蒙皮類航空零件加工策略探究及CAM應(yīng)用

張新喜

（中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧沈陽(yáng)110850）

材料工程

蒙皮類航空零件加工策略探究及CAM應(yīng)用

張新喜

（中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧沈陽(yáng)110850）

從裝夾、加工策略以及計(jì)算機(jī)輔助制造等方面對(duì)蒙皮類航空零件制造難點(diǎn)進(jìn)行分析探討，并簡(jiǎn)要?dú)w納蒙皮零件加工中所采用的解決方案。

裝夾；加工策略；計(jì)算機(jī)輔助制造

蒙皮類零件屬于航空制造中一類典型零件，與常規(guī)結(jié)構(gòu)件不同，受尺寸及配合表面的精度要求，部分蒙皮類零件需要在銑切加工前先完成成型加工，由此一來便給蒙皮類零件的銑切加工帶來諸多難題，其中以銑切加工中的裝夾和數(shù)控編程中的加工策略選擇最為突出，本文著力從這兩方面給出解決辦法。

1　蒙皮類零件在銑切中的裝夾

蒙皮類零件的裝夾是銑切加工中需解決的首要問題，裝夾既要保證零件不能在加工過程中發(fā)生位移，又要盡可能減少加工過程中因二次裝夾所造成的定位誤差。固定式真空夾具和吸盤式真空夾具是蒙皮類零件銑切加工較為常見夾具，而對(duì)于已經(jīng)過成型加工的蒙皮類零件而言，推薦采用的是吸盤式真空夾具。

1.1吸盤式真空夾具的工作原理

吸盤式真空夾具安裝有真空吸盤，吸盤與蒙皮類零件接觸并通過密封墊密封，真空吸盤與真空泵連接，真空泵從吸盤中抽出空氣，使吸盤與零件之間的空氣壓強(qiáng)遠(yuǎn)小于大氣壓，從而達(dá)到裝夾固定零件的目的。配有氣管接頭的真空夾具，可由多個(gè)真空吸盤組成，負(fù)載力大、深具靈活性、精確度又高且毫不損傷工件表面，而且它還有較大的靈活性，可迅速的從工裝上安裝或移除、調(diào)整方向和高度等等。

1.2固定式真空夾具與吸盤式真空夾具的區(qū)別

固定式真空夾具是專為銑切蒙皮設(shè)計(jì)的專用銑削夾具。普通機(jī)加行業(yè)通常在研制期間采用，由于它的結(jié)構(gòu)固定，僅用于一個(gè)具體零件的具體工序，因而零件產(chǎn)量不是特別大的情況下，在經(jīng)濟(jì)性方面有所欠缺。

圖1是固定式真空夾具。零件加工外形時(shí)，它的整個(gè)吸附面積已經(jīng)很少，加工時(shí)因顫動(dòng)、帶刀，使得真空夾具漏氣，蒙皮吸附不上，從而可能導(dǎo)致蒙皮邊緣成鋸齒狀波紋出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)零件偏離原來的定位位置，零件超差。工裝整體構(gòu)架為鋁制作，與零件貼合面也是一整體彎板，其型面使用五坐標(biāo)銑床制出，蒙皮靠定位孔進(jìn)行定位，零件最后交付時(shí)定位孔需要銑去，這類蒙皮要求加工的部位為內(nèi)形、外形和內(nèi)部的孔位。其加工零件時(shí)，一個(gè)很大的問題是，當(dāng)銑切完零件內(nèi)形時(shí)，蒙皮的有效吸附面積已經(jīng)很小，而且如果因?yàn)槊善ぷ冃位蛘呒庸r(shí)帶刀現(xiàn)象的產(chǎn)生，勢(shì)必會(huì)造成某一真空區(qū)漏氣，蒙皮外形真空區(qū)是靠一兩個(gè)吸氣口吸氣的，當(dāng)某區(qū)漏氣時(shí)，整個(gè)真空壓就下降了，整張蒙皮肯定是吸附不了。如A320飛機(jī)蒙皮銑切時(shí)，其內(nèi)形都為通孔，使用傳統(tǒng)的真空平臺(tái)勢(shì)必得考慮內(nèi)形和孔在銑切完后是否會(huì)漏氣的問題。

