中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司數(shù)控加工廠 姜曉偉

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某機(jī)平尾主梁數(shù)控加工工藝研究

中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司數(shù)控加工廠 姜曉偉

本文主要針對(duì)某機(jī)平尾主梁零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)制造加工領(lǐng)域，毛坯率先采取技術(shù)先進(jìn)的激光快速成型技術(shù)，以及成型后所采取的數(shù)字化加工手段完成零件的制造過(guò)程，真正實(shí)現(xiàn)了材料的提取過(guò)程與制造過(guò)程一體化和設(shè)計(jì)與制造一體化，通過(guò)在某機(jī)平尾主梁上的實(shí)施與應(yīng)用以及取得的研制效果進(jìn)行了全面剖析，為以后激光快速成型技術(shù)推廣及在數(shù)字化加工的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程提供技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

近幾年，我公司大力推進(jìn)了信息化與工業(yè)化融合，規(guī)劃和實(shí)施了“新一代飛機(jī)研發(fā)平臺(tái)”——第四代戰(zhàn)機(jī)研制，此飛機(jī)具有先進(jìn)的制造技術(shù)，高端的性能和優(yōu)秀設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，型號(hào)的研發(fā)和生產(chǎn)周期也從過(guò)去的10年到15年縮短到如今的19個(gè)月，為航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造帶來(lái)了重大變革，打破了我國(guó)航空研究制造領(lǐng)域過(guò)去處于的技術(shù)跟隨，難以形成自主創(chuàng)新和突破的狀態(tài)。通過(guò)對(duì)某機(jī)平尾主梁采用的激光快速成形及數(shù)字化加工技術(shù)的研究，對(duì)航空制造業(yè)工藝技術(shù)的提升和先進(jìn)技術(shù)的推廣起到了積極的作用，為未來(lái)機(jī)型研制提供了可借鑒平臺(tái)。

平尾主梁的工藝性分析

圖1　平尾主梁裝配圖

某機(jī)平尾主梁是飛機(jī)整個(gè)平尾結(jié)構(gòu)中的一項(xiàng)重要承力構(gòu)件，通過(guò)水平尾翼大軸與機(jī)身連接，是支撐及傳動(dòng)水平尾翼的主要構(gòu)件，具有安全傳遞載荷和實(shí)現(xiàn)飛機(jī)各部位連接之功用。

毛料采用激光快速成型，其零件形狀復(fù)雜，不僅有精密的結(jié)合孔，還有配合槽和理論外形。而且，零件的外形公差要求嚴(yán)格，表面粗糙度要求較高，

外形存在多處變角度曲面，這些曲面連接處光順銜接也是影響零件表面質(zhì)量的直接因素。

1. 平尾主梁的典型特點(diǎn)

（1）此零件外形為機(jī)身理論外緣面，多處存在變角度曲面，外形公差±0.2mm。

（2）零件為雙面多型腔結(jié)構(gòu)，多處加強(qiáng)筋相連接，水平尾翼轉(zhuǎn)動(dòng)大軸孔處耳片采用加強(qiáng)筋連接，典型轉(zhuǎn)角R8mm，底角R4mm。

（3）腹板厚度為2 m m，2.6mm，3.6mm，3.8mm，4mm不等，緣條厚度從2mm到4mm不等，加強(qiáng)筋厚度最小2mm。

（4）耳片高度很高，最高處182mm，間距33mm，厚度公差要求±0.1mm，垂直度公差0.05。

（5）腹板上有3處裝配孔，并且位置、精度要求嚴(yán)格。

（6）孔徑精度IT7級(jí)，表面粗糙度Ra=0.8μm，孔的同軸度0.02mm。

（7）零件的結(jié)構(gòu)尺寸最大外廓為1080mm×410mm×280mm，涉及3處關(guān)鍵特性和6處重要特性。

2. 激光快速成型特點(diǎn)

