隋少春 湯立民 楚王偉 陳清良 李衛(wèi)東

(中航工業(yè)成飛公司，四川成都 610092)

航空制造業(yè)的發(fā)展對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和性能要求越來(lái)越高，設(shè)計(jì)模型大量采用整體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床能夠滿(mǎn)足大多數(shù)特征的加工，但對(duì)于一些結(jié)構(gòu)空間復(fù)雜的零件，傳統(tǒng)的五軸數(shù)控加工難以滿(mǎn)足要求，直接影響到零件的制造質(zhì)量和效率。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工成為制約我國(guó)航空制造業(yè)發(fā)展的難題之一。

本文應(yīng)用數(shù)控分度頭加工飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，將分度頭直接安裝在機(jī)床雙擺頭上加工相關(guān)結(jié)構(gòu)特征，提出了一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工的有效方法，不僅大大提高了數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)性，而且提高了產(chǎn)品的加工效率和精度。本文就數(shù)控分度頭使用過(guò)程中的工藝參數(shù)研究、后置處理、加工過(guò)程仿真和應(yīng)用實(shí)例等幾個(gè)方面進(jìn)行了探討，對(duì)于規(guī)范并推廣數(shù)控分度頭的使用具有重要意義。

1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件復(fù)雜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件而言，開(kāi)敞性好、結(jié)構(gòu)空間大的特征通過(guò)傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高精度的加工。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)空間封閉、尺寸局限的特征，這些特征體現(xiàn)在普通刀具很難加工到，成為了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中的“死角”。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜特征主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:整體框梁類(lèi)零件上的緣條孔，數(shù)量多且有一定的精度要求，用傳統(tǒng)加工方式需借用Z向尺寸較大的工裝，成本高、操作復(fù)雜;零件內(nèi)外形面上的凹槽特征精度要求高，數(shù)控加工難以加工到，常規(guī)加工方法又滿(mǎn)足不了精度要求;零件耳片、鼓包等凸起結(jié)構(gòu)特征處的法向孔，特別是深度較大的孔，常規(guī)方法很難滿(mǎn)足加工要求。

對(duì)以上描述的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的加工方式往往需要定制鉆孔模板通過(guò)鉗工來(lái)加工，或需要特殊的工裝，抑或是增加刀具、鉆頭的長(zhǎng)度來(lái)避免干涉，這些情況都存在操作復(fù)雜、加工成本高、加工質(zhì)量差且加工風(fēng)險(xiǎn)很高等問(wèn)題。本文通過(guò)科學(xué)的調(diào)研研究，發(fā)現(xiàn)合理利用數(shù)控分度頭加工能解決以上復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工的難題，且能夠大大降低成本，并提高產(chǎn)品的加工效率和質(zhì)量。

2 數(shù)控分度頭加工技術(shù)研究

2.1 數(shù)控分度頭加工特點(diǎn)分析

數(shù)控分度頭是一種效率化的工具系統(tǒng)，使用數(shù)控分度頭，通過(guò)輔助機(jī)構(gòu)直接安裝在機(jī)床雙擺頭上，相當(dāng)于多增加了機(jī)床的一根軸。如圖1所示是兩種不同刀柄形式的數(shù)控分度頭，它們可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的立臥轉(zhuǎn)換和任意角度的變換，使以前在一臺(tái)機(jī)床上不能完成的加工得以一次加工完成，提高了機(jī)床的使用效率。并能在狹小空間進(jìn)行局部加工，適用于緣條、筋條、側(cè)壁的孔加工和銑削。其工作原理就是機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)數(shù)控分度頭內(nèi)部的齒輪副傳遞動(dòng)力，同時(shí)改變動(dòng)力傳遞的方向。

2.2 數(shù)控分度頭加工工藝參數(shù)研究

2.2.1 低精度銑削加工技術(shù)

采用數(shù)控分度頭加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)式，對(duì)于精度要求不高的結(jié)構(gòu)，可直接用數(shù)控分度頭夾持常規(guī)銑刀進(jìn)行加工。在用相關(guān)CAM軟件進(jìn)行工藝程編的時(shí)候，一般選用圓弧插補(bǔ)的方式，用螺旋方式下刀，下刀時(shí)注意避開(kāi)刀具的底齒中心，下刀角度不大于3°避免刀具和數(shù)控分度頭的機(jī)械機(jī)構(gòu)受到?jīng)_擊，刀軌精度要求優(yōu)于0.01 mm。

2.2.2 高精度銑削加工技術(shù)

