飛機(jī)蒙皮鏡像銑切加工工藝策略分析

摘

要：首先介紹了鏡像銑加工系統(tǒng)及其兩種零件裝夾方式，然后分析了零件加工質(zhì)量控制指標(biāo)，最后針對邊緣夾持式鏡像銑，從加工零件的選擇、零件裝夾策略、刀具選擇及蒙皮銑切策略規(guī)劃4個方面分析討論了飛機(jī)蒙皮鏡像銑切加工工藝策略，并提出了相應(yīng)的指導(dǎo)意見。關(guān)鍵詞：飛機(jī)制造；飛機(jī)蒙皮；鏡像銑；工藝策略0

引言飛機(jī)蒙皮鏡像銑切技術(shù)是一種應(yīng)用于變厚度金屬蒙皮加工的新型技術(shù)，一臺機(jī)床便能夠完成零件的減薄切邊及鉆孔工作，相較于傳統(tǒng)的化銑工藝，有著污染小、周轉(zhuǎn)周期短的特點(diǎn)。飛機(jī)蒙皮零件作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要承力件，精度要求較為嚴(yán)格，同時其加工工藝復(fù)雜，在鏡像銑切之前一般已完成熱處理和成型等高成本工序。鏡像銑作為蒙皮制造新技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的機(jī)械加工，因此對蒙皮鏡像銑切加工工藝策略進(jìn)行分析討論，以最大程度保證蒙皮加工效率與質(zhì)量是非常必要的。1

鏡像銑加工系統(tǒng)鏡像銑加工系統(tǒng)主要組成部分為兩臺同步運(yùn)動的臥式機(jī)床和工件夾持系統(tǒng)。兩臺同步運(yùn)動的機(jī)床主軸頭分別為銑削頭和支撐頭，二者在加工過程中始終在同一法矢方向同步運(yùn)動。鏡像銑能夠在下陷區(qū)厚度銑切過程中通過集成在支撐頭上的超聲波測厚裝置實(shí)時自動檢測蒙皮的厚度，并能按照檢測的結(jié)果實(shí)時做出相應(yīng)加工補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整，實(shí)現(xiàn)蒙皮結(jié)構(gòu)壁厚實(shí)時自適應(yīng)鏡像銑削加工。鏡像銑的夾持系統(tǒng)目前主要分為兩種，一種是矩陣工裝夾持，另一種是邊緣柔性夾持。矩陣工裝可以按程序生成蒙皮理論型面點(diǎn)陣，并通過工裝附帶的兩個定位器定位零件，而后吸盤對零件進(jìn)行真空吸附，完成零件的夾持。邊緣柔性夾持則通過連接在支撐桿上的夾爪夾住零件邊緣實(shí)現(xiàn)零件夾持。邊緣柔性夾持工裝的夾爪可在一定角度范圍內(nèi)自由擺動，同時支撐桿可伸縮和擺動。裝夾零件時移動連接在支撐桿上的夾爪至零件邊緣，夾爪自適應(yīng)地貼近蒙皮，然后夾緊夾爪并鎖緊支撐桿，完成零件夾持。矩陣工裝夾持雖可有效保持零件形狀，但在零件加工時工裝與機(jī)床支撐頭干涉，加工過程中需不斷調(diào)整支撐單元陣列布局，影響加工效率。邊緣夾持工裝相對矩陣工裝，其保形能力較差，但邊緣夾持時零件夾持和主軸支撐相互分離，不會相互干涉，操作復(fù)雜性低。邊緣柔性夾持式鏡像銑夾持系統(tǒng)如圖1所示。以邊緣夾持為例說明鏡像銑的加工工藝流程：（1）零件水平放置，通過柔性多點(diǎn)支撐工裝和激光投影大致定位；（2）邊緣柔性夾持工裝夾持零件；（3）工裝臥立翻轉(zhuǎn)后送進(jìn)加工室；（4）蒙皮型面掃描；（5）依據(jù)掃描的實(shí)際型面修正零件加工程序；（6）鏡像銑加工；（7）零件送出加工室并卸料，零件加工完畢。本文所探討的加工策略也均針對邊緣夾持式鏡像銑切系統(tǒng)。2

