典型航空產(chǎn)品長桁的加工工藝分析

陳荷

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710089)

長桁零件是連接飛機(jī)外形的重要連接件之一，其加工質(zhì)量直接影響飛機(jī)的整體質(zhì)量。下文將通過典型航空產(chǎn)品長桁零件的加工工藝過程分析，介紹長桁的基本定義、主要加工工藝流程等內(nèi)容，并對長桁加工的關(guān)鍵工藝技術(shù)、零件成型加工及產(chǎn)品質(zhì)量提高等方面進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 長桁的定義及分類

飛機(jī)是一個龐大而復(fù)雜的飛行器系統(tǒng)，是目前人類制造的最復(fù)雜的產(chǎn)品之一。自人類生產(chǎn)飛機(jī)以來，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)形式也在不斷變化。人們所看到的飛機(jī)的外形，有著很大的差別。但是大多數(shù)的飛機(jī)都是由機(jī)翼、機(jī)身、起落架、操縱系統(tǒng)、動力裝置和機(jī)載設(shè)備等幾個部分組成。飛機(jī)既然有著不同的外形，它就必然有組成這些外形的框架。這些組成外形的框架中、順著飛機(jī)機(jī)身方向或者機(jī)翼翼展方向的、連接蒙皮的連接件，通常叫做長桁［1］。長桁對飛機(jī)的強(qiáng)度有著非常重要的影響，一般分布在機(jī)身和機(jī)翼中，所以，可以將長桁分為機(jī)翼長桁和機(jī)身長桁。

2 長桁的加工工藝流程

長桁零件的制造要從下面幾個方面考慮:(1)要確定合理的加工方法;(2)要充分考慮現(xiàn)有設(shè)備的能力;(3)針對長桁零件的長度、結(jié)構(gòu)特征、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量等選擇合理的設(shè)備;(4)要將精益制造理念貫穿于整個零件的制造中［2］。

目前，無論國內(nèi)還是國際各航空公司，簡單的單曲面長桁零件采用銑削加工的方法可以實現(xiàn)，長桁零件銑削加工包括:普銑、仿形銑、數(shù)控銑。它的加工工藝流程如圖1所示［3］。

圖1 長桁零件銑削加工工藝流程

3 關(guān)鍵工藝技術(shù)分析

3.1 長桁零件仿形銑加工技術(shù)

長桁零件仿形銑加工是指在ПКФ 型龍門靠模銑床上的加工。目前有3 種型號:ПКФ-8、ПКФ-12、ПКФ-20。它可以實現(xiàn)垂直仿形、橫向仿形、角度仿形3 個不同位置的加工。長桁零件仿形銑加工關(guān)鍵技術(shù)難點之一是設(shè)計加工工藝流程及各工步對應(yīng)的隨行夾具設(shè)計。合理地設(shè)計仿形銑加工工藝流程不僅可以確定零件加工過程中每個工位的加工位置及裝夾方式，減少零件裝夾次數(shù)，同時可以降低補銑工作量，提高零件的產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率，降低零件制造成本。仿形銑加工過程中隨行銑切夾具的作用是:保證型材零件相對于銑刀有正確的位置關(guān)系，完成定位和夾緊的任務(wù);在銑切部位起著引導(dǎo)和矯直的作用;減少或消除銑切時的振動，保證零件加工表面的粗糙度。長桁零件仿形銑加工關(guān)鍵技術(shù)難點之二是加工前操作工人準(zhǔn)備工作，包括零件的安裝、機(jī)床夾具的調(diào)整、隨行銑具安裝、靠模板安裝、靠模滾輪的選擇、刀具安裝等，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

3.2 長桁零件的冷成型技術(shù)

長桁零件冷成型關(guān)鍵技術(shù)之一是確定復(fù)合型面彎、扭成型操作步驟。長桁零件成型操作步驟要與每個操作步的檢驗方法結(jié)合起來。由于長桁零件均為細(xì)長型結(jié)構(gòu)零件，為控制型面上每個點的幾何特征，首先進(jìn)行彎曲成型，沿翼展方向通過全長切面樣板控制;然后進(jìn)行扭曲成型，復(fù)合彎扭型面通過檢驗夾具控制。同時，成型過程要考慮操作過程的定位和裝卡的可操作性，及彎、扭相互影響因素;還要考慮反彈量及補救措施?？傊?，彎、扭復(fù)合冷成型操作步驟要綜合考慮。長桁零件冷成型關(guān)鍵技術(shù)之二是成型方法的確定［4］。它是長桁零件冷成型中最關(guān)鍵的要點。首先借助數(shù)模幾何特征、計算機(jī)輔助軟件對零件圖紙進(jìn)行分析，掌握長桁零件的幾何特征，確定零件在成型時支撐點、壓力點、扭曲點的位置、以及兩支撐點的間距，然后進(jìn)行長桁零件壓彎基礎(chǔ)理論受力分析。長桁零件冷成型關(guān)鍵技術(shù)之三是成型用專用墊塊設(shè)計。合適的成型墊塊，不僅減少工人的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，還可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.3 長桁零件的驗收技術(shù)