激光快速成型技術(shù)是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型的快速制造技術(shù)，與傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法相比，激光快速成型技術(shù)是一種全新的“增量”制造方法，無(wú)需借助工具、模具，直接從三維CAD文件制造處復(fù)雜的近凈形致密金屬零件，從而降低了生產(chǎn)成本，提高了加工效率。研究表明，激光快速成型技術(shù)可節(jié)省新產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間70%以上，節(jié)省產(chǎn)品投放市場(chǎng)時(shí)間的90%左右。正是由于激光快速成型技術(shù)的高效率和低成本的特點(diǎn)，利用激光快速成型技術(shù)，企業(yè)可以隨時(shí)根據(jù)市場(chǎng)需求變化進(jìn)行產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和多品種變批量的生產(chǎn)，從而極大提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

激光快速成型有以下特點(diǎn)：

（1）具有快速性，生產(chǎn)制品的周期較傳統(tǒng)加工工藝短，從CAD設(shè)計(jì)到原型只需幾個(gè)小時(shí)至幾十個(gè)小時(shí)。

（2）高度柔性和適應(yīng)性，可以制造任意復(fù)雜形狀的零件。

（3）直接CAD模型驅(qū)動(dòng)，如同使用打印機(jī)一樣方便快捷。

（3）無(wú)需使用任何專(zhuān)用夾具，非常適用于快速實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)制造。

由于此種材料應(yīng)用處于初級(jí)階段，成型后出現(xiàn)局部缺陷或局部余量不均現(xiàn)象，對(duì)外形復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和曲面，加工比較粗糙，尺寸精度低，制作的實(shí)物模型與設(shè)計(jì)模型之間不能建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因而還需在后續(xù)數(shù)字化加工中進(jìn)行協(xié)調(diào)驗(yàn)證。

3. 工藝難點(diǎn)

（1）此零件為雙面結(jié)構(gòu)，需翻面加工，翻面需要有專(zhuān)用工裝。

（2）零件的腹板、緣條壁厚較薄，加工中容易變形。

（3）耳片高，厚度公差較小，加工中容易產(chǎn)生讓刀，厚度尺寸不易保證。

（4）裝配孔位置及精度要求較嚴(yán)，且有同軸度要求，對(duì)工裝的制造精度要求較高。

（5）零件的表面粗糙度要求較高，且外形多處為變角度面，型面要求嚴(yán)格。

（6）對(duì)激光成型材料的加工是一個(gè)新的加工過(guò)程，我們?nèi)狈ο鄳?yīng)的知識(shí)，一切都在摸索中前進(jìn)。

（7）零件的所有型面、孔位需要使用測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量。

（8）零件的生產(chǎn)周期短，制定工藝方案、編制工藝文件及數(shù)控加工程序的工藝準(zhǔn)備時(shí)間短。

加工方案論證及數(shù)字化加工實(shí)現(xiàn)過(guò)程

1. 裝夾方案

圖2　某機(jī)平尾主梁結(jié)構(gòu)圖

選擇夾具時(shí)首先要確定零件加工的定位基準(zhǔn)，基于此類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，定位基準(zhǔn)采用零件上的2個(gè)φ18H9孔及腹板面進(jìn)行定位，保證與裝配基準(zhǔn)一致；其次需要考慮零件在夾具中定位后需要夾緊，夾緊力的方向應(yīng)垂直于主要定位基準(zhǔn)面，夾緊力作用點(diǎn)的選擇應(yīng)能保持零件穩(wěn)固并且盡可能減小夾緊變形，作用點(diǎn)盡量靠近切削部位以提高夾緊的可靠性。此類(lèi)零件多采用壓板壓在緣條頂面或者腹板面上的方式進(jìn)行夾緊，夾緊力作用點(diǎn)應(yīng)均布于零件，以增加其穩(wěn)固性?；谝陨戏治鲈O(shè)計(jì)夾具圖結(jié)構(gòu)如圖3所示：

零件翻面后同樣采用此種2個(gè)φ8H9基準(zhǔn)孔和腹板面的定位方式裝夾，保證了零件加工中基準(zhǔn)統(tǒng)一。

對(duì)于此套裝夾方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）零件放置平穩(wěn)，裝夾力集中、均勻。