圖1　固定式真空夾具

固定式真空夾具和吸盤式真空夾具的另一個(gè)主要區(qū)別是裝夾的準(zhǔn)備時(shí)間。使用吸盤式真空夾具前的準(zhǔn)備時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于整體式真空夾具，蒙皮類零件由于厚度較薄，剛性差，在使用傳統(tǒng)的工裝裝夾時(shí)需要人把蒙皮四周按住，且要多人按壓零件。而使用吸盤式真空夾具需要的時(shí)間根據(jù)零件特征介于幾分鐘和十幾分鐘之間。而采用吸盤式真空夾具來吸附零件，因?yàn)樗鼮閱瓮ǖ涝O(shè)計(jì)的，不會(huì)因?yàn)槟骋坏胤铰猓鴮?dǎo)致整個(gè)氣壓下降。它的吸附區(qū)域是可以劃分的，圖2為某機(jī)蒙皮零件所使用的吸盤式真空夾具。

圖2　吸盤式真空夾具

這類工裝往往都是幾個(gè)零件共用一套工裝，這樣有效地節(jié)省了加工時(shí)的輔助時(shí)間，如工裝的定位，找正等耗時(shí)的步驟。另外，它也節(jié)省了工裝制造的費(fèi)用和周期。

2　吸盤式真空夾具的選擇

2.1真空吸盤的選擇

真空吸盤有三種基本類別，即扁平吸盤、波紋吸盤和具有特殊工作原理的吸盤。

蒙皮類零件選擇的是前兩種，扁平吸盤適合曲度不是很大，而且比較薄的蒙皮，波紋吸盤，即風(fēng)琴式吸盤，它具有極高的水平和垂直保持力以及最大壓縮行程，適合各種曲面金屬薄板和蒙皮，特別是那些需要高度補(bǔ)償?shù)模仪缺容^大的蒙皮，另外，像汽車制造業(yè)上的薄壁車身和對(duì)受壓敏感的工件也可以使用它。加工蒙皮時(shí)，常采用的就是這兩種吸盤制作的真空夾具。

2.2真空吸盤安裝方位

真空吸盤用于兩種不同位置工作時(shí)的安裝方位。一種為吸盤水平安裝時(shí)，除了要吸持住工件負(fù)載外，還應(yīng)該考慮因蒙皮局部變形、內(nèi)應(yīng)力變化等因素對(duì)吸盤吸力的影響。另一種為吸盤垂直安裝時(shí)，吸盤的吸力與吸盤與工件間的摩擦力有密切關(guān)系。而成形后的蒙皮進(jìn)行機(jī)加設(shè)計(jì)時(shí)吸盤就采用了法向方向吸附零件，其水平方向和垂直方向都受到力的影響，但是工裝上有型面支撐零件，所以，相對(duì)于平行吸盤表面方向受到的力很小，主要考慮的是垂直于吸盤表面方向受到的力。

3　數(shù)控加工策略

3.1工藝安排

蒙皮加工時(shí)，由于周邊都要銑透，在銑切外形前，零件周邊是用壓板壓緊零件余料的，銑完外形后，蒙皮幾乎是個(gè)獨(dú)立體，僅僅依靠吸盤吸附，已經(jīng)脫離了定位孔的約束，而飛機(jī)零件精度是要求很高，如果因?yàn)橥饨绛h(huán)境的影響，如真空泵出現(xiàn)故障，而導(dǎo)致吸附在工裝上的零件脫離工裝，再找正加工非常困難，這勢(shì)必造成零件報(bào)廢。所以，在安排工序上必須先加工那些不改變定位狀態(tài)的地方，而直接因素是兩個(gè)定位孔，在保證不切斷定位孔處部位的情況下，先加工其他部位，如內(nèi)形開口、孔位等等。

在加工時(shí)，選刀不要太大，盡量選擇小一點(diǎn)的刀，因?yàn)槊善け容^薄，需要的切削力也不需要太大。

3.2數(shù)控編程

蒙皮類零件數(shù)控編程使用CATIA的CAM模塊中的Advanced Machining高級(jí)加工模塊。在加工中優(yōu)先選用Multi-Axis Curve Machining（多軸曲面加工），此種加工操作依據(jù)定義的幾何界限和加工策略參數(shù)沿著外形輪廓導(dǎo)動(dòng)切削的。它有三種加工方式：多條曲線間接觸、兩條曲線結(jié)合曲面、曲線與零件面結(jié)合。

多軸曲面加工的加工策略主要包括刀具軌跡方式、徑向策略、軸向策略、精加工控制、機(jī)加公差、切削方向等內(nèi)容。一般加工時(shí)適合用第二和第三兩種方式，既能保證刀具沿著零件輪廓線，又能垂直與零件底面加工，刀軸方式選用lead and tilt（引導(dǎo)和斜角）。進(jìn)刀時(shí)選用斜向進(jìn)刀，進(jìn)刀點(diǎn)設(shè)置在零件外面，刀具直接插補(bǔ)到零件輪廓上。

