周繼廣，孔慶猛，熊 旭，常 偉

（1.海裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330095）

0 引言

飛機(jī)蒙皮的鏡像銑切能夠精簡(jiǎn)其加工工藝流程，顯著提高工件的生產(chǎn)效率和銑切質(zhì)量，成為目前飛機(jī)大型蒙皮數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)，也是一種發(fā)展趨勢(shì)。為了滿足某型飛機(jī)蒙皮生產(chǎn)的需求，某飛機(jī)制造公司引進(jìn)了一整套完善的五軸數(shù)控蒙皮鏡像銑系統(tǒng)，如圖1所示，其高速銑切和柔性?shī)A持系統(tǒng)為銑切蒙皮外形提供了良好的硬件條件。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是其五軸加工中心配備了高速銑刀，銑切力較小且具備自冷卻功能，在銑切過(guò)程中工件因受力產(chǎn)生的變形較小，有利于提高銑切精度和質(zhì)量。

圖1 五軸數(shù)控蒙皮鏡像銑系統(tǒng)

蒙皮件可視為一種弱剛性構(gòu)件。某型飛機(jī)厚蒙皮的原材料厚度≥3mm，毛坯尺寸較大且為雙曲率型面,需要通過(guò)蒙皮鏡像銑設(shè)備的立式柔性裝夾裝置定位裝夾后，再進(jìn)行三維空間的銑切加工,蒙皮會(huì)因自身重力對(duì)夾持的精度產(chǎn)生較大的影響，邊緣銑切精度的控制和邊緣銑切余量設(shè)計(jì)成為亟待解決的問(wèn)題。因此，需要針對(duì)性地開(kāi)展技術(shù)研究，探尋影響銑邊精度的諸多因素，提出控制方法，優(yōu)化工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)蒙皮精確銑邊。

1 蒙皮鏡像銑銑邊原理

蒙皮銑邊具體工作原理：銑邊時(shí)無(wú)頂撐裝置支撐，需合理設(shè)計(jì)布局柔性?shī)A具及其上支撐桿真空吸盤的數(shù)量和間距位置，以保證銑邊時(shí)的剛度。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意避開(kāi)銑刀與柔性?shī)A具或真空吸盤的干涉，力求明確劃分有效區(qū)域和非有效區(qū)域，即設(shè)計(jì)好銑邊輪廓線，得到理想方案，為蒙皮銑邊創(chuàng)造一個(gè)開(kāi)放、可接近零件邊緣的環(huán)境。

此外，由于蒙皮鏡像銑銑邊時(shí)，加工件難免會(huì)產(chǎn)生顫動(dòng)，為此，該設(shè)備的銑切系統(tǒng)配備了一套防震顫裝置，如圖2所示。該裝置有2個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，分別是沿主軸推頭的V軸和繞刀軸旋轉(zhuǎn)的U軸，以適應(yīng)不同厚度的蒙皮毛坯，實(shí)現(xiàn)精確銑邊。

圖2 蒙皮銑邊防震支撐裝置

2 飛機(jī)厚蒙皮鏡像銑銑邊優(yōu)化方案

2.1 調(diào)整蒙皮件預(yù)成形狀態(tài)

一般而言，蒙皮毛坯在蒙皮拉伸機(jī)或蒙皮滾彎?rùn)C(jī)成形后，型面能夠緊貼檢驗(yàn)?zāi)＞弑阏J(rèn)為是較佳狀態(tài)。但是，考慮到鏡像銑切后的蒙皮件因應(yīng)力釋放引起回彈變形，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)摸索出的經(jīng)驗(yàn)：蒙皮預(yù)成形時(shí)，使蒙皮毛坯兩端適當(dāng)欠拉伸或者處于欠滾彎的狀態(tài)（如圖3所示），有利于彌補(bǔ)和抵消后續(xù)數(shù)控銑產(chǎn)生的回彈變形量，從而更有利于改善銑切質(zhì)量。

圖3 蒙皮預(yù)成形理想狀態(tài)

