飛機(jī)蒙皮厚度精確加工的最新技術(shù)
——以數(shù)銑替代化銑的綠色加工工藝

張彤

（洪都航空工業(yè)集團(tuán)，江西南昌330024）

飛機(jī)蒙皮厚度精確加工的最新技術(shù)
——以數(shù)銑替代化銑的綠色加工工藝

張彤

（洪都航空工業(yè)集團(tuán)，江西南昌330024）

分析了飛機(jī)蒙皮零件加工傳統(tǒng)工藝無法滿足精確加工要求和綠色制造發(fā)展需要的客觀現(xiàn)實。并就正在推廣使用的蒙皮精確銑，以及飛機(jī)蒙皮厚度加工由化銑向數(shù)銑發(fā)展的新趨勢，作了詳細(xì)論述。同時，還對國際上最新推出的集蒙皮切邊、開口、制孔和蒙皮厚度精確加工于一體的多功能蒙皮精確銑和鏡像銑，作了系統(tǒng)介紹。

蒙皮精確銑；蒙皮鏡像銑；柔夾

1 傳統(tǒng)的蒙皮零件加工工藝和面臨的問題

蒙皮零件既是飛機(jī)的外表零件，又是飛機(jī)的重要受力構(gòu)件。蒙皮零件一般尺寸比較大，形狀比較復(fù)雜，且厚度薄剛性差。機(jī)、尾翼蒙皮形狀通常為直母線單曲度。機(jī)身蒙皮形狀有單曲度的，但是多數(shù)呈雙曲度。機(jī)身頭部、尾部以及整流罩的蒙皮，形狀則更為復(fù)雜。飛機(jī)蒙皮零件厚度比較?。ㄒ话阍? mm～4 mm左右），根據(jù)受力情況，有些蒙皮零件可能是不等厚度的，有的蒙皮甚至是變截面的。為了減重，有的蒙皮零件在受力小的部位，還要進(jìn)行局部厚度的減薄加工。

由于蒙皮是飛機(jī)的外表零件，所以蒙皮零件外形精確度要求比較高。在采取無余量裝配方案情況下，蒙皮邊緣須直接加工至設(shè)計尺寸、交付時不留余量，因此蒙皮邊緣切割也要求比較精確，同時，蒙皮開缺口的位置和缺口形狀也要求比較精確。在采取裝配孔裝配的情況下，裝配孔是零件的定位基準(zhǔn)，所以蒙皮上的裝配孔位置精度要求比較高。而蒙皮本來就很薄，在蒙皮上再進(jìn)行局部減薄加工，其減薄部位厚度公差控制要求亦比較嚴(yán)。

加工飛機(jī)蒙皮零件的傳統(tǒng)工藝是，蒙皮通過拉伸成形或滾彎成形后，其邊緣切割和開缺口，是按蒙皮成形模上零件邊緣線，依靠手工加工完成。成形模上零件邊緣線，過去是用模線樣板刻制，刻線誤差比較大。近年來，也有用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床在成形模上刻出零件邊緣線，雖刻線精度有所提高，但是由于刻線有一定寬度，依靠目視按刻線切割零件邊緣和開缺口，誤差仍然比較大。為避免在裝配時產(chǎn)生不協(xié)調(diào)，以往辦法是，蒙皮零件交付時一般在邊緣和開缺口處都留有余量，有時甚至連蒙皮零件上的缺口也不開，而由裝配單位根據(jù)裝配情況銼修蒙皮零件余量和開缺口。一般情況蒙皮零件上不制孔，孔都在裝配時鉆，如果非要在制造蒙皮時制孔，一種是按立體鉆孔樣板制孔，另一種是在蒙皮成形模上加鉆模蓋板，按鉆模蓋板鉆蒙皮上的孔。由于制造立體鉆孔樣板和制造鉆模蓋板比較麻煩，且按此鉆蒙皮孔，孔的位置精度也不一定理想。至于在蒙皮上進(jìn)行局部減薄加工，傳統(tǒng)加工方法是化銑?；娂庸つ茌^好地滿足蒙皮減薄部位厚度公差，但其廢棄的化銑液會污染環(huán)境，不符合綠色加工要求，從長遠(yuǎn)看需要改革。再則，化銑的保護(hù)膠膜刻線工藝也比較繁雜，首先要設(shè)計制造立體的化銑樣板，按化銑樣板在保護(hù)膠膜上進(jìn)行刻線，需化銑部位要撕去保護(hù)膠膜。制造化銑樣板流程長、精度低。按樣板依靠手工在保護(hù)膠膜上進(jìn)行刻線，刻線誤差較大、效率也較低，而且撕保護(hù)膠膜時還容易出現(xiàn)質(zhì)量問題。對于尺寸大的化銑零件，化銑樣板設(shè)計、制造則更為困難，大尺寸化銑件在手工刻線和撕保護(hù)膠膜時產(chǎn)生的問題也比較多。采用激光刻線機(jī)刻線是一種解決途徑，但激光刻線機(jī)是一臺五坐標(biāo)加工機(jī)床，機(jī)床上需要配置激光頭和柔性夾具，因此，購置激光刻線機(jī)的費用甚大。同時，化銑工藝僅能對需要減薄部位進(jìn)行蒙皮的減薄加工，而蒙皮的邊緣切割、開缺口和制孔，還必須依靠其他設(shè)備來完成。若對要求蒙皮零件進(jìn)行無余量裝配或按裝配孔裝配，則必須另外配備十分昂貴的五坐標(biāo)蒙皮精確銑（含柔性夾具），才能實現(xiàn)對蒙皮的精確切割、開缺口和制孔。