飛機(jī)的長桁零件是飛機(jī)生產(chǎn)的關(guān)鍵零件之一，每一架飛機(jī)上都分布有一大批的長桁零件，這些長桁零件都是細(xì)長形結(jié)構(gòu)，長度從幾米到十幾米，每個零件都不完全相同，但具有近似的截面和近似的軸線，并且常常安裝在同一組肋位的不同位置。長桁零件的檢測和驗收是零件生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用測量機(jī)時，較長的柔性零件定位困難，故無法進(jìn)行高效檢測。而常用的檢驗?zāi)＞呋驒z驗夾具目前都是一對一的設(shè)計，即一套檢驗夾具對應(yīng)一個零件。對于大量的同類型結(jié)構(gòu)的長桁零件，為每一個長桁零件制造一個專用檢驗夾具，其現(xiàn)實問題是制造成本高，加工周期長;同時，要解決大批量檢驗?zāi)＞呋驒z驗夾具的存放和校驗問題。針對長桁零件檢驗夾具的設(shè)計和制造問題，提出模塊化檢驗夾具的設(shè)計和制造方案，這樣可以有效地解決復(fù)雜雙曲面長桁零件的檢測問題。該技術(shù)已在某型機(jī)長桁零件檢驗夾具的設(shè)計和制造中得到很好的應(yīng)用。圖2 為某型機(jī)長桁零件檢驗夾具。

圖2 某型機(jī)長桁零件檢驗夾具

4 典型長桁零件加工

下面以某型機(jī)上壁板其中一個長桁零件為例介紹典型長桁零件的加工。

該零件如圖3所示，同類型零件多達(dá)30 項，該零件下腹板外表面最大弓高為50.93 mm，長桁軸線面最大扭曲角度為4.88°，零件采用如圖4所示型材制造，材料為7055-T76511。

圖3 零件圖

圖4 型材截面圖

4.1 長桁零件的展開加工

該長桁零件同類型項目多，均為變截面變化結(jié)構(gòu)，因此適應(yīng)在仿型銑床上加工，同時可以通過機(jī)床液壓夾具和隨行銑具控制零件加工過程中的變形。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短零件制造周期，從項目研發(fā)開始將精益制造理念貫穿于整個零件的制造中，主要可以從以下幾個方面做起:

(1)根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點及設(shè)備的能力，建立獨立的生產(chǎn)單元。

(2)根據(jù)零件所使用型材的截面結(jié)構(gòu)對零件進(jìn)行分類，按類別申請工裝、刀具等，減少工裝設(shè)計及制造費用，降低制造成本。

(3)優(yōu)化加工工藝方案，將同類型、同工序的零件集中加工，減少工裝和機(jī)床附件更換次數(shù)，從而達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高加工效率、降低零件制造成本的目的。

4.2 長桁零件的成型

根據(jù)零件圖紙、數(shù)模幾何特征，借助計算機(jī)輔助軟件，獲得長桁零件典型型面變形特點，如圖5所示，零件腹板外表面沿翼展方向有若干個彎曲面，在8 肋平面有一個大的馬鞍型彎折面，該位置沿翼展方向兩側(cè)具有最大曲率半徑凸點，且該點為最小彎曲半徑。

圖5 長桁零件典型型面曲線分析圖

如圖6所示為彎曲成型分析圖，ac、bd 兩條線為長桁腹板面沿翼展方向在馬鞍型區(qū)域的邊界線，ef 線為最小彎曲半徑最高點，即ef 線為翼展方向最大壓力點，ac、bd 兩線為支撐點，ac、bd 兩線之間距離為兩支撐點的間距，構(gòu)成三點成型位置［5］。零件彎曲后通過長桁軸線面位置的切面樣板檢查型面，這樣可以控制長桁沿全長方向每點的型面特征。

圖6 彎曲成型分析圖

零件筋板沿翼展方向相對長桁軸線面也有若干個扭曲面，在3 肋平面附近有一個大的扭曲擺角面，該面沿翼展方向兩側(cè)形成凸形最大擺角，如圖7所示，bd 線為最大擺角面，也是扭曲角度變化臨界點，ac、ef 線為同一扭曲角度。由此可見，bd 線扭點位置面，ac、ef 兩線可以分別為壓點面，ac、bd 及ef、bd 兩線之間距離為扭點間距，構(gòu)成二點扭曲位置。零件扭曲后通過檢驗夾具進(jìn)行檢測，由于扭曲后對彎曲后的型面產(chǎn)生一定的影響，故在成型中需反復(fù)進(jìn)行型面成型修合，使零件最終符合檢驗夾具。

圖7 扭曲擺角面

為提高產(chǎn)品質(zhì)量，避免成型過程中反向成型，通過長桁壓彎受力分析和大量的基礎(chǔ)性試驗研究，得出該截面結(jié)構(gòu)材料初始變形最小外力為6 kN，初始變形最小角度為65°，成型過程中過壓量為110% ～130%。該零件成型用專用墊塊的設(shè)計參數(shù)如圖8所示［6］。

圖8 成型用專用墊塊

5 結(jié)束語

長桁零件是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的重要部件，在實際生產(chǎn)過程中，對其加工工藝流程、關(guān)鍵工藝技術(shù)都有很高的要求。文中通過對長桁零件的展開加工、零件成型加工以及提高長桁零件的加工質(zhì)量等方面進(jìn)行分析，為同類航空產(chǎn)品的加工提供了可借鑒的案例。

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