2.2 加強(qiáng)蒙皮裝夾剛度

針對(duì)蒙皮零件這類弱剛性零件，考慮多點(diǎn)吸附力耦合作用下的彈性變形與吸附位置、吸附順序、吸附力和工件本身的幾何參數(shù)存在的復(fù)雜非線性關(guān)系，掌握其變形量分布的精確計(jì)算方法和確定銑邊余量十分關(guān)鍵。

在編制蒙皮件銑邊程序時(shí)，根據(jù)蒙皮工藝數(shù)模制定初步的裝夾方案和裝夾參數(shù)，應(yīng)用變形優(yōu)化方法設(shè)計(jì)裝夾方案和實(shí)際參數(shù)，判斷優(yōu)化后的工件變形量是否在合理的范圍內(nèi)。本文提出變形最小優(yōu)化方法，其主要體現(xiàn)在合理布局排架位置和數(shù)量，以及真空吸盤的數(shù)量、位置、吸附順序和吸附力等工藝參數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)工藝參數(shù)和布局，以便使蒙皮件吸附受力均勻，裝夾牢靠。

此外，在實(shí)際生產(chǎn)中，為克服初步裝夾的蒙皮件受重力作用影響，減小零件下沉和裝夾誤差，在蒙皮四角加裝輔助支撐，有時(shí)還需增加頂升裝置，配合機(jī)床的柔性裝夾系統(tǒng)，更好地固定零件，從而有利于蒙皮件的精確銑邊。

2.3 蒙皮銑邊優(yōu)化策略

針對(duì)毛坯厚度≥3mm的蒙皮件，由于銑切蒙皮邊緣時(shí)，不能使用零件背部的頂撐裝置作支撐，從而很難保證加工時(shí)零件的剛度。此外，為了便于后續(xù)零件的吊裝，在起初制定的蒙皮外形銑切工藝決策中，采取了預(yù)留氧化耳片的技術(shù)方案。但是，銑邊質(zhì)量不理想，同時(shí)，由于原材料較厚，給后續(xù)鉗工去除耳片提出了較高要求。

為解決以上問(wèn)題，對(duì)蒙皮銑邊方案進(jìn)行了優(yōu)化。在編制銑切路徑時(shí)，引導(dǎo)銑刀從蒙皮毛坯剛度較好處（距離定位裝置或者吸盤近處）開(kāi)始銑切，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比確定合適的進(jìn)給量和銑刀轉(zhuǎn)速，軸向和徑向分層、多次銑切，逐步深入，直至切通零件，使得銑切產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸釋放。

在編制蒙皮銑邊程序時(shí)，增加工藝補(bǔ)塊以增加銑切時(shí)的剛度，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)確定工藝補(bǔ)塊的間距和尺寸，注意工藝補(bǔ)塊避開(kāi)零件拐角，在其附近增加工藝補(bǔ)塊以防止銑邊時(shí)顫動(dòng)，具體為：拐角處應(yīng)無(wú)障礙，自然銑切成形，避免給后續(xù)鉗工裁剪操作造成困難；將工藝補(bǔ)塊根部及關(guān)鍵孔耳片、裝配孔耳片和氧化耳片的端部(有效區(qū)域與余料的連接處)銑薄至2.0mm,蒙皮有效區(qū)域周邊預(yù)留銑切余量0.1mm，銑切應(yīng)力能夠得到更好釋放和控制,如圖4所示。這就方便了后續(xù)操作，鉗工裁剪工藝補(bǔ)塊和氧化耳片時(shí)界限格外分明，大幅降低了鉗工的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量，從而更有利于保證蒙皮件的輪廓精度。

圖4 蒙皮銑邊優(yōu)化策略示意圖

3 厚蒙皮自適應(yīng)加工技術(shù)[5]

鑒于厚蒙皮預(yù)成形存在誤差，夾持力和工件重力作用也會(huì)引起變形,故剛裝夾完畢后的蒙皮內(nèi)型面必然與理論型面不符。此時(shí)，若仍以理論型面加工，就難以保證蒙皮件的形狀精度和位置精度，甚至銑切超出允許范圍，導(dǎo)致蒙皮報(bào)廢。為此，需要運(yùn)用逆向工程原理，探測(cè)實(shí)際型面，得到一系列數(shù)據(jù)，進(jìn)而修正理論加工編程數(shù)據(jù)。