最近幾年，國際上一些飛機(jī)制造公司與設(shè)備制造廠商合作，探討以數(shù)控加工代替化銑的新工藝，研制了一種新型多功能數(shù)控蒙皮精確銑，該機(jī)床既能精確完成蒙皮的邊緣切割、銑口和制孔，又能取代化銑工藝，完成蒙皮厚度的精確銑切。這種數(shù)銑加工不存在環(huán)境污染問題，符合綠色加工工藝要求，而且一次性投資較化銑少，加工效率卻比化銑高。采用數(shù)銑的蒙皮，表面光潔度比化銑好，加工表面的臺階圓弧過度也又比化銑光滑，有利于提高飛機(jī)的疲勞壽命。對于蒙皮需減薄部位，若采用化銑，耗能比較高，且化銑槽液還要定期處理，而數(shù)銑加工的廢屑還可利用。所以，用數(shù)銑替代化銑加工蒙皮，無論從加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率還是從經(jīng)濟(jì)性來看，都具有明顯優(yōu)勢，因此，數(shù)銑會逐步取代化銑。

目前，世界上用數(shù)銑替代化銑的技術(shù)途徑有兩類。一種是鏡像銑，采用的是蒙皮厚度直接控制法，其設(shè)備是一臺雙五坐標(biāo)臥加。另一種是多功能數(shù)控蒙皮精確銑，就是在目前的蒙皮精確銑基礎(chǔ)上，在工件與柔性夾具之間，增加一塊能彎成曲面、具有一定剛性且可抽真空的墊，它采用的是蒙皮厚度間接控制法，其設(shè)備是一臺帶柔性夾具的五坐標(biāo)龍門銑。這兩種用數(shù)銑替代化銑的設(shè)備，同時都具有對蒙皮精確銑切邊緣、精確開缺口、精確制孔和蒙皮厚度的精確加工等四個方面的功能。2011年我們曾使用這兩類新設(shè)備，對蒙皮零件進(jìn)行試加工，都獲得了比較滿意的加工效果。

2 集切邊、銑缺口、制孔和厚度加工于一體的蒙皮鏡像銑

蒙皮鏡像銑是由兩臺同步運動的五坐標(biāo)臥式加工機(jī)床組成。一臺是五坐標(biāo)臥加，其主軸頭為加工頭。另一臺是類五坐標(biāo)臥加，其主軸為支撐頭，不轉(zhuǎn)動，僅起支撐作用。臥加的主軸頭在進(jìn)行切削時，支撐頭在蒙皮另一側(cè)進(jìn)行法向支撐（圖1）。加工頭與支撐頭在同一法矢上同步運動（圖2）。加工頭與支撐頭之間的距離，即蒙皮需要加工的厚度，在同步運動中，控制好規(guī)定距離，即可實現(xiàn)蒙皮厚度的精確銑切。加工頭與支撐頭猶如互相對指的兩只手指頭（圖3），好似鏡像，故稱為鏡像銑。

