中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)集團有限公司數(shù)控加工廠 姜曉偉

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某機平尾主梁數(shù)控加工工藝研究

中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)集團有限公司數(shù)控加工廠 姜曉偉

本文主要針對某機平尾主梁零件的結構特點，在國內制造加工領域，毛坯率先采取技術先進的激光快速成型技術，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程，真正實現(xiàn)了材料的提取過程與制造過程一體化和設計與制造一體化，通過在某機平尾主梁上的實施與應用以及取得的研制效果進行了全面剖析，為以后激光快速成型技術推廣及在數(shù)字化加工的具體實現(xiàn)過程提供技術基礎和技術支持。

近幾年，我公司大力推進了信息化與工業(yè)化融合，規(guī)劃和實施了“新一代飛機研發(fā)平臺”——第四代戰(zhàn)機研制，此飛機具有先進的制造技術，高端的性能和優(yōu)秀設計等特點，型號的研發(fā)和生產周期也從過去的10年到15年縮短到如今的19個月，為航空產品設計制造帶來了重大變革，打破了我國航空研究制造領域過去處于的技術跟隨，難以形成自主創(chuàng)新和突破的狀態(tài)。通過對某機平尾主梁采用的激光快速成形及數(shù)字化加工技術的研究，對航空制造業(yè)工藝技術的提升和先進技術的推廣起到了積極的作用，為未來機型研制提供了可借鑒平臺。

平尾主梁的工藝性分析

圖1　平尾主梁裝配圖

某機平尾主梁是飛機整個平尾結構中的一項重要承力構件，通過水平尾翼大軸與機身連接，是支撐及傳動水平尾翼的主要構件，具有安全傳遞載荷和實現(xiàn)飛機各部位連接之功用。

毛料采用激光快速成型，其零件形狀復雜，不僅有精密的結合孔，還有配合槽和理論外形。而且，零件的外形公差要求嚴格，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量的直接因素。

1. 平尾主梁的典型特點

（1）此零件外形為機身理論外緣面，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構，多處加強筋相連接，水平尾翼轉動大軸孔處耳片采用加強筋連接，典型轉角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、精度要求嚴格。

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

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

2. 激光快速成型特點

激光快速成型技術是20世紀80年代出現(xiàn)的一種新型的快速制造技術，與傳統(tǒng)的機械加工方法相比，激光快速成型技術是一種全新的“增量”制造方法，無需借助工具、模具，直接從三維CAD文件制造處復雜的近凈形致密金屬零件，從而降低了生產成本，提高了加工效率。研究表明，激光快速成型技術可節(jié)省新產品研發(fā)時間70%以上，節(jié)省產品投放市場時間的90%左右。正是由于激光快速成型技術的高效率和低成本的特點，利用激光快速成型技術，企業(yè)可以隨時根據(jù)市場需求變化進行產品的開發(fā)和多品種變批量的生產，從而極大提高了企業(yè)的市場競爭能力。

激光快速成型有以下特點：

（1）具有快速性，生產制品的周期較傳統(tǒng)加工工藝短，從CAD設計到原型只需幾個小時至幾十個小時。

（2）高度柔性和適應性，可以制造任意復雜形狀的零件。

（3）直接CAD模型驅動，如同使用打印機一樣方便快捷。

（3）無需使用任何專用夾具，非常適用于快速實現(xiàn)新產品的小批量生產制造。

由于此種材料應用處于初級階段，成型后出現(xiàn)局部缺陷或局部余量不均現(xiàn)象，對外形復雜的結構和曲面，加工比較粗糙，尺寸精度低，制作的實物模型與設計模型之間不能建立一一對應的關系，因而還需在后續(xù)數(shù)字化加工中進行協(xié)調驗證。

3. 工藝難點

（1）此零件為雙面結構，需翻面加工，翻面需要有專用工裝。

（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，加工中容易產生讓刀，厚度尺寸不易保證。

（4）裝配孔位置及精度要求較嚴，且有同軸度要求，對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，型面要求嚴格。

（6）對激光成型材料的加工是一個新的加工過程，我們缺乏相應的知識，一切都在摸索中前進。

（7）零件的所有型面、孔位需要使用測量機進行測量。

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

加工方案論證及數(shù)字化加工實現(xiàn)過程

1. 裝夾方案

圖2　某機平尾主梁結構圖

選擇夾具時首先要確定零件加工的定位基準，基于此類零件的結構特點，定位基準采用零件上的2個φ18H9孔及腹板面進行定位，保證與裝配基準一致；其次需要考慮零件在夾具中定位后需要夾緊，夾緊力的方向應垂直于主要定位基準面，夾緊力作用點的選擇應能保持零件穩(wěn)固并且盡可能減小夾緊變形，作用點盡量靠近切削部位以提高夾緊的可靠性。此類零件多采用壓板壓在緣條頂面或者腹板面上的方式進行夾緊，夾緊力作用點應均布于零件，以增加其穩(wěn)固性。基于以上分析設計夾具圖結構如圖3所示：