關(guān)于探測(cè)方式，蒙皮鏡像銑設(shè)備采用了觸發(fā)式探測(cè)，這是一種較成熟的測(cè)量方法,具備重復(fù)性好和數(shù)字化程度高、不受測(cè)量對(duì)象表面光澤度所影響的優(yōu)點(diǎn)；但是，該測(cè)量方法僅能單點(diǎn)非連續(xù)探測(cè)，對(duì)于蒙皮這種大型曲面零件，耗時(shí)較長(zhǎng)，大大影響了設(shè)備的使用效率。如今，非接觸光學(xué)測(cè)量中的點(diǎn)線激光掃描測(cè)量適用于曲面零件，該方法測(cè)量效率很高，但是容易受到被測(cè)表面粗糙度、光澤度等條件的影響，從而影響其測(cè)量精度。

為了改變現(xiàn)狀，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)探索出一種適用于鏡像銑的蒙皮自適應(yīng)加工技術(shù)，即利用線激光掃描儀器對(duì)裝夾好的蒙皮件內(nèi)型面進(jìn)行探測(cè)，再依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合成實(shí)際型面，最后，將依據(jù)理論型面設(shè)計(jì)的加工路徑映射到實(shí)際型面上，從而得到最終的加工軌跡，如圖5所示。

圖5 厚蒙皮自適應(yīng)加工技術(shù)示意圖

4 加工過(guò)程仿真

將在CATIA軟件編制完成的蒙皮銑邊鏡像加工程序，經(jīng)后置處理，得到機(jī)床可識(shí)別的NC代碼，導(dǎo)入到VERICUT軟件進(jìn)行仿真分析，仿真過(guò)程需檢查是否過(guò)切和殘余等信息。依據(jù)仿真分析，研究銑切工藝參數(shù)和銑切路徑對(duì)工件變形的影響，以及由此造成的對(duì)銑邊余量的影響規(guī)律，優(yōu)化和確定銑切工藝參數(shù)，直至加工過(guò)程仿真合格，再將NC代碼傳輸至鏡像銑機(jī)床開(kāi)始實(shí)際零件的加工生產(chǎn)。研究基于影響銑邊質(zhì)量的工藝余量設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，積累經(jīng)驗(yàn)知識(shí)數(shù)據(jù)，有利于控制數(shù)控銑邊質(zhì)量和提高工藝技術(shù)應(yīng)用水平。

5 試切驗(yàn)證

厚蒙皮設(shè)計(jì)要求為在許用壓力下,蒙皮零件和檢驗(yàn)?zāi)Ｉ贤庑慰叹€偏差小于0.1mm。為此，選取典型的厚蒙皮鏡像銑零件，利用研究取得的技術(shù)成果，進(jìn)行蒙皮零件銑邊的驗(yàn)證，如圖6所示。生產(chǎn)實(shí)踐證明，采用優(yōu)化的蒙皮銑邊工藝優(yōu)化方案，在滿足零件剛度和強(qiáng)度的同時(shí)，也保證了零件的形位公差，滿足了設(shè)計(jì)要求，提升了蒙皮零件的生產(chǎn)和交付效率。

圖6 典型的厚蒙皮鏡像銑零件

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某型飛機(jī)厚蒙皮，進(jìn)行銑邊技術(shù)包括厚蒙皮自適應(yīng)加工技術(shù)研究，仿真與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，相輔相成，所取得的成果縮短了蒙皮鏡像銑銑邊生產(chǎn)周期，大幅提高了銑邊質(zhì)量，大大減少了鉗工的勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，報(bào)廢率降低了20%，無(wú)形中創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。最終，形成了數(shù)控銑邊工藝技術(shù)規(guī)范，為后續(xù)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)提供了參考依據(jù)。