零件加工質(zhì)量控制指標(biāo)及檢測方法鏡像銑用于加工零件下陷區(qū)和邊緣輪廓，零件關(guān)鍵質(zhì)量控制指標(biāo)為下陷區(qū)厚度和零件開孔及邊緣輪廓切割精度，與之相關(guān)聯(lián)的還有下陷區(qū)加工表面相鄰刀路階差和表面粗糙度。鏡像銑下陷區(qū)厚度檢測可以用機(jī)床支撐頭的測厚裝置進(jìn)行檢測，還可以采用手持式超聲波測厚儀進(jìn)行檢測，階差可用光學(xué)缺陷階差測量儀進(jìn)行檢測，表面粗糙度可用對比塊或粗糙度儀進(jìn)行檢測，零件開孔和邊緣輪廓切割精度可用檢驗?zāi)Ｌz測。蒙皮鏡像銑所采用的加工策略應(yīng)能夠保證或提升零件加工質(zhì)量，在滿足質(zhì)量要求的前提下提高加工效率。3

蒙皮零件鏡像銑加工策略3.1

加工零件的選擇3.1.1

零件結(jié)構(gòu)要求采用鏡像銑加工的零件需滿足一些結(jié)構(gòu)特性要求，只有滿足了這些特性要求，才能保證加工的質(zhì)量。首先是對下陷區(qū)輪廓的要求。與化銑刻線形成零件下陷區(qū)輪廓不同，鏡像銑下陷區(qū)輪廓由銑刀加工而成，因此下陷區(qū)輪廓對最小轉(zhuǎn)角半徑有要求，最小轉(zhuǎn)角半徑不應(yīng)小于刀具半徑。其次是對零件型面的要求。鏡像銑加工零件應(yīng)曲面光順，不能出現(xiàn)突變區(qū)域，這是因為一來受機(jī)床結(jié)構(gòu)影響，當(dāng)零件曲率過大時機(jī)床主軸頭會與零件干涉；二來受加工原理影響，銑刀端面為平面，而零件型面為曲面，用平面銑刀銑曲面時銑刀底面不同位置處與零件外表面距離是不同的，當(dāng)零件曲率較大時，這種距離不同難以忽略，表現(xiàn)為實(shí)際加工零件局部厚度超差或相鄰刀路階差過大，不能滿足相關(guān)質(zhì)量要求，前緣類蒙皮零件就不適合采用鏡像銑加工。再次是對零件厚度的要求。鏡像銑優(yōu)先選擇加工厚零件而不宜加工薄零件，原因如下：首先越薄的零件下陷區(qū)厚度設(shè)計公差要求越嚴(yán)格，鏡像銑的實(shí)時厚度補(bǔ)償裝置對于不同厚度的補(bǔ)償能力是相同的，所以薄零件不適合鏡像銑加工。最后，鏡像銑加工零件時存在切削力，會使零件振顫變形，雖然實(shí)時測厚補(bǔ)償裝置能夠自適應(yīng)補(bǔ)償，但是其調(diào)整能力有限，邊緣柔性夾持時零件處于懸空狀態(tài)，剛性較弱，對于薄零件更是如此。綜上所述，鏡像銑所加工的零件應(yīng)具有足夠的剛性，這樣才有利于保證零件的加工質(zhì)量。3.1.2

零件成型工藝選擇大尺寸蒙皮零件成型工藝主要有滾彎成型和拉形成型。滾彎成型用于單曲度的蒙皮零件成型，效率低且精度不高。拉形成型是毛料按拉形模在拉伸機(jī)上拉伸成型，可成型單曲度和雙曲度零件。拉形成型表面質(zhì)量好，外形準(zhǔn)確度高。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，滾彎成型的零件成型后內(nèi)應(yīng)力較大，在鏡像銑銑切下陷后，零件由于應(yīng)力釋放變形較大，加工過程中需增加蒙皮型面掃描及程序匹配次數(shù)，影響加工效率。使用拉形成型的蒙皮在加工過程中變形較小，加工效率和質(zhì)量均能得到有效保證，因此鏡像銑加工的零件應(yīng)優(yōu)先選用拉形成型工藝。3.2