圖1 一側(cè)在支撐，另一側(cè)在加工

為了控制蒙皮加工的厚度公差，在支撐頭上設(shè)置了超聲測厚裝置，可對蒙皮加工厚度進(jìn)行在線測量。該裝置不僅能顯示測量結(jié)果，輸出質(zhì)量報告，還能反饋到機(jī)床控制系統(tǒng)，對加工頭與支撐頭之間的距離進(jìn)行實時控制，以實現(xiàn)蒙皮厚度的精確銑切。用這種方法進(jìn)行加工的蒙皮，其壁厚的加工誤差直接取決于加工頭與支撐頭之間距離的控制精度，而不受原材料厚度公差、蒙皮成形中的局部變薄量和蒙皮外形誤差的影響，這種控制厚度絕對尺寸的方法，稱為直接控制法。

圖2 在同一發(fā)矢方向運動并保持間距

圖3 手指及其鏡像

在鏡像銑機(jī)床上給蒙皮零件定位裝夾有兩種方案，一種是采用三坐標(biāo)柔性定位真空吸盤，另一種是采用蒙皮夾持框。

柔性定位真空吸盤方案，是依靠通過三坐標(biāo)柔夾定位裝夾蒙皮。三坐標(biāo)柔性定位裝置的空間坐標(biāo)根據(jù)蒙皮零件數(shù)模來定，加工頭與支撐頭的運動根據(jù)蒙皮數(shù)模來編程。蒙皮定位裝夾見圖4、圖5。

圖4 蒙皮裝夾在柔夾上

圖5 三坐標(biāo)柔夾裝夾蒙皮

由于柔性定位裝置在支撐頭一側(cè)，支撐頭活動范圍則會受柔性定位裝置限制，因此在進(jìn)行蒙皮銑厚時，應(yīng)先銑切支撐頭活動不受限制的部位。然后移動柔性定位裝置，再完成其他需要銑切的部位。支撐頭一側(cè)的情況見圖6。

圖6 在支撐頭一側(cè)的情況

蒙皮的切邊、銑缺口和制孔，也是在三坐標(biāo)柔性真空吸盤定位裝夾的情況下進(jìn)行的。為防止蒙皮在銑邊、切口時出現(xiàn)顫抖，在銑頭上，還設(shè)置了跟隨銑刀運動的蒙皮支撐裝置（圖7、圖8）。

另一種蒙皮鏡像銑，同樣也是采用蒙皮加工厚度直接控制法，但蒙皮裝夾采用的是夾持框（圖9）。蒙皮夾持框四周有一批可伸縮的萬向夾持臂，夾持臂根據(jù)蒙皮形狀，把蒙皮四周夾持住并保形。用夾持框保形的蒙皮，其外形與數(shù)模不會完全一致。若仍按蒙皮零件數(shù)模編程控制加工，則難以確保蒙皮銑切厚度。為此，在用夾持框固定好蒙皮后，需要用激光掃描裝置對夾持固定好的蒙皮進(jìn)行形狀掃描，然后根據(jù)掃描結(jié)果，對原數(shù)模編程進(jìn)行修整，以確保刀具運動軌跡與夾持狀態(tài)下的蒙皮形狀一致。由于在銑切厚度時，蒙皮加工的另一側(cè)沒有三坐標(biāo)柔性定位裝置，支撐頭移動不受限制，蒙皮加工可在同一夾持狀態(tài)下一次完成蒙皮邊緣的精確銑切、蒙皮的銑缺口和蒙皮的精確制孔，提高了加工效率。但是，在這種狀態(tài)下切邊、銑缺口時，蒙皮上必須留搭子，然后需人工去除搭子。

圖7 蒙皮切邊防震支撐裝置

圖8 在支撐情況下切邊蒙皮

3 集切邊、銑缺口、制孔和厚度加工于一體的多功能蒙皮精確銑

多功能蒙皮精確銑，是在僅能進(jìn)行切邊、銑缺口、制孔的蒙皮精確銑基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展。原有的蒙皮精確銑見圖10。由圖可知，它是一臺五坐標(biāo)高速龍門加工中心，由于要定位裝夾雙曲度薄蒙皮，在龍門加工中心上配備了柔性定位裝置，用以定位支撐和固定蒙皮。這種機(jī)床，不僅可用于飛機(jī)蒙皮邊緣切割、銑缺口和制孔，還可用于飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的切邊、銑缺口和制孔，這就是目前通常所稱的蒙皮精確銑。在國際上，已有不少飛機(jī)工廠配備了此類銑床，國內(nèi)也有一些飛機(jī)工廠開始配置。

