飛機(jī)復(fù)雜整體座艙骨架加工工藝優(yōu)化研究* ＊

曹愛(ài)萍 歐陽(yáng)承 向兵飛 蘭 惠 劉 彤

(江西洪都航空工業(yè)股份有限公司，江西 南昌330024)

雙座式飛機(jī)活動(dòng)艙蓋骨架傳統(tǒng)工藝方案采用專用型架組裝前弧框、中弧框、后弧框、左側(cè)型材和右側(cè)型材這5 大部件，而工件加工后互換協(xié)調(diào)的準(zhǔn)確度難以保證，骨架易產(chǎn)生變形，與透明件裝配關(guān)系復(fù)雜，同時(shí)其剛度也會(huì)受到影響［1］。為了提高飛機(jī)活動(dòng)艙蓋骨架的整體結(jié)構(gòu)剛性和裝配互換一致性，在骨架設(shè)計(jì)上開(kāi)創(chuàng)性地采用了整體骨架布局方式。該設(shè)計(jì)方案大大降低座艙蓋骨架的裝配難度，改善透明件與骨架的裝配關(guān)系，提高其使用壽命，降低了維護(hù)成本。但是整體座艙骨架的精確制造成為了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控制造需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)［2－3］。

整體座艙骨架采用大型模鍛件作為整體座艙骨架毛坯，加工成材料去除率達(dá)到96.5%。圖1 為飛機(jī)整體座艙骨架結(jié)構(gòu)示意圖。

在零件的制造過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)和工藝難點(diǎn)為:

(1)工件結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜

整體座艙骨架結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，外形呈多U 型、多角度、變曲率、敞開(kāi)式布局。大量減輕槽和密封槽導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床需要五軸聯(lián)動(dòng)加工，A角行程±125°，C角行程±220°。與飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件相比，整體座艙骨架無(wú)可參考的定位基準(zhǔn)。其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征增加了數(shù)控編程、數(shù)控加工和定位裝夾難度［4］。

(2)工件易變形

大型模鍛件作為整體座艙骨架毛坯，其初始?xì)堄鄳?yīng)力、裝夾過(guò)程和數(shù)控加工過(guò)程易造成工件變形［5］。工件呈多U 型敞開(kāi)式的布局方式、且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，在數(shù)控加工過(guò)程中極易產(chǎn)生變形。裝夾結(jié)構(gòu)、裝夾方法、材料去除順序、加工策略、加工余量、加工參數(shù)等因素影響工件的裝夾變形和加工變形。

1 復(fù)雜整體骨架裝夾方案優(yōu)化

1.1 優(yōu)化前裝夾方案

正面加工主要完成U 型弧框外型面、左右兩側(cè)型材外型面和上表面。以座艙骨架對(duì)稱軸線為中心線裝夾定位，以工件工藝凸臺(tái)底面定位，型材內(nèi)側(cè)面減輕槽裝夾。為防止工件變形和減小顫振，在前、中、后弧框增加輔助支撐夾具支撐。在支撐夾具與U 型弧框接觸面上加墊橡膠墊片，防止加工U 型弧框時(shí)因顫振引起工件表面碰傷。

反面加工只要完成U 型弧框內(nèi)外型面、左右兩側(cè)型材內(nèi)型面和下表面。以座艙骨架對(duì)稱軸線為中心線裝夾定位。加工型材下表面時(shí)的裝夾示意圖如圖2 所示，型材內(nèi)側(cè)面減輕槽裝夾。

加工U 型弧框內(nèi)外型面、左右兩側(cè)型材內(nèi)型面時(shí)，型材工藝凸臺(tái)裝夾槽裝夾，為防止加工變形和顫振，在U 型弧框上增加輔助支撐夾具支撐。

上述裝夾結(jié)構(gòu)和裝夾方案在工件加工過(guò)程中雖然能控制工件變形，但是無(wú)法滿足優(yōu)質(zhì)高效的加工需求，其存在的主要問(wèn)題有:

(1)裝夾穩(wěn)定性不足:裝夾結(jié)構(gòu)采用分體式布局，其整體剛性不能很好地滿足加工需求;裝夾連接的螺桿過(guò)長(zhǎng)，降低了裝夾穩(wěn)定性。由于裝夾穩(wěn)定性較差，工件易產(chǎn)生變形，需要多次調(diào)整工件對(duì)稱軸線來(lái)消除變形影響。

(2)裝夾方法復(fù)雜:分體式布局結(jié)構(gòu)在工件加工過(guò)程中需要多次裝夾，降低了加工效率;工件在定位過(guò)程中，橫向和縱向定位需要多次移動(dòng)工裝。

1.2 裝夾方案優(yōu)化

通過(guò)對(duì)裝夾方案進(jìn)行優(yōu)化研究，在保留U 型弧框增加輔助支撐夾具來(lái)控制弧框變形和加工顫振優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了既滿足裝夾穩(wěn)定性和快速裝夾需求，又能較好控制工件變形的裝夾方案。具體裝夾示意圖如圖3 和圖4 所示。

優(yōu)化后的裝夾結(jié)構(gòu)和裝夾方案在工件加工過(guò)程中能有效控制工件變形，滿足優(yōu)質(zhì)高效的加工需求。其裝夾優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為:

(1)裝夾穩(wěn)定性好:裝夾結(jié)構(gòu)采用整體布局，相對(duì)于分體式布局，整體剛性得到較大的提升;裝夾結(jié)構(gòu)上端增加了用于螺栓連接的墊板，裝夾連接的螺桿懸長(zhǎng)降低，其裝夾剛性得到增強(qiáng);工件與夾具接觸面增加，增加了工件裝夾穩(wěn)定性和加工剛性。

(2)裝夾方法快速:整體布局的裝夾結(jié)構(gòu)減少裝夾次數(shù)。正面裝夾結(jié)構(gòu)和反面裝夾結(jié)構(gòu)下端均設(shè)計(jì)了可以調(diào)節(jié)的連接橫梁，工件在定位過(guò)程中，其整體結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)橫向快速定位，縱向定位通過(guò)可調(diào)節(jié)的橫梁進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)工件的快速定位。與分體式布局相比，整體式裝夾結(jié)構(gòu)裝夾方法更優(yōu)，裝夾效率更高。

2 復(fù)雜整體骨架加工工藝優(yōu)化

整體座艙骨架設(shè)計(jì)了合理的防變形加工工藝方案［6］，編程策略采用粗加工與下料一起考慮去除恒定體積，粗加工材料去除率為72.3%，大量材料的去除消除了鍛件大量初始?xì)堄鄳?yīng)力和加工變形。增加自然時(shí)效時(shí)間，消除數(shù)控加工變形。增加半精加工工序，消除機(jī)加應(yīng)力，控制工件變形。

2.1 加工策略優(yōu)化

對(duì)實(shí)際加工過(guò)程工件變形情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為了有效控制工件變形，對(duì)工件氣密槽加工策略、中弧框和型材的對(duì)接區(qū)域加工順序進(jìn)行了優(yōu)化。

(1)氣密槽加工策略優(yōu)化

優(yōu)化前整個(gè)氣密槽采用一個(gè)五軸聯(lián)動(dòng)程序加工完成，機(jī)床在加工過(guò)程中不斷聯(lián)動(dòng)，影響機(jī)床使用性能;實(shí)際加工過(guò)程中，一個(gè)程序無(wú)法解決前后弧框變形不一致的問(wèn)題，氣密槽壁厚和深度難以保證。

優(yōu)化后，氣密槽的加工分4 個(gè)程序完成，機(jī)床A角和C角擺動(dòng)量均為優(yōu)化前的一半，降低了機(jī)床的擺動(dòng)頻率。同時(shí)，解決了前后弧框變形不一致的問(wèn)題，有效保證了氣密槽的壁厚和深度尺寸。

