蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)及先進(jìn)制造工藝的應(yīng)用*

徐 明 向兵飛 李 響 汪洋華 蘭 惠

(中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024)

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

傳統(tǒng)的飛機(jī)蒙皮加工工藝涉及化銑、成形、數(shù)控加工等多個(gè)工藝環(huán)節(jié)，存在工藝協(xié)調(diào)性差、加工精度難保證和環(huán)境污染等問題［1］。

(1)工藝流程復(fù)雜:傳統(tǒng)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(jī)械切邊和鉆孔等一系列工藝，工藝流程復(fù)雜，生產(chǎn)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(shí)需要柔性工裝等，樣板的制造和柔性工裝的設(shè)計(jì)繁瑣且難度大。

(3)工藝協(xié)調(diào)性差:蒙皮各個(gè)工藝階段的協(xié)調(diào)關(guān)系較為復(fù)雜，包括用于成形后數(shù)控加工的真空夾具、蒙皮成形用的拉伸模、標(biāo)準(zhǔn)樣板、化銑樣板之間的相互協(xié)調(diào)。

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

(5)不符合節(jié)能環(huán)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(fù)雜下陷、窗口等的加工問題，但其廢棄的化銑液會(huì)污染環(huán)境，不符合綠色制造的要求。

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

蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)采用新一代綠色制造技術(shù)、高柔性化的夾具系統(tǒng)和集銑面、銑下陷、切通窗、切邊及鉆孔工藝于一體的國內(nèi)首臺(tái)蒙皮鏡像銑切設(shè)備，攻克了飛機(jī)單曲和雙曲蒙皮的先進(jìn)制造工藝技術(shù)，對促進(jìn)我國航空工業(yè)的發(fā)展，具有重要的實(shí)際意義。

1 蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)組成

蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)是為替代化銑加工而開發(fā)的新一代蒙皮精確制造設(shè)備，具備機(jī)身蒙皮、機(jī)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(tǒng)包含1臺(tái)臥式TORRESMILL機(jī)床、1臺(tái)立式TORRESTOOL柔性夾具以及1個(gè)頂撐裝置。TORRESHOLDER頂撐裝置能夠在TORRESMILL機(jī)床進(jìn)行蒙皮下陷銑削時(shí)，從背后對蒙皮工件進(jìn)行頂撐。為了獲得高柔性化，TORRESMILL機(jī)床必須與TORRESTOOL柔性夾具裝置以及TORRESHOLDER蒙皮頂撐裝置實(shí)現(xiàn)集成化和協(xié)同工作。TORRESHOLDER集成了超聲波厚度在線控制和補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)可檢測最終加工完成后的工件厚度，并可實(shí)現(xiàn)蒙皮加工過程厚度實(shí)時(shí)檢測和補(bǔ)償功能。圖2為蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)。

TOORRESTOOL三軸柔性夾具系統(tǒng)，按照預(yù)先編制的程序在空間上對空間蒙皮空間曲面進(jìn)行定位并用真空吸盤緊固。臥式的TORRESMILL機(jī)床結(jié)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(yùn)以及整個(gè)工藝時(shí)間起到優(yōu)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(tǒng)加工原理

蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)蒙皮工件的隨動(dòng)頂撐加工，內(nèi)置于頂撐裝置內(nèi)部的超聲波厚度在線控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測加工厚度并進(jìn)行厚度補(bǔ)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(tǒng)加工原理圖如圖4所示。

臥式TORRESMILL機(jī)床包含X、Y、Z、V、W這5個(gè)移動(dòng)軸和A、C、U這3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，其中W軸可實(shí)現(xiàn)100 mm的主軸線性移動(dòng)，V軸為主軸推頭的軸向運(yùn)動(dòng)軸，可實(shí)現(xiàn)沿W方向軸向運(yùn)動(dòng)。U軸為防振顫裝置繞刀軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)壓力制動(dòng)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(tǒng)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(zhí)行。加載程序包含加載蒙皮加工數(shù)控程序、蒙皮背部頂撐裝置程序、柔性排架移動(dòng)和真空吸盤位置程序。

3.1 工件柔性裝夾和定位

(1)調(diào)節(jié)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(zhǔn)的精確。

(2)通過兩個(gè)定位器將蒙皮工件固定。

(3)執(zhí)行首次柔性夾具移動(dòng)和位置程序，將柔性夾具移動(dòng)到預(yù)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(gè)加工程序中完成。高柔性化的夾具系統(tǒng)、內(nèi)置超聲波厚度在線測量系統(tǒng)的頂撐裝置協(xié)同工作決定蒙皮加工需按照區(qū)域進(jìn)行加工，程序的執(zhí)行按照蒙皮加工數(shù)控程序和柔性夾具移動(dòng)和位置程序進(jìn)行。其加工工藝定義如下:

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

(2)每個(gè)STEP區(qū)域按照銑面→銑下陷→切通窗→鉆孔→切邊分步進(jìn)行。

(3)加工程序執(zhí)行順序:執(zhí)行STEP0銑削和鉆孔程序→執(zhí)行STEP1柔性排架移動(dòng)程序→執(zhí)行STEP1銑削和鉆孔程序→執(zhí)行STEP2柔性排架移動(dòng)程序……依次進(jìn)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(qū)域稱為下陷(pocket)，按照從厚到薄進(jìn)行銑削，圖7為壁厚銑薄加工區(qū)域定義。

4 蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)的先進(jìn)性

4.1 蒙皮一體化加工技術(shù)的優(yōu)勢

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

而蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)通過一次裝夾就完成傳統(tǒng)工藝的化銑和數(shù)銑兩道工序，替代化銑和數(shù)銑所有加工步驟和所需設(shè)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(jié)論:

(1)集成化程度高:蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)采用數(shù)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(tǒng)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(tǒng)加工工藝至少需要兩次裝夾，重復(fù)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(tǒng)僅需一次裝夾，采用絕對尺寸和超聲波厚度在線控制系統(tǒng)，保證了加工精度。

(4)生產(chǎn)效率高:高柔性化的裝夾系統(tǒng)優(yōu)化了蒙皮加工整個(gè)工藝流程，縮短了流程處理時(shí)間。銑削速度高達(dá)20 000 mm/min，加工效率高。

(5)新一代的綠色制造技術(shù):化銑的化銑液會(huì)污染環(huán)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(tǒng)完全替代了化銑工藝，刀具冷卻采用微量潤滑(MQL)實(shí)現(xiàn)，不存在污染環(huán)境的問題，屬于新一代綠色制造技術(shù)。

4.2 高柔性夾具系統(tǒng)的的優(yōu)勢

高柔性化的夾具系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速加工和整體柔性的集成。自動(dòng)柔性夾具的使用免去了機(jī)床昂貴的專用工裝的設(shè)計(jì)、制造、儲(chǔ)存和運(yùn)輸。柔性夾具的主要功能是依靠其3個(gè)軸的移動(dòng)能力，按照預(yù)先設(shè)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(jìn)行定位。工件將在機(jī)床的可用工作范圍內(nèi)，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(shè)置，以保持壁板較高的剛性。采用三軸柔性夾具的應(yīng)用優(yōu)勢為［4-5］:

(1)數(shù)字化柔性工裝技術(shù):三軸柔性夾具的控制系統(tǒng)與機(jī)床的CNC系統(tǒng)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換，以保證安全的操作。在分區(qū)域加工過程中，柔性夾具自動(dòng)完成退出、移動(dòng)和裝夾功能，完成支撐單元陣列的布局調(diào)整。

(2)柔性和適應(yīng)性強(qiáng):三軸柔性夾具系統(tǒng)采用高度自動(dòng)化控制方法，可一次自動(dòng)完成蒙皮的整個(gè)加工過程，柔性排架上的定位/支撐單元陣列各根據(jù)蒙皮外形自動(dòng)完成真空吸附，減小加工變形。三軸柔性夾具的自動(dòng)調(diào)整功能適合于多品種小批量的生產(chǎn)需求，能適應(yīng)產(chǎn)品變化的需求，具備高柔性化和強(qiáng)適應(yīng)性。

(3)提高生產(chǎn)效率，降低制造成本:三軸柔性夾具系統(tǒng)系統(tǒng)性地取代了傳統(tǒng)的硬工裝和硬工裝所需的生產(chǎn)、維護(hù)、存儲(chǔ)和搬運(yùn)工作，優(yōu)化了生產(chǎn)流程，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了工裝設(shè)計(jì)、制造、儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本。

5 結(jié)語

以數(shù)銑替代化銑的綠色加工工藝，是飛機(jī)蒙皮厚度精確加工的最新技術(shù)。蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)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(yīng)用技術(shù)難題，填補(bǔ)了國內(nèi)在該技術(shù)領(lǐng)域的空白。本文從實(shí)際應(yīng)用的角度，介紹了系統(tǒng)工作原理和加工過程，并分析了蒙皮一體化加工和數(shù)字化柔性夾具系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢。蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)的應(yīng)用使我國航空制造技術(shù)邁入了飛機(jī)蒙皮的精確一體化制造領(lǐng)域，提升了我國航空制造的整體實(shí)力。

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