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

對于此套裝夾方案有以下優(yōu)點：

（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，無多余物限制加工過程。

（5）翻面后的定位基準及加工基準統(tǒng)一，找正準確，相對累積誤差較小。

2. 工藝方案

工藝方案如下：激光成型毛料—粗銑定位基準面—制2個φ18H9定位孔—粗加工零件外形—粗加工零件內形—精加工緣條高度—插銑R8mm轉角—半精銑緣條外形、內形—精銑緣條外形—精銑緣條內形—制一處φ18H9裝配孔—檢驗—翻面—粗加工零件內形—精加工緣條高度—插銑R8mm轉角—精銑緣條內形—補銑閉角殘余—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——測量檢查—成檢—交付。

3. 加工原則

零件的加工采用五坐標數(shù)控機床，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、外形的加工余量較大，同時，緣條的厚度較薄，耳片厚度及垂直度要求嚴格，因此，采用粗加工、半精加工、精加工達到要求。而翻面后，加工減輕槽、腹板，同時，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，耳片兩側厚度各留0.5mm余量。

半精銑主要是進一步去除余量，釋放應力，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，達到最終裝機狀態(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加工。刀具直徑大有以下優(yōu)點：

（2）剛性好，不易折斷。

（3）切削參數(shù)（轉數(shù)、進給）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，刀具的長度就越長，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構，易于裝夾。而小直徑刀具多采用直柄，用彈簧夾頭裝夾，易產生偏擺。

刀具的材質的選擇要依據(jù)零件的材料來確定。一般情況下使用硬質合金和高速鋼。硬質合金刀具的優(yōu)點是剛性強，可以進行高轉速、大切削量的加工，對于零件的粗加工，可以節(jié)省時間。硬質合金刀具的缺點是刀具材質較脆，耐沖擊性能不好，小余量切削時容易產生振動，影響加工表面的質量。高速鋼刀具的優(yōu)點是韌性較好，用于精加工時，零件的表面質量較好，并且在加工厚度薄、面積大、背面懸空的槽腔底面時產生的變形較?。ㄒ驗榈毒呷心ヤh利，對于零件的作用力較?。?。其缺點是刀具的剛性較硬質合金刀具要小，轉數(shù)、進給、切削用量不能太大，相對來說效率較低，從加工的效率考慮，選用硬質合金刀具。

圖3　夾具結構圖

5. 切削參數(shù)確定

切削參數(shù)需要根據(jù)刀具的材質與零件的材料來確定。

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

切削轉數(shù)：根據(jù)切削速度、刀具直徑和公式

n（轉數(shù)）=1000v（切削速度）/（πD（刀具直徑））

進給速度：由公式“F=轉數(shù)×齒數(shù)×每齒切削量”計算出來。

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

在制定工藝過程和編制數(shù)控程序中，對關鍵部位主要采取以下的控制方案.

（1）對理論外緣的控制。平尾主梁理論外緣多處存在變角度曲面，內形成閉角，外緣型面為飛機理論外型面，與其他鈑金件有裝配關系，并且其裝配孔是以外緣上一點為基準制出，為保證裝配的要求，零件的加工采用A、B角五坐標數(shù)控機床加工，嚴格劃分加工工序，對稱零件分別編制數(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，其控制主要通過夾具與程序來保證腹板的尺寸在其公差范圍內。零件在裝夾中要與夾具定位面貼合，無間隙，加工中主要是使用螺栓與壓板結合夾緊零件。

（3）對裝配兩組同軸孔的控制。零件的裝配孔與零件外緣有嚴格的位置度要求，并且，裝配孔的精度要求較高（孔徑精度IT7級），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、半精鏜和精鏜相結合的方式，初鏜孔前對孔的位置及孔邊距進行預調整，在保證各尺寸要求前提下再進行精鏜孔，此工序安排關系到后續(xù)壓套鏜孔的精度及同軸度，決定整個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

結語

在裝備制造業(yè)不同類型產品的制造技術中，專有制造技術體現(xiàn)了產品創(chuàng)新設計與制造工藝和用戶使用工藝的獨特要求，它是核心競爭力的重要組成部分。發(fā)展高端產品制造，必須突破傳統(tǒng)的工藝和技術，在產品設計和制造工藝上逐步形成我國自己的專有技術。

通過此次加工大尺寸多型面零件的同時開展高效銑切加工技術的研究，在加工過程中使用的激光快速成型技術，解決了零件變形大及加工效率問題，建立了高效加工工藝參數(shù)庫，為我們今后生產大尺寸多型面零件提供了經驗?！?/p>