(2)對(duì)接區(qū)域加工順序優(yōu)化

在加工中弧框和型材對(duì)接區(qū)域時(shí)，優(yōu)化前加工順序?yàn)?先完成中弧框右半位置的加工，然后加工前弧框右半位置、型材外型面和后弧框右半位置。由于加工過(guò)程的變形，在中弧框與型材的對(duì)接區(qū)域易形成0.1～0.3 mm 階差。變換加工順序之后，對(duì)接區(qū)域階差控制在0.05 ～0.1 mm 之內(nèi)。

2.2 加工參數(shù)優(yōu)化

為避免刀具懸伸過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生振動(dòng)，盡可能選擇懸伸短直徑大的刀具，為保證工件加工質(zhì)量，精加工時(shí)采用小直徑刀具加工，減小切削力。

為了避免切除余量大、損壞刀具和機(jī)床，來(lái)用仿真加工軟件優(yōu)化切深、切寬和進(jìn)給速度，得到安全高效的數(shù)控程序［7］，保證工件加工質(zhì)量和提高加工效率。

半精加工和精加工采用順銑方式恒定切除材料厚度，保證加工余量均勻。為了消除毛坯殘余應(yīng)力、裝夾變形及數(shù)控加工引起的加工變形，設(shè)計(jì)了合理的加工余量，有效消除工件變形。

整體座艙骨架加工過(guò)程中典型加工工藝參數(shù)，見(jiàn)表1 所示。

3 加個(gè)結(jié)果分析

優(yōu)化前，整體座艙骨架加工周期為34.5 天，優(yōu)化后，加工周期縮短為23 天，說(shuō)明優(yōu)化的裝夾方案及加工工藝提高了工件加工效率。

在工件變形控制方面，對(duì)反映工件變形的相關(guān)尺寸進(jìn)行了測(cè)量，主要測(cè)量前弧框、中弧框和后弧框開(kāi)檔尺寸，前弧框和后弧框平面度及左右側(cè)型材平面度，優(yōu)化前后工件變形相關(guān)尺寸測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 數(shù)據(jù)結(jié)果表明:中弧框開(kāi)檔尺寸變形量最大，優(yōu)化后整體座艙骨架前弧框、中弧框和后弧框開(kāi)檔尺寸變形量均減小，前弧框和后弧框平面度及左右側(cè)型材平面度較優(yōu)化前均由明顯提升。

通過(guò)對(duì)飛機(jī)整體座艙骨架加工工藝及裝夾方案進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證，證明優(yōu)化后的方案在控制工件變形方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，前、中、后弧框開(kāi)檔尺寸的變形量平均減小42.9%，前、后弧框平面度平均提高了12. 5%，左右側(cè)型材平面度平均提高了14.3%。優(yōu)化后工件加工周期縮短了33.3%，工件加工效率得到提高。

表1 整體座艙骨架典型加工工藝參數(shù)

表2 優(yōu)化前后工件變形相關(guān)尺寸測(cè)量結(jié)果 mm

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)飛機(jī)復(fù)雜整體座艙骨架裝夾方案、加工策略和加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了防變形加工工藝方案，并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了整體座艙骨架的優(yōu)質(zhì)高效加工。形成的研究結(jié)論為:

(1)裝夾方案由分體式改進(jìn)為整體式布局，提升了裝夾穩(wěn)定性和加工剛性，減小工件變形。結(jié)合局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，其裝夾方法得到改善，能快速實(shí)現(xiàn)座艙骨架的橫向和縱向定位。

(2)對(duì)加工策略、加工順序和加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提升程序質(zhì)量和加工效率。制定防變形加工工藝方案、加工參數(shù)和程序編制策略，減小整體座艙骨架變形量，提高加工質(zhì)量。

(3)制定了防變形加工工藝方案，結(jié)合裝夾方案和工藝優(yōu)化，解決了飛機(jī)復(fù)雜整體座艙骨架制造工藝技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了整體骨架的高效優(yōu)質(zhì)加工。

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