如圖2所示，某結(jié)構(gòu)件外形有精度要求較高的下限凹槽，其位置精度要求為±0.2 mm，用常規(guī)的刀具加工對(duì)刀軌要求較高，而且很難滿(mǎn)足精度要求。應(yīng)用數(shù)控分度頭，將其安裝在機(jī)床的雙擺頭上，增加機(jī)床的自由度，也可加工外形精度要求較高的特征。這種情況下需對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行細(xì)化，并注意數(shù)控分度頭的使用狀態(tài)。在用相關(guān)CAM軟件進(jìn)行工藝程編的時(shí)候，把加工過(guò)程分為粗加工(留余量0.3～0.5 mm)和精加工兩道工序，精加工的刀具轉(zhuǎn)速低于5 500 r/min，每齒進(jìn)給量為0.035～0.045 mm左右，切深小于1 mm，采用斜線下刀的方式，下刀角度為2°。而且加工前要先預(yù)熱機(jī)床主軸并檢查數(shù)控分度頭夾持銑刀后的跳動(dòng)情況，保證跳動(dòng)幅度小于0.02 mm。

2.2.3 孔加工技術(shù)

限于數(shù)控機(jī)床主軸頭的尺寸，采用數(shù)控分度頭加工飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的特殊孔是數(shù)控分度頭應(yīng)用最常見(jiàn)的情況，數(shù)控分度頭加工不僅能解決零件緣條裝配孔的問(wèn)題，而且如圖3所示，能夠加工零件復(fù)雜結(jié)構(gòu)處的深孔、薄壁孔等特征。

(1)深孔加工

隨著孔的深度逐漸加深，孔的加工難度會(huì)成倍增加。如圖4所示，深孔一般分為階梯深孔和普通深孔兩種。

如圖4a所示階梯深孔的加工。應(yīng)用數(shù)控分度頭的加工策略是:先加工A孔，再加工B孔，采用專(zhuān)用階梯鉆頭加工，視具體AB值選用刀具，鉆頭上半部分直徑必須小于A，以免锪傷工件表面并利于排屑。

用數(shù)控分度頭加工如圖4b所示深徑比大于5的深孔。對(duì)于通孔，可以采用多次雙面加工或單面多次分級(jí)加工的方式進(jìn)行。對(duì)于盲孔，可采用多次分級(jí)鉆孔的方式，以提高工件加工質(zhì)量及效率。

加工深孔在選擇刀具時(shí)要充分考慮刀具的剛性。選用高速鋼鉆頭加工時(shí)，必須嚴(yán)格控制進(jìn)給速度及進(jìn)給量，并注意刃磨鉆頭后端，要求使其直徑小于前端直徑，利于切屑順利排出。

數(shù)控分度頭加工深孔的工藝程編方法采用啄鉆的方式，分級(jí)循環(huán)鉆孔，鉆頭每次必須退出工件排屑。鉆頭每次鉆進(jìn)深度根據(jù)孔大小及所鉆深度而定。特別需要注意的是:深孔加工容易出現(xiàn)鉆偏的情況，因此可通過(guò)將鉆尖角加大至140°左右，減小徑向分力，可有效控制鉆偏的情況。深孔加工不宜采用大的走刀量，走刀量的加大會(huì)對(duì)孔的偏斜帶來(lái)影響。在用普通國(guó)產(chǎn)鉆頭鉆孔前，先進(jìn)行導(dǎo)孔定心引導(dǎo)，然后再鉆孔。另外，深孔加工提倡使用高壓內(nèi)冷或者是低溫微量潤(rùn)滑的冷卻方式，保證加工的冷卻效果。

(2)薄壁孔加工精度控制技術(shù)

在一定的程度上，應(yīng)用數(shù)控分度頭加工工件損失了一定的剛性，工件與數(shù)控分度頭之間的相互作用容易產(chǎn)生振顫，加工薄壁工件的時(shí)候需要特別注意這種情況。特別是用數(shù)控分度頭加工薄壁工件緣條或者是內(nèi)形法向孔的時(shí)候，應(yīng)充分根據(jù)孔的位置、精度等特點(diǎn)考慮孔的加工工藝方案，盡量避免在已加工出的薄壁上直接鉆孔而導(dǎo)致振顫使孔徑和孔位產(chǎn)生偏差。

由于使用數(shù)控分度頭進(jìn)行薄壁鉆孔會(huì)給工件質(zhì)量帶來(lái)一定的隱患。因此，數(shù)控分度頭加工薄壁孔需要特別考慮優(yōu)化工藝方案?？蛇x用下面的工藝方法:使用小于孔徑0.3～0.5 mm的鉆頭先鉆底孔再進(jìn)行鉸孔的方法，這樣鉸孔時(shí)余量小，可以克服工件在制孔時(shí)的彈性變形或因振動(dòng)而造成的孔發(fā)生斜、偏等情況，起到糾偏并避免孔徑超大的作用。

