基于鏡像銑的某型飛機厚蒙皮銑邊優(yōu)化

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

飛機蒙皮的鏡像銑切能夠精簡其加工工藝流程，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。為了滿足某型飛機蒙皮生產(chǎn)的需求，某飛機制造公司引進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，其高速銑切和柔性夾持系統(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,需要通過蒙皮鏡像銑設(shè)備的立式柔性裝夾裝置定位裝夾后，再進行三維空間的銑切加工,蒙皮會因自身重力對夾持的精度產(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)計成為亟待解決的問題。因此，需要針對性地開展技術(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：銑邊時無頂撐裝置支撐，需合理設(shè)計布局柔性夾具及其上支撐桿真空吸盤的數(shù)量和間距位置，以保證銑邊時的剛度。同時，應(yīng)當注意避開銑刀與柔性夾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)計好銑邊輪廓線，得到理想方案，為蒙皮銑邊創(chuàng)造一個開放、可接近零件邊緣的環(huán)境。

此外，由于蒙皮鏡像銑銑邊時，加工件難免會產(chǎn)生顫動，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個運動軸，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，實現(xiàn)精確銑邊。

圖2 蒙皮銑邊防震支撐裝置

2 飛機厚蒙皮鏡像銑銑邊優(yōu)化方案

2.1 調(diào)整蒙皮件預成形狀態(tài)

一般而言，蒙皮毛坯在蒙皮拉伸機或蒙皮滾彎機成形后，型面能夠緊貼檢驗?zāi)＞弑阏J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)合實際生產(chǎn)摸索出的經(jīng)驗：蒙皮預成形時，使蒙皮毛坯兩端適當欠拉伸或者處于欠滾彎的狀態(tài)（如圖3所示），有利于彌補和抵消后續(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 蒙皮預成形理想狀態(tài)

2.2 加強蒙皮裝夾剛度

針對蒙皮零件這類弱剛性零件，考慮多點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)存在的復雜非線性關(guān)系，掌握其變形量分布的精確計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，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)計裝夾方案和實際參數(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，有時還需增加頂升裝置，配合機床的柔性裝夾系統(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

針對毛坯厚度≥3mm的蒙皮件，由于銑切蒙皮邊緣時，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，采取了預留氧化耳片的技術(shù)方案。但是，銑邊質(zhì)量不理想，同時，由于原材料較厚，給后續(xù)鉗工去除耳片提出了較高要求。

為解決以上問題，對蒙皮銑邊方案進行了優(yōu)化。在編制銑切路徑時，引導銑刀從蒙皮毛坯剛度較好處（距離定位裝置或者吸盤近處）開始銑切，經(jīng)多次實驗對比確定合適的進給量和銑刀轉(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，增加工藝補塊以增加銑切時的剛度，經(jīng)過多次試驗確定工藝補塊的間距和尺寸，注意工藝補塊避開零件拐角，在其附近增加工藝補塊以防止銑邊時顫動，具體為：拐角處應(yīng)無障礙，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，鉗工裁剪工藝補塊和氧化耳片時界限格外分明，大幅降低了鉗工的勞動強度和工作量，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]

鑒于厚蒙皮預成形存在誤差，夾持力和工件重力作用也會引起變形,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，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，導致蒙皮報廢。為此，需要運用逆向工程原理，探測實際型面，得到一系列數(shù)據(jù)，進而修正理論加工編程數(shù)據(jù)。

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

為了改變現(xiàn)狀，攻關(guān)團隊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裝夾好的蒙皮件內(nèi)型面進行探測，再依據(jù)點云數(shù)據(jù)擬合成實際型面，最后，將依據(jù)理論型面設(shè)計的加工路徑映射到實際型面上，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，得到機床可識別的NC代碼，導入到VERICUT軟件進行仿真分析，仿真過程需檢查是否過切和殘余等信息。依據(jù)仿真分析，研究銑切工藝參數(shù)和銑切路徑對工件變形的影響，以及由此造成的對銑邊余量的影響規(guī)律，優(yōu)化和確定銑切工藝參數(shù)，直至加工過程仿真合格，再將NC代碼傳輸至鏡像銑機床開始實際零件的加工生產(chǎn)。研究基于影響銑邊質(zhì)量的工藝余量設(shè)計和優(yōu)化方法，積累經(jīng)驗知識數(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 試切驗證

厚蒙皮設(shè)計要求為在許用壓力下,蒙皮零件和檢驗?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，進行蒙皮零件銑邊的驗證，如圖6所示。生產(chǎn)實踐證明，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度的同時，也保證了零件的形位公差，滿足了設(shè)計要求，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

本文針對某型飛機厚蒙皮，進行銑邊技術(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量和勞動強度，報廢率降低了20%，無形中創(chuàng)造了經(jīng)濟效益。最終，形成了數(shù)控銑邊工藝技術(shù)規(guī)范，為后續(xù)指導實際生產(chǎn)提供了參考依據(jù)。