蒙皮鏡像銑切系統及先進制造工藝的應用*

徐 明 向兵飛 李 響 汪洋華 蘭 惠

(中航工業洪都，江西 南昌330024)

蒙皮類零件是構成飛機外形結構的重要受力構件，具有結構大型且復雜、壁薄、易變形的特點，形狀精度要求高，制造難度大。機、尾翼蒙皮形狀一般為直母線單曲度，機身蒙皮形狀有單曲度和雙曲度，機身頭部、尾部以及整流罩的蒙皮形狀更復雜。飛機蒙皮零件為薄壁類零件，包含面、下陷、通窗、孔等結構特征，且其變截面不等厚的特點，增加了制造難度。蒙皮加工厚度見圖1。

傳統的飛機蒙皮加工工藝涉及化銑、成形、數控加工等多個工藝環節，存在工藝協調性差、加工精度難保證和環境污染等問題［1］。

(1)工藝流程復雜:傳統工藝涉及表面除油等清潔處理、涂止銑橡膠層、橡膠層激光刻線和去除、化銑、手工或機械切邊和鉆孔等一系列工藝，工藝流程復雜，生產周期長。

(2)工藝方法難度大:蒙皮表面的制孔需要鉆孔樣板和鉆模樣板，化銑需要化銑樣板，刻線時需要柔性工裝等，樣板的制造和柔性工裝的設計繁瑣且難度大。

(3)工藝協調性差:蒙皮各個工藝階段的協調關系較為復雜，包括用于成形后數控加工的真空夾具、蒙皮成形用的拉伸模、標準樣板、化銑樣板之間的相互協調。

(4)加工精度難保證:蒙皮加工過程中工裝的定位基準一致性難度大，直接影響到成形蒙皮的數控加工精度。如外形輪廓加工與化銑加工的工裝基準的一致性、蒙皮工件回彈后建立的后續加工基準的精確性影響加工誤差。

(5)不符合節能環保的需求:蒙皮工件的局部減薄工藝通常采用化銑工藝，能較好地解決復雜下陷、窗口等的加工問題，但其廢棄的化銑液會污染環境，不符合綠色制造的要求。

針對飛機蒙皮加工中普遍采用的化銑工藝，由于存在化學污染、耗能較高、消耗鋁材無法回收等固有弊端，航空工業一直在尋求可替代化銑的綠色、精確的蒙皮制造技術。

蒙皮鏡像銑切系統應用研究團隊采用新一代綠色制造技術、高柔性化的夾具系統和集銑面、銑下陷、切通窗、切邊及鉆孔工藝于一體的國內首臺蒙皮鏡像銑切設備，攻克了飛機單曲和雙曲蒙皮的先進制造工藝技術，對促進我國航空工業的發展，具有重要的實際意義。

1 蒙皮鏡像銑切系統組成

蒙皮鏡像銑切系統是為替代化銑加工而開發的新一代蒙皮精確制造設備，具備機身蒙皮、機尾翼蒙皮等單曲面和雙曲面蒙皮零件壁厚銑薄、蒙皮切邊、鉆孔等加工能力。

該系統包含1臺臥式TORRESMILL機床、1臺立式TORRESTOOL柔性夾具以及1個頂撐裝置。TORRESHOLDER頂撐裝置能夠在TORRESMILL機床進行蒙皮下陷銑削時，從背后對蒙皮工件進行頂撐。為了獲得高柔性化，TORRESMILL機床必須與TORRESTOOL柔性夾具裝置以及TORRESHOLDER蒙皮頂撐裝置實現集成化和協同工作。TORRESHOLDER集成了超聲波厚度在線控制和補償系統，該系統可檢測最終加工完成后的工件厚度，并可實現蒙皮加工過程厚度實時檢測和補償功能。圖2為蒙皮鏡像銑切系統。

TOORRESTOOL三軸柔性夾具系統，按照預先編制的程序在空間上對空間蒙皮空間曲面進行定位并用真空吸盤緊固。臥式的TORRESMILL機床結合TOORRESTOOL柔性夾具與TOORRESHOLDER支撐裝置，為蒙皮銑削工藝提供了柔性化解決方案，對布局、工件搬運以及整個工藝時間起到優化的作用。圖3為TOORRESTOOL柔性夾具裝夾示意圖。