2.3 數(shù)控分度頭加工程編后置處理算法

在使用數(shù)控分度頭加工的工藝方法進(jìn)行程編時(shí)，為方便操作，一般程編過(guò)程不做過(guò)多要求，但在后置算法中要充分考慮數(shù)控分度頭加工方向的矢量。下面主要對(duì)數(shù)控分度頭方向矢量計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

以A/B擺角的機(jī)床為例，假設(shè)A=0，B=0時(shí)刀具軸線方向矢量為x0(i0，j0，k0);當(dāng)A/B擺角分別運(yùn)動(dòng)到A=a，B=b時(shí)，刀具軸線方向矢量為 x1(i1，j1，k1)。

如圖5所示，當(dāng)B=0，A角擺動(dòng)時(shí)，矢量x0沿X軸轉(zhuǎn)動(dòng)形成錐面0，可知錐面0上所有母線方向矢量x01(i01，j01，k01)必滿(mǎn)足 i01=i0;當(dāng)A=a，B角擺動(dòng)時(shí)，矢量x1沿Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)形成錐面1?？芍F面1上所有母線方向矢量x11(i11，j11，k11)必滿(mǎn)足j11=j1。因此，錐面0與1交線的方向矢量 x(i，j，k)必滿(mǎn)足 i=i0，j=j1，k2=1 －i02－j12。錐面0與錐面1相交的充要條件為k2≥0。

由此可得，矢量x0先沿錐面0轉(zhuǎn)動(dòng)(A角擺動(dòng))至x，再沿錐面1轉(zhuǎn)動(dòng)(B角擺動(dòng))至x1為一可行路徑。刀具軸線方向矢量為 x1(i1，j1，k1)時(shí)，a等于矢量x0沿錐面0轉(zhuǎn)動(dòng)至x需擺動(dòng)的角度，b等于矢量x沿錐面1轉(zhuǎn)動(dòng)至x1需擺動(dòng)的角度。由此可得到數(shù)控分度頭的方向矢量對(duì)應(yīng)的機(jī)床主軸的變化，從而計(jì)算出數(shù)控分度頭與機(jī)床主軸的配合關(guān)系，計(jì)算出數(shù)控分度頭運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.4 數(shù)控分度頭加工過(guò)程仿真技術(shù)研究

如上所述，數(shù)控分度頭的使用可看成是在機(jī)床主軸上增加了一個(gè)附屬機(jī)構(gòu)，為保證數(shù)控分度頭在實(shí)際加工中使用的正確性，必須對(duì)數(shù)控分度頭的加工過(guò)程進(jìn)行仿真。數(shù)控分度頭加工過(guò)程的仿真主要檢查數(shù)控分度頭機(jī)構(gòu)與工件的干涉情況以及數(shù)控分度頭加工軌跡的正確性。如圖6所示，首先在加工過(guò)程仿真軟件中根據(jù)數(shù)控分度頭尺寸建立簡(jiǎn)化模型，要求其關(guān)鍵尺寸大于實(shí)際數(shù)控分度頭尺寸，根據(jù)數(shù)控分度頭后置處理的原理，分別設(shè)置數(shù)控分度頭的主軸軸線、刀具基準(zhǔn)線、刀具長(zhǎng)度和數(shù)控分度頭工作長(zhǎng)度等參數(shù)，然后將其應(yīng)用于加工過(guò)程仿真中，仿真整個(gè)加工過(guò)程，加工過(guò)程沒(méi)有問(wèn)題的情況下程序可應(yīng)用于實(shí)際加工。

3 數(shù)控分度頭加工技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

如圖7所示，把數(shù)控分度頭加工的研究成果應(yīng)用于某結(jié)構(gòu)件的實(shí)際加工中，解決該零件“T”形筋下復(fù)雜的法向槽腔結(jié)構(gòu)。由于這種結(jié)構(gòu)的封閉性，在傳統(tǒng)數(shù)控加工工藝下無(wú)法完成加工，需增訂復(fù)雜工裝或者是通過(guò)鉗工工序完成，會(huì)造成制造成本增加和加工精度下降;而通過(guò)使用數(shù)控分度頭就可以完成該復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工，其加工精度達(dá)到0.2 mm以上。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)控分度頭加工技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)合理應(yīng)用數(shù)控分度頭解決了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上復(fù)雜難加工結(jié)構(gòu)，降低了制造成本，提高了復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工的效率和精度，對(duì)于整體提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)件復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工水平具有重要意義。