圖9 夾持框

圖10 蒙皮精確銑

但原來的蒙皮精確銑不具有替代化銑進(jìn)行蒙皮厚度加工能力。原因是蒙皮薄、剛度差，僅依靠柔夾支撐薄蒙皮進(jìn)行厚度加工，無法確保蒙皮加工的厚度公差(柔夾支撐點之間有一定距離，而蒙皮又薄)。因此，提高在柔夾支撐條件下薄蒙皮加工剛度，確保蒙皮厚度加工誤差，正是集切邊、銑口、制孔和厚度加工于一體的多功能蒙皮精確銑的奧秘所在。

近年來，世界一些著名的機(jī)床制造廠商，在這方面作了很多研究探討，并取得了實質(zhì)性進(jìn)展。他們的基本做法是在蒙皮零件與柔性夾具之間，增加一塊既有一定柔性又有一定剛性且可抽真空的墊，以提高加工時的工件剛度。此墊既可滿足單曲度薄蒙皮加工，還能適應(yīng)雙曲度薄蒙皮加工?？沙檎婵盏娜嵝詨|如圖11所示。真空墊與管路如圖12所示。為減少軸向切削力及加工變形對厚度誤差的影響，還應(yīng)選擇直徑較小切削速度較高的刀具。

圖11 可抽真空柔性墊示意

圖12 真空柔性墊及管路

僅有上面措施，還不足以確保蒙皮厚度加工的精確度，因為真空墊具有一定厚度，真空墊上面是蒙皮，抽真空后蒙皮的內(nèi)形與蒙皮數(shù)模不可能完全一致。為此，機(jī)床上還配備了激光掃描裝置，對固定好蒙皮內(nèi)形進(jìn)行掃描，然后再根據(jù)掃描結(jié)果對原數(shù)模編程進(jìn)行修整，以確保刀具運動軌跡與夾持狀態(tài)下的蒙皮形狀一致。這種以蒙皮內(nèi)形表面為基準(zhǔn)，通過控制下陷加工深度來確保蒙皮加工厚度精確度的方法，是一種對蒙皮加工厚度進(jìn)行間接控制的方法。

若原材料本身的厚度有較大公差或成形中的局部變薄量比較大，僅按蒙皮內(nèi)形控制刀具軌跡，還不能確保蒙皮加工的厚度公差。因為若只按蒙皮內(nèi)形控制刀具軌跡，則原材料本身厚度公差或成形中的局部變薄量，都會增加最終的蒙皮厚度加工誤差。因此，比較完備的方案是，在機(jī)床上配備超聲測厚系統(tǒng)，將厚度信息反饋到機(jī)床控制系統(tǒng)，對原數(shù)模編程進(jìn)行修整。當(dāng)原材料本身的厚度公差和成形中的局部變薄量不大時，可以不使用該裝置，但機(jī)床必須具備測厚和數(shù)據(jù)反饋控制修整程序的能力。該測厚系統(tǒng)同時可用于產(chǎn)品完工后對厚度公差的檢測，并形成檢測報告。具備上述全部功能的機(jī)床，不僅能精確銑切蒙皮厚度，而且能對蒙皮進(jìn)行精確切邊、銑缺口和制孔，這就是集切邊、銑缺口、制孔和厚度加工于一體的新型多功能蒙皮精確銑。

>>>作者簡介

張彤，男，1934年10月出生，研究員級高級工程師，長期從事飛機(jī)制造工作。享受國務(wù)院特殊津貼，曾獲國家科技進(jìn)步一等獎1項、二等獎1項、部級科技進(jìn)步二等獎1項，并獲得1992年航空航天部授予的有突出貢獻(xiàn)專家稱號及2011年中航工業(yè)授予的航空報國突出貢獻(xiàn)獎。

Up-to-date Technology for Precision Machining of Aircraft Skin Thickness——Greenhouse Machining Technology for the CNC Milling instead of Chemical Milling

Zhang Tong
(Hongdu Aviation Industry Group,Jiangxi Nanchang 330024)

This paper analyses the objective reality that the conventional technology for aircraft skin machining cannot meet the demand for precision working and greenhouse machining development,expounds the currently internationally popularized skin precision milling and latest trend of transition of aircraft skin thickness machining from chemical milling to CNC milling.Meanwhile,this paper also gives a detailed introduction to the new generation of skin precision milling and image milling latest developed internationally and integrated with edge trimming,port opening,perforation and skin thickness precision machining.

skin precision milling;skin image milling;flexible fixture

2011-08-11）