在蒙皮加工中很多加工命令都適合去編程，但是使用有些命令通常會(huì)提示一些計(jì)算錯(cuò)誤，如Nothing tomill，Tool path computation error等等。但是使用Multi-Axis Curve Machining編制加工程序是一種有效而又快捷的方式，它提示出錯(cuò)的幾率也比較小。

3.3切削參數(shù)的設(shè)定

（1）輪廓加工參數(shù)設(shè)定

切削參數(shù)主要包括進(jìn)給速度控制、拐角降速控制、主軸轉(zhuǎn)速控制。蒙皮加工一般都是一次性加工完成，它區(qū)別于其它零件的加工，如板料、型材等零件，當(dāng)?shù)毒咴O(shè)定為以零件下表面為底面，外輪廓為導(dǎo)引時(shí)，零對(duì)零加工，會(huì)發(fā)現(xiàn)零件局部沒有銑透這一問題，這主要是因?yàn)楫?dāng)銑切零件外形時(shí)，原本周邊余料是和零件相連的，而且余料是被壓板或工藝夾等壓住的，當(dāng)局部銑透時(shí)，就會(huì)造成零件變形，主要是支撐零件的型面不是整體，它是通過型面夾板和吸盤來定位，型面夾板之間是有200 mm左右距離，中間的吸盤又不是剛性的，零件周邊的吸盤吸附時(shí)會(huì)使零件變形，但是并不影響整個(gè)零件的位置，這就需要在加工時(shí)，刀在軸向方向上（不是Z向）有一個(gè)下刀，使得刀具能夠切斷零件，這一步由程序給出或者直接由機(jī)床控制都能實(shí)現(xiàn)。

（2）孔的加工參數(shù)和宏指令的設(shè)定

鉆孔的程序參數(shù)設(shè)定時(shí)，因蒙皮類零件鉆制的孔一般都為導(dǎo)孔，其特點(diǎn)是數(shù)量多，孔徑小，其進(jìn)給速度不能太大，因而在鉆孔時(shí)，宏指令去控制其進(jìn)給的速度，優(yōu)化空走刀時(shí)間。下刀時(shí)，整個(gè)進(jìn)給過程不能直接設(shè)置為進(jìn)給速度，在零件10 mm以上都設(shè)置為退刀速度，退刀時(shí)直接退出即可，孔與孔間的抬刀距離可以設(shè)置為30 mm或20 mm，空行程走刀速度可以設(shè)置為20 000 mm/min，退刀速度可以設(shè)置為8 000mm/min.

4　技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)和難點(diǎn)

此類技術(shù)的成功，解決了以往蒙皮加工時(shí)，難吸附，難銑切內(nèi)形和難鉆孔的問題，它有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）工作時(shí)能快速定位。因?yàn)槲P是分區(qū)域，吸附時(shí)不需要考慮整張蒙皮是否漏氣，只要保證吸附區(qū)域能夠吸附上即可，然后依次吸附其他區(qū)域，而且它靠單獨(dú)的吸盤去吸附，在某區(qū)域里面也不必考慮是否得一次性吸上的問題。

（2）采用了以線、面定位的方式，能夠很好地躲避因鉆制孔，銑切內(nèi)形而導(dǎo)致的漏氣問題。

（3）該技術(shù)具有創(chuàng)造意識(shí)，在國(guó)內(nèi)沒有同類產(chǎn)品的比較和借鑒的條件下，而國(guó)外又對(duì)此類技術(shù)帶有封鎖性的前提下，克服了這些困難，取得了設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用于零件加工的成功。

技術(shù)難點(diǎn)：

（1）解決零件變形問題。

（2）幾個(gè)零件共用一套工裝時(shí)吸盤躲避孔和內(nèi)形的問題。

（3）解決吸附時(shí)能恰好把蒙皮吸附到定位面的問題。

這種吸盤式真空夾能快速的定位，裝夾時(shí)不需要借助太多的人力。隨著其不斷的改進(jìn)和嘗試，矢量的吸盤式真空夾具會(huì)在蒙皮加工中使用，但需要不斷的完善和創(chuàng)造。

［1］胡翔云.機(jī)械制造基礎(chǔ)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

［2］詹熙達(dá).CATIA V5R20數(shù)控加工教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

Thin-Gauge Skin Manufacturing Strategy Analysis and the Application of CAM

ZHANG Xin-xi
（Aircraft Industry Shenyang Aircraft Industry（Group）Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning 110850，China）

This thesiswill focus on fixture、manufacture strategy and computer aided manufacture（CAM），by which the author analyses the difficulties in thin-gauge skin manufacturing，and the solutions adopted will be summarized in this theory.

fixture；manufacture strategy；CAM

TG659

A

1672-545X（2016）05-0128-03

2016-02-15

張新喜（1982-），男，浙江浦江人，本科，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)控加工。