一种天线指向机构的支架四孔同轴精密加工技术

李金山，焦云雷，盆洪民，王现冲，赵佳琪

（天津航天机电设备研究所，天津300458）

0 引言

天线指向跟踪机构的主要功能是实现载荷天线的高精度角度跟踪指向和360°旋转，主要用于卫星天线跟踪地面接收天线，具有精度高、速度快等特点。受其使用条件和环境的制约，对零部件结构及材料提出了严格的要求。首先要满足航天产品的设计力学性能，并且在保证同样强度和刚度的情况下，结构要轻量化。硬铝合金材料由于刚性好、比强度高、密度小、塑性好、耐腐蚀、易加工、相对质量较小等优点，已成为卫星、飞船广泛采用的主要承力构件材料。而铝合金薄壁件的加工变形和内应力变形等问题是产品研制成败的关键因素。本文主要介绍天线指向跟踪机构的波导支架和机座的组合加工技术。

1 产品结构特性及工艺特点分析

1.1 产品结构特点及技术参数

产品结构特点如图1所示，机座组合体由1个机座单件和2个波导支架单体组合而成，波导支架单件加工完成后用定位销钉和螺栓固定于机座本体上，与机座本体间有着较高的装配精度要求。

技术参数如图2所示，组合件剖面图B基准平面度要求在0.01mm以内，且多处形位尺寸公差均以此为基准。通过演算，工艺精度要求其平面度在210mm尺寸上小于0.005mm，这样的精度已经达到了机床加工上限，也是重点攻关的难点之一。波导支架侧面相对于基准轴A有着严格的跳动公差0.01mm，以及装配尺寸公差。组合件四孔尺寸为关键镗削尺寸，它们平均分布在210mm尺寸上，需要2次掉头装夹，镗削保证同轴度Ф0.02mm。

1.2 材料性能及切削性能分析

组合件材料为2A14 T6态硬铝合金，具有很高的强度和良好的切削加工性能。但其加工后，受残余应力影响，易变形，受切削力、装夹力、切削热的影响，形面精度不容易保证。

组合件平均壁厚不足2mm，底面部分易发生弯曲变形，属于典型的薄壁难加工零件。为满足加工精度，必须选择合理的刀具和切削方式，如针对底平面选用小刀环切加工；波导支架耳片采用自制片铣刀加工；镗削高精度孔时，为了保证尺寸的稳定性选取金刚石刀片。

1.3 加工思路分析

通过对产品结构特点和技术参数、工艺特性、材料加工性能等方面分析，总结出铣削工序最佳加工方法和工艺思路：

铣序工艺路线：①粗加工（单边1mm）→②半精加工（0.5mm）→③局部留量精加工（图2基准B面、关键孔加工部分、重要基准面等留量0.3mm）→④基准面精加工→⑤组装后波导支架耳片精加工→⑥掉头镗四孔精加工。

2 产品采用的加工技术

产品铣削加工过程采用了低应力装卡方法、局部余量控制技术、多刃微应力端铣方法、四孔同轴加工技术，每种技术详细总结如下。

2.1 低应力装夹方法

理想的加工状态应该是在 “零外力”自然状态下加工，但常规的装夹方式均无法满足要求。例如：虎钳装夹存在横向或径向装夹力，压板装夹会产生局部受力，三爪卡盘装夹会产生向心力或离散力。针对这些问题，本文采用低应力装夹方法，即工件通过胶粘定位固定到平面工装上进行切削加工，工件不与虎钳直接接触，从而达到近似无应力装夹的状态。工件通过4点胶粘固定，工件上表面压千分表并观察指针变化，如图3所示。试验表明，此种装夹方法完全符合装夹需求，达到无应力装夹效果。在工序④底面精加工时，通过此种装夹方式完成了底面精加工的任务，达到工艺要求的尺寸公差和形位公差。

2.2 局部余量控制技术

局部余量控制技术是指在实际加工中将某一工序中工件非关键尺寸加工到位，将有严格尺寸公差和形位公差要求的尺寸留量放在后序中加工，从而最大限度地减小加工误差，提高加工精度。比如在工序③中，将基准面单边留量0.3mm作为后续加工的可去除余量，从而使加工精度控制在公差之内。

对于尺寸精度和形位公差精度要求较高的薄壁件而言，难点是控制其变形量，从机座的结构分析可知，底面平面度质量起着至关重要的作用。在加工工序④时，平面度的控制是关键。采取如下方法：

1）加工薄壁零件时要选用尖角的立铣刀。不能用圆鼻刀，防止圆鼻刀切削时产生向下的载荷分量，使零件底部翘曲。刀具选择小刀加工，从而获得较小的表面切削力，切削更加均匀，受力平稳，获得较好加工表面质量，如图4选择Φ4立铣刀。

2）避开薄壁的振动区域。当采用跟随周边铣削加工时，步距的移动方向应远离薄壁的振动区域。加工过程中应注意步距方向，跨步之前加工完要加工的区域，刀具远离发生振动的薄底部位。