（2）定位面采用兩孔一面，較易裝夾，方便零件找正。

（3）裝夾迅速。

（4）加工方便，無(wú)多余物限制加工過(guò)程。

（5）翻面后的定位基準(zhǔn)及加工基準(zhǔn)統(tǒng)一，找正準(zhǔn)確，相對(duì)累積誤差較小。

2. 工藝方案

工藝方案如下：激光成型毛料—粗銑定位基準(zhǔn)面—制2個(gè)φ18H9定位孔—粗加工零件外形—粗加工零件內(nèi)形—精加工緣條高度—插銑R8mm轉(zhuǎn)角—半精銑緣條外形、內(nèi)形—精銑緣條外形—精銑緣條內(nèi)形—制一處φ18H9裝配孔—檢驗(yàn)—翻面—粗加工零件內(nèi)形—精加工緣條高度—插銑R8mm轉(zhuǎn)角—精銑緣條內(nèi)形—補(bǔ)銑閉角殘余—制兩組耳片同軸孔底孔—半檢—清洗、滲透—吹砂—檢查壓套—鏜套孔—銑套端面——測(cè)量檢查—成檢—交付。

3. 加工原則

零件的加工采用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床，銑切方式按順銑加工。一般采用粗加工、半精加工、精加工的順序安排工序，依據(jù)不同的加工情況采用不同的加工方法。在翻面前，其加工狀態(tài)為加工減輕槽腔，由于其內(nèi)、外形的加工余量較大，同時(shí)，緣條的厚度較薄，耳片厚度及垂直度要求嚴(yán)格，因此，采用粗加工、半精加工、精加工達(dá)到要求。而翻面后，加工減輕槽、腹板，同時(shí)，筋條不高，并且較厚，所以，只安排粗加工、精加工工序。

粗加工的原則是盡可能的去除余量，釋放大部分應(yīng)力。留下很少的余量，程序里在腹板及連接筋條上各留1mm余量，在緣條寬度方向上留2mm余量，耳片兩側(cè)厚度各留0.5mm余量。

半精銑主要是進(jìn)一步去除余量，釋放應(yīng)力，程序里在腹板及連接筋條上各銑去1mm余量，在緣條寬度方向上銑去1.5mm余量。

精銑是保證零件尺寸及表面粗糙度等要求，符合數(shù)模要求，達(dá)到最終裝機(jī)狀態(tài)。程序里在緣條寬度方向和耳片方向各銑去0.5mm余量。

4.刀具的選擇

（1）加工刀具的選擇原則是“先大后小”，能使用大的直徑刀具就盡量使用大刀，大刀銑不到的部位再使用小刀補(bǔ)加工。刀具直徑大有以下優(yōu)點(diǎn)：

（2）剛性好，不易折斷。

（3）切削參數(shù)（轉(zhuǎn)數(shù)、進(jìn)給）較高，切削用量（切深、切寬）較大。因此，切削效率較高。

（4）刀具的直徑越大，刀具的長(zhǎng)度就越長(zhǎng)，加工中不易與夾具發(fā)生干涉。

（5）大直徑刀具一般都采用錐柄結(jié)構(gòu)，易于裝夾。而小直徑刀具多采用直柄，用彈簧夾頭裝夾，易產(chǎn)生偏擺。

刀具的材質(zhì)的選擇要依據(jù)零件的材料來(lái)確定。一般情況下使用硬質(zhì)合金和高速鋼。硬質(zhì)合金刀具的優(yōu)點(diǎn)是剛性強(qiáng)，可以進(jìn)行高轉(zhuǎn)速、大切削量的加工，對(duì)于零件的粗加工，可以節(jié)省時(shí)間。硬質(zhì)合金刀具的缺點(diǎn)是刀具材質(zhì)較脆，耐沖擊性能不好，小余量切削時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工表面的質(zhì)量。高速鋼刀具的優(yōu)點(diǎn)是韌性較好，用于精加工時(shí)，零件的表面質(zhì)量較好，并且在加工厚度薄、面積大、背面懸空的槽腔底面時(shí)產(chǎn)生的變形較?。ㄒ?yàn)榈毒呷心ヤh利，對(duì)于零件的作用力較?。?。其缺點(diǎn)是刀具的剛性較硬質(zhì)合金刀具要小，轉(zhuǎn)數(shù)、進(jìn)給、切削用量不能太大，相對(duì)來(lái)說(shuō)效率較低，從加工的效率考慮，選用硬質(zhì)合金刀具。