零件裝夾策略零件裝夾實(shí)施工藝流程如下：先將零件水平放置在柔性多點(diǎn)控制工裝上，再通過編程控制柔性多點(diǎn)支撐工裝立柱升起，形成蒙皮理論型面支撐起零件；激光投影儀投影出蒙皮定位孔中心線和輪廓線；手動移動零件使零件定位孔中心和激光投影出的定位孔中心線重合，完成零件在空間中的定位；最后手工操縱邊緣柔性夾持工裝參照激光投影出的零件輪廓及輔助裝夾線夾緊零件，完成零件裝夾。由上述實(shí)施工藝流程可知，零件在裝夾實(shí)施前需要做好兩項準(zhǔn)備工作：一是對柔性多點(diǎn)支撐工裝編程，二是在數(shù)模中設(shè)計出邊緣柔性夾持工裝夾爪夾持位置的輔助裝夾線用于激光投影。在對柔性多點(diǎn)支撐工裝編程時需考慮如下要求：柔性多點(diǎn)支撐工裝的支撐位置決定了零件在加工室內(nèi)的位置，在對柔性多點(diǎn)支撐工裝編程前應(yīng)規(guī)劃好零件與工裝的空間相對位置，保證零件送進(jìn)加工室后在雙五軸機(jī)床行程之內(nèi)。輔助裝夾線的繪制則參照下列原則：在蒙皮件設(shè)計模型的外輪廓上，沿工件長度和工件寬度方向上，以邊緣柔性夾持工裝間距為距離設(shè)置投影點(diǎn)。過各投影點(diǎn)，以各投影點(diǎn)為中心，分別沿工件長度或工件寬度方向上延伸100mm，完成激光投影輔助裝夾線的裝配繪制。零件裝夾還應(yīng)滿足應(yīng)無應(yīng)力要求。隨著加工過程的進(jìn)行，零件下陷區(qū)材料被不斷去除，零件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)也在不斷改變。當(dāng)零件裝夾存在較大應(yīng)力時，零件在加工過程中可能會形狀突變，這種形狀突變一旦超出機(jī)床補(bǔ)償能力將導(dǎo)致零件厚度超差，后果嚴(yán)重。因此，零件應(yīng)無應(yīng)力裝夾。裝夾應(yīng)力存在的原因一般是零件裝夾時沒有調(diào)整好邊緣柔性夾持工裝使之符合零件形狀，導(dǎo)致零件局部變形產(chǎn)生應(yīng)力，零件裝夾時應(yīng)避免這種情況發(fā)生。3.3

刀具選擇對于鏡像銑切應(yīng)選用專用刀具來保證加工過程穩(wěn)定并抑制切削振動。航空數(shù)控加工領(lǐng)域的產(chǎn)品一般為鋁合金零件，零件材料對銑刀性能要求不高，為便于排屑并控制成本，零件加工一般選用大螺旋角的整體硬質(zhì)合金銑刀。但對于鏡像銑切加工來說，減小切削力保證切削過程穩(wěn)定尤為重要。鏡像銑加工應(yīng)選用小螺旋角刀具，減小軸向力，保證零件不沿型面法向方向受力移動，避免對切削補(bǔ)償造成不利影響。同時刀具需足夠鋒利，切削刃要采用大前角設(shè)計，有利于減小切削力。刀具材料應(yīng)剛性強(qiáng)、耐磨損壽命長，一般選用PCD刀具等高性能刀具，此類刀具在保證加工效果穩(wěn)定的同時還能提高加工表面光潔度，滿足設(shè)計提出的粗糙度要求。鏡像銑切時還應(yīng)合理選擇刀具直徑。機(jī)床支撐頭附帶測厚裝置用于實(shí)時監(jiān)測刀具中心處加工厚度，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果做出實(shí)時法向補(bǔ)償。測厚原理為超聲波測厚，鏡像銑所選刀具最小直徑應(yīng)大于超聲波測厚探頭的直徑，否則在零件加工時會出現(xiàn)測厚不穩(wěn)定的情況，同時刀具直徑較小還會影響零件加工效率。刀具直徑也不能選擇過大，銑刀端面為平面，而零件型面為曲面，用平面銑刀銑曲面時銑刀底面不同位置處與零件外表面距離是不同的。當(dāng)銑刀直徑增大時對應(yīng)的曲面面積也會增大，上述距離不同差值也會增大，嚴(yán)重的會導(dǎo)致零件厚度超差。如圖2所示，Da為測量厚度，Db為小直徑銑刀距離偏差，Dc為大直徑銑刀距離偏差，Dc明顯大于Db。3.4