3）多型腔薄壁零件的加工。在加工多型腔的薄壁零件时，关键是定义底面的加工顺序，这样才能避免加工中产生翘曲变形。定义加工顺序的原则为：要利于毛坯材料的预应力的释放，加工时要有较好的支撑；要减少加工时热量的累积。

在实际切削时应用局部余量控制技术，采用反复对称加工机座的上下底面，最终将底面平面度控制在0.005mm以内，解决了薄壁底平面加工变形的难题。

2.3 多刃微应力端铣方法

多刃微应力端铣方法是指采用多刃薄片铣刀针对支架耳片侧面进行精加工，达到减小切削力和切削变形，进而获得较好表面质量的加工方法。如图5所示，实际加工中由于零件刚度不足容易产生加工变形，使用立铣刀铣削薄壁面AB，应该切除阴影部分ABDC。但由于切削力的作用，薄壁件产生弹性变形，A、C两点分别移到A′、C′两点。这时刀具刚度远大于薄壁件刚度，刀具仅切除ABDC部分的材料。走刀过后薄壁弹性恢复，残留CDC′部分材料未被切除，形成了壁厚加工误差。因此，最小程度地减小C′DC处的弹性变形量是控制侧面平面度的关键。

如图2所示，支架侧面与A基准存在0.01mm的跳动公差，为关键尺寸。精测时通过评价基准轴A与支架平面垂直度的大小，来判别跳动公差的好坏。因此，耳片表面加工质量直接影响了跳动公差的精度。通过分析可知，刀具的刚性远强于薄壁工件的刚性，故而波导支架的变形量主要取决于切削力的大小。通过对立铣刀加工分析可知，随着切削深度的加大，刀具与工件的接触面积逐渐增大，切削力相应增大。片铣刀由于接触面积小，切削厚度小，因此多刃加工切削受力更加均匀。在实际加工中选用薄刃片铣刀对薄壁耳片进行试加工，如图6所示。采用小切深分层加工，将平面度控制在0.005mm以内，成功地解决了耳片震颤、变形的加工难题，表面加工质量良好。

2.4 组合件四孔镗削加工技术

（1）组合件装夹方法

如图7所示，加工所需的装夹工装经过千分表在线检验，其表面直线度均在0.002mm以内，满足加工要求。纵向找正基准边是组合件掉头找正基准和对刀基准。在实际切削时，将工件按如图7所示装夹在工装上。采用螺钉压紧固定方式，装夹过程中，观察千分表指针变化，控制变化量在0.005mm以内。由于工件为弱应力装夹，为避免加工过程中工件发生窜动，在图7所示位置点胶。

（2）孔加工刀具选择

波导支架结构刚度差，在加工时振动磨损厉害，组合件的孔为难加工部位。普通硬质合金刀耐磨性差，无法满足加工要求。通过用普通硬质合金刀片和金刚石刀片进行试切试验比较，确定加工刀具，结果如表1所示。

表1 比较试验结果Table 1 Comparison of the experiment results

试验表明：采用金钢石刀具切削综合性能明显优于硬质合金刀具，试切件尺寸经三坐标测量仪检测全部合格。通过竖立安装在虎钳上对安装面进行临床加工，利用千分表进行校正，横向和竖直方向上表针跳动保证在0.002mm以内，突破三轴加工的局限性，实现了掉头镗削加工，保证了在210mm范围内，相对于基准A的同轴度Ф0.02mm的圆度公差和其余各项技术指标。

（3）组合件加工方法

与单一工件的铣削加工相比，组合工件的铣削保证每个组件的加工质量的同时，也要保证各组件按规定组合装配后的各项技术要求。所以，应认真分析组合工件的装配关系，合理安排组合工件的加工顺序和加工工艺。

尽可能减小因基准位移和基准不重合造成的误差。对有形状、位置精度要求的工件，尽可能在同一次安装下完成。在毛坯尺寸和铣削加工条件允许的情况下，尽量一次安装，完成各有关加工表面的加工。如在一次安装下，外圆与端面的垂直度、孔与轴的同轴度的加工等，很容易达到图样的形位公差要求；否则在调头时，必须增加用以保证形位精度的精基准、校正方法或夹具来加以补救。

3 产品加工质量评价

经过三坐标测量仪对主要技术指标进行测量，检测结果全部符合图纸要求，如表2所示。

表2 三坐标测量仪关键数据检测结果Table 2 Key data detection results of three coordinate measuring instrument

4 结论

通过天线指向机构的支架的加工，总结出薄壁高精度支架产品铣削和四孔同轴镗削加工、低应力装卡方法、局部余量控制技术、多刃微应力端铣方法等加工技术和方法。不仅解决薄壁高精度硬铝合金材料支架产品制造难题，而且在其他型号天线指向机构、光学测量载荷机构中推广使用，获得了高效率、低成本的效果。

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