圖3　夾具結(jié)構(gòu)圖

5. 切削參數(shù)確定

切削參數(shù)需要根據(jù)刀具的材質(zhì)與零件的材料來(lái)確定。

切削速度：不同的刀具材質(zhì)切削不同的零件材料的切削速度不同。其主要來(lái)源是刀具生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)以及在實(shí)際應(yīng)用中的加工情況。

切削轉(zhuǎn)數(shù)：根據(jù)切削速度、刀具直徑和公式

n（轉(zhuǎn)數(shù)）=1000v（切削速度）/（πD（刀具直徑））

進(jìn)給速度：由公式“F=轉(zhuǎn)數(shù)×齒數(shù)×每齒切削量”計(jì)算出來(lái)。

每齒切削量：由刀具材料與被加工零件的材料決定。

齒數(shù)：齒數(shù)多則振動(dòng)小，但不利于排屑。齒數(shù)少排屑好，但是刀具剛性較差。依據(jù)刀具直徑多數(shù)選用3～6齒。

在程序中主要使用了以下參數(shù)：

6. 主要尺寸控制

在制定工藝過(guò)程和編制數(shù)控程序中，對(duì)關(guān)鍵部位主要采取以下的控制方案.

（1）對(duì)理論外緣的控制。平尾主梁理論外緣多處存在變角度曲面，內(nèi)形成閉角，外緣型面為飛機(jī)理論外型面，與其他鈑金件有裝配關(guān)系，并且其裝配孔是以外緣上一點(diǎn)為基準(zhǔn)制出，為保證裝配的要求，零件的加工采用A、B角五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床加工，嚴(yán)格劃分加工工序，對(duì)稱(chēng)零件分別編制數(shù)控加工程序，采用順銑加工的方式，保證加工后的零件符合要求。

（2）對(duì)腹板的尺寸精度控制。零件的腹板尺寸厚度不一，其控制主要通過(guò)夾具與程序來(lái)保證腹板的尺寸在其公差范圍內(nèi)。零件在裝夾中要與夾具定位面貼合，無(wú)間隙，加工中主要是使用螺栓與壓板結(jié)合夾緊零件。

（3）對(duì)裝配兩組同軸孔的控制。零件的裝配孔與零件外緣有嚴(yán)格的位置度要求，并且，裝配孔的精度要求較高（孔徑精度IT7級(jí)），孔的同軸度要求φ0.02mm。

為了保證裝配孔的位置及精度，在零件的加工中采用的是常規(guī)鏜孔的方式來(lái)保證孔的加工精度要求。加工中采用初鏜、半精鏜和精鏜相結(jié)合的方式，初鏜孔前對(duì)孔的位置及孔邊距進(jìn)行預(yù)調(diào)整，在保證各尺寸要求前提下再進(jìn)行精鏜孔，此工序安排關(guān)系到后續(xù)壓套鏜孔的精度及同軸度，決定整個(gè)加工流程的成敗與否，是加工流程中控制的重中之重。

加工中使用的參數(shù)表

結(jié)語(yǔ)

在裝備制造業(yè)不同類(lèi)型產(chǎn)品的制造技術(shù)中，專(zhuān)有制造技術(shù)體現(xiàn)了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制造工藝和用戶(hù)使用工藝的獨(dú)特要求，它是核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要組成部分。發(fā)展高端產(chǎn)品制造，必須突破傳統(tǒng)的工藝和技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝上逐步形成我國(guó)自己的專(zhuān)有技術(shù)。

通過(guò)此次加工大尺寸多型面零件的同時(shí)開(kāi)展高效銑切加工技術(shù)的研究，在加工過(guò)程中使用的激光快速成型技術(shù)，解決了零件變形大及加工效率問(wèn)題，建立了高效加工工藝參數(shù)庫(kù)，為我們今后生產(chǎn)大尺寸多型面零件提供了經(jīng)驗(yàn)。□