.002 O.002 ̄o.004 O.001 ̄0.002 0.002 西42.004 西0.002 O.002~0.004 8咖41.2l 中0.002 0.002 ̄o.004 0.00l ̄0.002 0.003 咖42.008 西0.002 O.002~O 004 9咖41.205 oO.0025 O.002加.004 O.OOl ̄o.002 0.002 中42.003 踟.003 0.002 ̄0.004 10 中41.212 西O.002 O.002 ̄o.004 0.00l加.002 0.003 中42.006 伽.0015 0.002~0.004 表3壳体数据检测记录表 。rabIe 3Gyr0’shedata detectiOn record sheet 序号 720 01 左端平面度 左垂直度 左端平面度 左垂直度 0003 0.005A 0003 0005A l7.006 O00l~0.003 0.002~0.004 0.00l~0.003 O.002~O 004 27.012 O.00l加.003 0,002~0.004 O.00l ̄0.003 O.002~O.004 37.O】8 O.OO】 ̄o.003 O002 ̄o004 O.ool ̄o肿3 O.002~0.004 47015 0.001 ̄0.003 O.002 ̄o.004 0.OOl ̄0.003 0.002~O.004 57015 0.00l加.003 0.002~0.004 O.00l ̄0.003 O.002~O 004 67.012 0.OOl~0.003 O.002~O.004 O.OOl~O.003 O.002~0.004 77.015 0.00l~O.003 0.002 ̄o.004 0.00l ̄0.003 0.002加.004 87.016 0.00l~0.003 0.002 ̄o.004 O.00l加.003 O.002加.004 97018 0.001 ̄0.003 0.002加.004 0.00l~0.003 O.002~0.004 10 7.017 O.001 ̄0.003 O.002 ̄o.004 O.00】珈.003 0.002~O.004 万方数据 导航与控制 2015年第1期 通过对实验数据表1、表2和表3分析可以看 出,选用当前的刀具材料、刀具角度、○▲切削参 数、装夹方式及装夹力加工壳体组件可以实现零 件合格率在90%以上,有效提高了壳体组件加工 的稳定性和可靠性。 3结论 通过分析陀螺仪壳体组件及组成零件的结构 特点,选用合理的刀具材料、刀具参数和切削参 数,首先针对零件结构薄壁的特点,充分利用组 件结构上定位环,设计便于使用胞胎工装。第二 步加工中设计弹性芯轴,提高定位精度,降低了 切削力形成的偏转力矩,完成组件的精密车削加 工工作。 通过对壳体组件加工和专用工装的设计,能 有效降低产品的不合格率,同时还能提高生产效 率。此外该加工结构还可以应用于其他同类型的 零件中,口▲=○▼为加工高精度零部件提供了技术保障。 参考文献 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