便攜式精加工銑床設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙安安,張 程,巴曉甫,2

（1.航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司制造工程部，西安 710089； 2.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

飛機(jī)零部件在裝配完成后，由于零件制造和裝配制造誤差的存在，某些裝配要素（如安裝面）無法滿足最終質(zhì)量要求，需要進(jìn)一步的精加工。在某些重要部位，裝配誤差將關(guān)系到飛機(jī)的氣動(dòng)外形、結(jié)構(gòu)疲勞壽命和交點(diǎn)運(yùn)動(dòng)可靠性[1]，一般在裝配完成后，需對(duì)超差的部位進(jìn)行最終精加工[2]。

國內(nèi)飛機(jī)制造精加工技術(shù)研究方面，航空工業(yè)西飛為某型號(hào)的機(jī)身蒙皮研制了一套精準(zhǔn)銑切系統(tǒng)，對(duì)刀具設(shè)計(jì)和氣動(dòng)回路進(jìn)行了優(yōu)化分析[3]；航空工業(yè)成飛為飛機(jī)大部件結(jié)合交點(diǎn)精加工，研究應(yīng)用了搖臂鉆、自動(dòng)進(jìn)給鉆和精加工專用機(jī)床等[1]；航空工業(yè)洪都研究了一種智能柔性精加工系統(tǒng)，提出了基于調(diào)姿的數(shù)控加工方案，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)部件對(duì)接協(xié)調(diào)的精加工[4]。雖然國內(nèi)對(duì)飛機(jī)制造精加工進(jìn)行了較多研究，研制出了一些面向裝配現(xiàn)場的加工裝備，但現(xiàn)在主要還是以自動(dòng)化程度低的裝備和工藝方法進(jìn)行[5]。國外飛機(jī)制造精加工技術(shù)研究方面，空客A400M 采用兩臺(tái)五軸數(shù)控加工設(shè)備對(duì)機(jī)翼對(duì)接裝配的接頭進(jìn)行精加工[6]；英國Grange Square公司在空客A320 機(jī)翼上研制了一套氣動(dòng)三坐標(biāo)銑切設(shè)備[7],可以看出，面向飛機(jī)裝配的自動(dòng)化、數(shù)字化加工技術(shù)及其裝備正在深入研究中。但是，具體到飛機(jī)小型安裝面的面向裝配的精加工，還缺乏相應(yīng)便攜式的、多軸的和自動(dòng)化程度較高的精加工技術(shù)及其裝備的研究。

飛機(jī)裝配中有很多的小尺寸安裝面：空間狹窄、精度高，采用便攜式加工具有經(jīng)濟(jì)性好、易維護(hù)、使用方便等顯著優(yōu)點(diǎn)[8]，為了實(shí)現(xiàn)便攜式加工目標(biāo)，需要減輕加工裝備重量，縮小尺寸，減低安全風(fēng)險(xiǎn)。氣動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)于電動(dòng)和液壓而言，具有操作簡單、使用安全、維護(hù)方便、靈活性強(qiáng)，特別適用于飛機(jī)零部件的制孔、銑邊、平面加工等應(yīng)用場合[9]。

1 精加工對(duì)象

以翼面部件為例，包括機(jī)翼、內(nèi)襟翼、外襟翼、副翼、安定舵面、方向舵面、擾流板等，在這些部件上都有安裝面，圖1 為波音737MAX 飛機(jī)翼面部件構(gòu)成示意圖，圖2 為波音737MAX 襟翼安裝面示意圖。機(jī)翼上還有很多安裝面，如安裝發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛的安裝面，活動(dòng)翼面上有用來安裝滑軌、滑輪架的安裝面。這些安裝面具有如下特點(diǎn)：

（1）加工精度高，安裝面零件裝配成部件后，部件剛度還比較弱，無法和機(jī)床及其夾緊系統(tǒng)的剛度相提并論。在弱剛度裝配站位上實(shí)現(xiàn)精加工面相對(duì)于飛機(jī)坐標(biāo)系（20m 級(jí)）0.2mm 的位置度、0.12mm 的平面度、Ra=1.6μm 的粗糙度等技術(shù)指標(biāo)，難度較大。

（2）安裝面尺寸小，多數(shù)不超過400mm×400mm尺寸，以波音737MAX 內(nèi)襟翼滑軌安裝面為例，安裝面尺寸為281mm×307mm。

（3）裝配空間狹窄，存在操作不開敞，不便于人的觀察和手持加工設(shè)備的操作，不便于加工設(shè)備進(jìn)出、作業(yè)和檢測，不便于待加工零件的裝配和拆卸等問題。