2 蒙皮鏡像銑切系統加工原理

蒙皮鏡像銑切系統采用8自由度的切削銑頭加工蒙皮工件，5自由度的頂撐頭隨切削銑頭同步運動實現蒙皮工件的隨動頂撐加工，內置于頂撐裝置內部的超聲波厚度在線控制系統實時檢測加工厚度并進行厚度補償，確保加工剛性，保證加工精度。TORRESHOLDER柔性夾具與加工刀具形成鏡像加工［2］，蒙皮鏡像銑切系統加工原理圖如圖4所示。

臥式TORRESMILL機床包含X、Y、Z、V、W這5個移動軸和A、C、U這3個旋轉軸，其中W軸可實現100 mm的主軸線性移動，V軸為主軸推頭的軸向運動軸，可實現沿W方向軸向運動。U軸為防振顫裝置繞刀軸旋轉運動軸。為了防止蒙皮加工過程顫振，在鉆孔和切通窗過程中在切削銑頭上安裝帶有氣動壓力制動器的推頭裝置，將蒙皮工件壓緊在背部TORRESHOLDER上。圖5為TORRESMILL銑頭工作原理。

3 蒙皮鏡像銑切系統加工過程

蒙皮加工過程按照加載蒙皮加工程序、工件柔性裝夾和定位、蒙皮鏡像銑切加工和卸料程序執行。加載程序包含加載蒙皮加工數控程序、蒙皮背部頂撐裝置程序、柔性排架移動和真空吸盤位置程序。

3.1 工件柔性裝夾和定位

(1)調節固定定位器的A軸和C軸，保證定位器上的定位銷法線與蒙皮工件定位孔法線重合［3］，確保加工基準的精確。

(2)通過兩個定位器將蒙皮工件固定。

(3)執行首次柔性夾具移動和位置程序，將柔性夾具移動到預定位置，并通過柔性排架上的真空吸盤固緊蒙皮工件。

圖6為已安裝到位的蒙皮工件示意圖。

3.2 蒙皮鏡像銑切加工

蒙皮鏡像銑的銑面、銑下陷、切同窗、切邊和鉆孔工序在一個加工程序中完成。高柔性化的夾具系統、內置超聲波厚度在線測量系統的頂撐裝置協同工作決定蒙皮加工需按照區域進行加工，程序的執行按照蒙皮加工數控程序和柔性夾具移動和位置程序進行。其加工工藝定義如下:

(1)蒙皮的按區域加工分STEP0加工區域、STEP1加工區域、STEP2加工區域、STEP3加工區域……

(2)每個STEP區域按照銑面→銑下陷→切通窗→鉆孔→切邊分步進行。

(3)加工程序執行順序:執行STEP0銑削和鉆孔程序→執行STEP1柔性排架移動程序→執行STEP1銑削和鉆孔程序→執行STEP2柔性排架移動程序……依次進行，直至完成蒙皮加工。

(4)銑削加工采用分層加工的方式，每層的任一壁厚銑薄加工區域稱為下陷(pocket)，按照從厚到薄進行銑削，圖7為壁厚銑薄加工區域定義。

4 蒙皮鏡像銑切系統的先進性

4.1 蒙皮一體化加工技術的優勢

傳統的化銑和數銑相結合的蒙皮加工至少需要兩次裝夾(圖8)，化銑解決復雜通窗和下陷等的加工問題，真空吸附蒙皮龍門銑系統解決蒙皮切邊和鉆孔工藝。

而蒙皮鏡像銑切系統通過一次裝夾就完成傳統工藝的化銑和數銑兩道工序，替代化銑和數銑所有加工步驟和所需設備，形成拉形后蒙皮的銑面、銑下陷、切通窗、切邊和鉆孔的一體化加工。通過對比，得出如下結論:

(1)集成化程度高:蒙皮鏡像銑切系統采用數銑替代化銑，是集蒙皮精確銑切邊緣、精確開窗口、精確制孔和蒙皮厚度的精確加工于一體的新型多功能蒙皮精確銑。

(2)工藝流程簡化:通過工藝流程的對比可知，蒙皮鏡像銑切系統一次裝夾完成蒙皮的精確制造，其工藝流程得到簡化。

(3)加工精度高:傳統加工工藝至少需要兩次裝夾，重復裝夾影響加工精度，化銑采用相對尺寸和厚度控制方法，加工精度難控制。而采用蒙皮鏡像銑切系統僅需一次裝夾，采用絕對尺寸和超聲波厚度在線控制系統，保證了加工精度。

(4)生產效率高:高柔性化的裝夾系統優化了蒙皮加工整個工藝流程，縮短了流程處理時間。銑削速度高達20 000 mm/min，加工效率高。

(5)新一代的綠色制造技術:化銑的化銑液會污染環境，耗能較高，且化銑液需要定期處理，消耗鋁材無法回收，不符合綠色制造需求。而蒙皮鏡像銑切系統完全替代了化銑工藝，刀具冷卻采用微量潤滑(MQL)實現，不存在污染環境的問題，屬于新一代綠色制造技術。

4.2 高柔性夾具系統的的優勢

高柔性化的夾具系統實現了高速加工和整體柔性的集成。自動柔性夾具的使用免去了機床昂貴的專用工裝的設計、制造、儲存和運輸。柔性夾具的主要功能是依靠其3個軸的移動能力，按照預先設定好的程序，在空間上對曲面工件，無論單曲面還是雙曲面，進行定位。工件將在機床的可用工作范圍內，通過真空吸附來固定。

針對切通窗加工，三軸柔性夾具可將真空吸盤盡可能地靠近窗口邊緣設置，以保持壁板較高的剛性。采用三軸柔性夾具的應用優勢為［4-5］:

(1)數字化柔性工裝技術:三軸柔性夾具的控制系統與機床的CNC系統進行通訊和數據交換，以保證安全的操作。在分區域加工過程中，柔性夾具自動完成退出、移動和裝夾功能，完成支撐單元陣列的布局調整。

(2)柔性和適應性強:三軸柔性夾具系統采用高度自動化控制方法，可一次自動完成蒙皮的整個加工過程，柔性排架上的定位/支撐單元陣列各根據蒙皮外形自動完成真空吸附，減小加工變形。三軸柔性夾具的自動調整功能適合于多品種小批量的生產需求，能適應產品變化的需求，具備高柔性化和強適應性。

(3)提高生產效率，降低制造成本:三軸柔性夾具系統系統性地取代了傳統的硬工裝和硬工裝所需的生產、維護、存儲和搬運工作，優化了生產流程，提高了生產效率，節省了工裝設計、制造、儲存和運輸成本。

5 結語

以數銑替代化銑的綠色加工工藝，是飛機蒙皮厚度精確加工的最新技術。蒙皮鏡像銑切系統應用研究團隊攻克了集蒙皮精確銑切邊緣、精確開窗口、精確制孔和蒙皮厚度的精確加工于一體的新型多功能蒙皮鏡像銑工藝應用技術難題，填補了國內在該技術領域的空白。本文從實際應用的角度，介紹了系統工作原理和加工過程，并分析了蒙皮一體化加工和數字化柔性夾具系統的應用優勢。蒙皮鏡像銑切系統的應用使我國航空制造技術邁入了飛機蒙皮的精確一體化制造領域，提升了我國航空制造的整體實力。

［1］田輝，張紅旗.柔性工裝技術在飛機零件制造中的應用［J］.計算機技術與發展，2013(23):11-15.

［2］張志國，徐學民.MMS:新型綠色蒙皮加工系統［J］.航空制造技術，2010(19):84-86.

［3］胡福文，李東升，李小強，等.面向飛機蒙皮柔性夾持數控切邊的定位仿真系統［J］.計算機集成制造系統，2012，5(18):993-998.

［4］門延武，周凱.自由曲面薄壁工件的柔性定位方法研究［J］.制造技術與機床，2008(10):113-117.

［5］丁濤.Torresmill和Torrestool系統蒙皮切邊鉆床及柔性夾具裝置［J］.航空制造技術，2007(2):108-109.