蒙皮銑切策略規(guī)劃3.4.1

下陷區(qū)特征加工蒙皮下陷區(qū)加工流程如下：首先利用激光掃描系統(tǒng)對蒙皮外表面（非下陷加工面）進(jìn)行激光掃描，獲取毛坯外表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后使用點(diǎn)云處理軟件對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，刪除噪點(diǎn)和多余數(shù)據(jù)點(diǎn)，再將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)，獲得蒙皮件實(shí)際幾何模型。之后通過專用軟件，依據(jù)毛坯外表面實(shí)際幾何模型、理論曲面點(diǎn)云、實(shí)際定位點(diǎn)和理論定位點(diǎn)的數(shù)據(jù)，建立毛坯件與工件設(shè)計模型的映射關(guān)系。最后根據(jù)下陷區(qū)特征加工的理論刀路，通過特征匹配與刀路補(bǔ)償，獲得毛坯件上下陷區(qū)特征的加工實(shí)際刀路，并進(jìn)行特征加工過程仿真校驗。仿真校驗合格后用于零件加工。加工坐標(biāo)系選擇：一般以蒙皮件的定位孔為坐標(biāo)系原點(diǎn)，沿蒙皮件長度方向為X軸方向，沿蒙皮件寬度方向為Y軸方向，過坐標(biāo)系原點(diǎn)沿遠(yuǎn)離工件的法向為Z軸方向，建立工件設(shè)計模型的加工坐標(biāo)系。這樣選擇坐標(biāo)系與零件裝夾狀態(tài)相一致，可以使實(shí)物毛坯與工件的設(shè)計模型盡可能貼合，以孔為坐標(biāo)系原點(diǎn)還便于現(xiàn)場操作。下陷區(qū)加工順序安排為零件加工應(yīng)采用從中間到邊緣的加工順序。這樣安排加工順序有如下理由：（1）零件采用邊緣夾持方式時，零件邊緣在夾持工裝的支撐下剛性較好，而零件中間由于沒有支撐剛性較差。若先加工邊緣區(qū)域，邊緣區(qū)域減薄后剛性變?nèi)?，勢必會?dǎo)致零件中間區(qū)域剛性更弱，對加工產(chǎn)生更加不利的影響，而先加工中間區(qū)域再加工邊緣區(qū)域時則無上述情況。（2）零件采用先中間再邊緣的加工順序能減小零件變形。采用這種順序加工零件時，零件四周受力平衡，變形均勻，若采用從一側(cè)至另一側(cè)的加工順序，零件受力不平衡，變形也會更嚴(yán)重，從而增加零件掃描次數(shù)，影響零件加工效率和質(zhì)量。下陷區(qū)刀具加工軌跡規(guī)劃：蒙皮下陷區(qū)銑削過程中，要求刀具軌跡滿足無交叉、無殘留、無抬刀，典型刀軌如圖3所示。鏡像銑系統(tǒng)附帶的刀軌生成軟件一般能自動生成滿足上述條件的刀軌，但所生成的刀軌沿不同的優(yōu)選加工方向不只有一種，需要依據(jù)零件型面特點(diǎn)對刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)選。理論而言，刀軌應(yīng)沿曲率變化較小的方向盡量長，這樣可以減少加工時刀軸的連續(xù)擺動，提高加工質(zhì)量及效率[6]。為確定刀軌優(yōu)選原則曾開展不同刀軌的加工試驗，試驗件為單曲度零件，試驗制定了3種刀軌路線：沿曲面母線（長度）方向、沿圓周（寬度）方向、環(huán)形方向。試驗結(jié)果顯示，機(jī)床在沿不同刀路軌跡銑切過程中控制厚度情況接近，但沿曲率變化較大的圓周方向走刀情況下，加工表面平整觀感較好，相鄰刀路間階差觸感不明顯，優(yōu)于沿長度方向走刀及環(huán)形走刀，所以銑切蒙皮下陷時優(yōu)先采用沿曲率變化較大方向走刀的銑切方式。工程應(yīng)用過程中還需要依據(jù)實(shí)際加工效果及零件質(zhì)量要求規(guī)劃刀具加工軌跡。3.4.2

蒙皮開口及邊緣輪廓特征加工蒙皮開口及邊緣輪廓特征加工流程與下陷區(qū)特征加工流程基本一致，先掃描實(shí)際型面，再將理論刀路進(jìn)行特征匹配與刀路補(bǔ)償獲得加工實(shí)際刀路，仿真后進(jìn)行加工。加工時先加工零件內(nèi)部開口再加工零件外形輪廓。數(shù)控編程時，刀軸法向于曲面，待加工表面為試件外表面。輪廓切割時需設(shè)置連接筋來保證零件與毛料的連接，連接筋一般設(shè)置在接近夾爪處，這樣可保證工裝夾持強(qiáng)度，減小零件變形。輪廓切割需一次完成，選用低進(jìn)給高鉆速的切削參數(shù)保證切割端面質(zhì)量。開口加工時通常將粗加工的邊界余量設(shè)置為0.5mm，然后精加工至零件設(shè)計尺寸。開口的加工需從中心處向四周環(huán)形走刀，將多余材料銑掉，不能只沿輪廓切割而使零