（4）安裝面數(shù)量多，通常一架大中型飛機(jī)所含的小型安裝面數(shù)量在數(shù)十個(gè)，現(xiàn)有的以手工打磨為主的精加工方法滿足不了加工要求。

2 便攜式精加工流程

便攜式精加工流程包括便攜式銑床的定位、精加工和質(zhì)量檢測，具體流程如圖3 所示。便攜式銑床的準(zhǔn)確定位和預(yù)緊是精加工質(zhì)量保證的基礎(chǔ)，精加工是便攜式銑床的核心功能，質(zhì)量檢測是對(duì)銑床定位和精加工功能性、穩(wěn)定性的必要驗(yàn)證。

圖1 飛機(jī)翼面部件構(gòu)成示意圖Fig.1 Diagram of aircraft wing components

圖2 襟翼滑軌安裝面示意圖 Fig.2 Diagram of flap slide mounting surface

圖3 便攜式銑床精加工流程Fig.3 Finishing process of portable milling machine

3 便攜式精加工銑床設(shè)計(jì)

3.1 受力分析

便攜式精加工銑床的主要受力結(jié)構(gòu)由支撐鉸鏈（含主定位接頭和副定位接頭）、平板、滑枕、銑切頭等組成，對(duì)銑床進(jìn)行受力分析，可得銑床的靜力學(xué)平衡方程：

方程組的第1 式為力平衡方程，根據(jù)分力平衡，又可分為3 個(gè)獨(dú)立的分力平衡方程；方程組的第2 式，根據(jù)分力矩平衡，又可分為3 個(gè)獨(dú)立的分力矩平衡方程。式中，F(xiàn)i為銑床的支撐鉸鏈所受到的約束反力，共有4個(gè)支撐鉸鏈，每個(gè)鉸鏈?zhǔn)軆蓚€(gè)徑向分力和一個(gè)軸向力；fj為銑床的刀具所受到的切削力，含兩個(gè)徑向分力和一個(gè)軸向力；Mg為銑床的總質(zhì)量；Li為Fi的作用線相對(duì)于銑床重心的力臂；Lj為fj的作用線相對(duì)于銑床重心的力臂；M0為銑床的刀具所受到的切削力偶矩；i=1，2，…，12；j=1，2，3，如圖4 所示。

3.2 動(dòng)力學(xué)模型

便攜式精加工銑床的動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)由刀具、銑切頭、傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力元件、控制系統(tǒng)等組成，采用牛頓歐拉法對(duì)銑床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，可得銑床的動(dòng)力學(xué)微分方程組：

式中，m 為銑切頭中刀具（含緊固件）N 的質(zhì)量；TM為切削氣動(dòng)馬達(dá)的輸出扭矩；Tf為加工對(duì)象反作用于刀具的切削力矩；θ 為刀具的旋轉(zhuǎn)角位移；mi為銑床i 向坐標(biāo)軸上運(yùn)動(dòng)的總質(zhì)量；Ti為銑床i 向坐標(biāo)軸上行走氣動(dòng)馬達(dá)的輸出扭矩；ηi為銑床i 向坐標(biāo)軸上傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率；li為銑床i 向坐標(biāo)軸上行走氣動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)mi所行走的位移；Li'為N 在i 向坐標(biāo)軸上的位移；Fi為加工對(duì)象反作用于N 的i 向坐標(biāo)軸上的切削阻力；φi為銑床i 向坐標(biāo)軸的軸線與水平面的夾角，當(dāng)N 向靠近地面運(yùn)動(dòng)時(shí)，φi取正值，當(dāng)N 向遠(yuǎn)離地面運(yùn)動(dòng)時(shí)；φi取負(fù)值。

根據(jù)銑床動(dòng)力學(xué)模塊，求解TM和Ti，為便攜式銑床的刀具、氣動(dòng)馬達(dá)、傳動(dòng)系統(tǒng)、旋鈕的選型、設(shè)計(jì)、校核等提供依據(jù)。

3.3 總體設(shè)計(jì)

便攜式精加工銑床技術(shù)指標(biāo)包含以下幾個(gè)方面。

（1）自由度：三坐標(biāo)銑床。

（2）自動(dòng)化：兩個(gè)坐標(biāo)方向?yàn)樽詣?dòng)化。

（3）輕便程度：便攜式，總質(zhì)量不超過35kg。

（4）加工范圍：長度不大于400mm，寬度不大于400mm。

（5）加工對(duì)象：飛機(jī)部件安裝面的精加工。

（6）精度等級(jí)：粗糙度Ra1.6μm，平面度0.12mm，位置度0.2mm。其余關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如表1 所述。

根據(jù)精加工對(duì)象分析和銑床技術(shù)指標(biāo)，便攜式精加工銑床由平板、滑臺(tái)、銑切頭、控制系統(tǒng)等組成，如圖5所示。

圖4 便攜式銑床受力圖Fig.4 Force diagram of portable milling machine

表1 便攜式精加工銑床關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)Table 1 Key technical indexes of portable finishing milling machine

3.4 平板組件設(shè)計(jì)

平板組件是便攜式精加工銑床的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，由平板、氣源接口、主定位接頭、副定位接頭、X 軸導(dǎo)軌、X 軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、便攜把手、吊環(huán)、分氣盒和控制盒組成。

平板是一個(gè)中間帶有開口的回字形板狀結(jié)構(gòu)，開口是為了留出加工通路，開口的大小由加工范圍決定。在平板下部設(shè)計(jì)一對(duì)平行且同軸的主定位接頭，在平板上部設(shè)計(jì)一對(duì)平行且同軸的副定位接頭。X 軸導(dǎo)軌裝在平板沿口字型開口的上下兩側(cè)，X 軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在平板沿口字型開口的下側(cè)。X 軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)依次由軸承座、絲杠絲母、聯(lián)軸器、法蘭座、氣動(dòng)馬達(dá)組成，分氣盒設(shè)置在平板的左側(cè)，控制盒設(shè)置在平板的右側(cè)，該結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

按照400mm×400mm 的加工范圍需求，開口尺寸設(shè)置為510mm×470mm，平板輪廓尺寸設(shè)置為770mm×740mm，平板厚度為24mm，選用7075 鋁合金材料。

圖5 便攜式銑床結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of portable milling machine

圖6 平板組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of panel component

3.5 滑枕組件設(shè)計(jì)

滑枕組件為立柱狀結(jié)構(gòu)，由滑枕、上連接件、下連接件、Y 軸導(dǎo)軌、Y 軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，滑枕安裝在平板組件的X 軸導(dǎo)軌上，滑枕側(cè)面安裝有 Y 軸導(dǎo)軌，滑枕下端安裝有Y 軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。Y 軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)依次由軸承座、同步輪、同步帶、法蘭座、氣動(dòng)馬達(dá)組成?；斫M件結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

3.6 銑切頭設(shè)計(jì)

銑切頭總體設(shè)計(jì)方面，為了既能實(shí)現(xiàn)加工精度和效率，又能實(shí)現(xiàn)重量和尺寸的最小優(yōu)化，對(duì)銑切頭的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行限定，如表2 所示。

圖7 滑枕組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of slide pillow component

表2 銑切頭關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)Table 2 Key technical indexes of milling head

銑切頭為了實(shí)現(xiàn)完整的銑切功能，需集成進(jìn)給裝置、切削主軸、測量裝置、冷卻裝置、導(dǎo)屑裝置和刀具等。對(duì)于便攜式精加工銑床而言，銑切頭需要小型化、集成化，銑切頭的總體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

3.6.1 Z軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)

Z 軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)由Z 軸導(dǎo)向座、Z 軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向桿組成。Z 軸導(dǎo)向座上安裝有Z 軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向桿，Z 軸導(dǎo)向座的導(dǎo)向孔對(duì)銑切頭的Z 軸進(jìn)行導(dǎo)向。Z 軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)含有手動(dòng)旋鈕、一對(duì)90°相交斜齒輪、絲杠螺母，Z 軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過手動(dòng)控制旋鈕的角度來精確控制斜齒輪嚙合帶動(dòng)絲杠螺母運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)銑切頭模塊在Z軸的精確進(jìn)給與后退，Z 軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖9 所示。

3.6.2 鎖緊機(jī)構(gòu)

切削主軸進(jìn)行銑切加工時(shí)，進(jìn)給方向的運(yùn)動(dòng)必須鎖定，鎖緊裝置由開口的圓環(huán)形筒夾、可調(diào)節(jié)手柄和螺栓組成，其中圓環(huán)形筒夾安裝在Z 軸導(dǎo)向座的端面上，圓環(huán)形筒夾的內(nèi)圓柱孔與切削主軸的外圓柱配合形成滑動(dòng)副，螺栓連接圓環(huán)形筒夾開口的兩端，通過調(diào)節(jié)手柄的旋向，實(shí)現(xiàn)對(duì)切削主軸的夾緊與松開，鎖緊機(jī)構(gòu)如圖10 所示。

3.6.3 測量裝置

圖8 銑切頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of milling head

圖9 Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.9 Z–axis drive mechanism diagram

測量裝置由帶支腳的精密尺、帶頂針的數(shù)顯讀數(shù)頭組成。其中精密尺與讀數(shù)頭通過移動(dòng)副連接，精密尺通過其支腳安裝在切削主軸的外圓柱面上，讀數(shù)頭通過其頂針安裝在Z軸導(dǎo)向座的端面上，測量裝置如圖11所示。

測量儀器采用精度為0.01mm 數(shù)顯游標(biāo)卡尺，并進(jìn)行相應(yīng)的改造，確保其精度的穩(wěn)定性和用尺安全。

檢測裝置方法為：在卡尺上設(shè)置有兩條刻度線，分別表示兩個(gè)極限偏差位置，在游標(biāo)上有一條刻度線，當(dāng)進(jìn)行產(chǎn)品檢測時(shí)，將游標(biāo)端面與精加工面貼合，當(dāng)游標(biāo)的刻度線在卡尺上兩條刻度線中間時(shí)，說明加工合格。

3.6.4 冷卻裝置

冷卻裝置由分氣接頭、冷卻氣管和冷卻氣嘴組成，其特征在于按分氣接頭→冷卻氣管→冷卻氣嘴依次相連，構(gòu)成便攜式三坐標(biāo)銑床中銑切頭的冷卻系統(tǒng)，冷卻裝置如圖12 所示。

圖10 鎖緊機(jī)構(gòu)示意圖Fig.10 Locking mechanism diagram

圖11 測量裝置示意圖Fig.11 Measuring device diagram

圖12 冷卻裝置示意圖Fig.12 Cooling device diagram

3.6.5 導(dǎo)屑裝置

導(dǎo)屑裝置是一個(gè)帶安裝法蘭的圓筒型漏斗結(jié)構(gòu)，一端通過法蘭安裝在切削主軸的端面上，另一端通過圓筒套在刀具上，導(dǎo)屑裝置如圖13 所示。

為了能更好地進(jìn)行導(dǎo)屑和對(duì)刀具進(jìn)行冷卻，將主軸排出的氣體導(dǎo)入到導(dǎo)屑器內(nèi)，可以將風(fēng)直接作用在刀具上，降低刀具的溫度，同時(shí)迅速將鋁屑吹走，減少對(duì)表面的劃傷。研制的銑切頭實(shí)物如圖14 所示。

3.6.6 剛度校核

當(dāng)銑切頭切深達(dá)到設(shè)計(jì)最大值0.5mm 時(shí)，銑切頭每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.2mm/r，加工對(duì)象硬鋁合金的單位切削力為834MPa，銑切頭的軸向切削分力為[10]：

Fz=papf=83N，其中p 為單位切削力；ap為切深；f 為進(jìn)給量。由于在切削合力中，軸向切削分力約占80%，考慮到理論計(jì)算的誤差，以軸向切削力的兩倍（166N）作為有限元分析的載荷，得到銑床的變形數(shù)值：

（1）切削頭處于銑床加工范圍中的邊緣時(shí)，刀具端頭的最大變形為0.008mm，如圖15 所示。

（2）切削頭處于銑床加工范圍的中間時(shí)，刀具端頭的最大變形為0.012mm，如圖16 所示。

4 應(yīng)用分析

圖13 導(dǎo)屑裝置示意圖Fig.13 Chip guide device diagram

圖14 銑切頭實(shí)物Fig.14 Physical photo of milling head

便攜式精加工銑床交付用戶后，進(jìn)行型號(hào)生產(chǎn)應(yīng)用，如圖17 所示，具體的加工工藝參數(shù)如下：

（1）選用直徑為φ40mm 的端銑刀，在圓周上布置4個(gè)刀片。

圖15 刀具處于加工范圍邊緣的變形云圖Fig.15 Deformation of station one

圖16 刀具處于加工范圍中間的變形云圖Fig.16 Deformation of station two

圖17 應(yīng)用現(xiàn)場Fig.17 Application of scene

（2）銑切頭在0.6MPa 標(biāo)準(zhǔn)氣壓下的空載轉(zhuǎn)速為10200r/min，在2.1N·m 的額定扭矩下的額定轉(zhuǎn)速為5100 r/mim。

（3）3mm 厚的實(shí)際加工余量，依次按照每層0.5mm →0.5mm →0.5mm →0.5mm →0.4mm →0.3mm →0.2mm →0.1mm 切深量來進(jìn)行加工，共加工8 層。

（4）進(jìn)給速度控制在0.15～0.30mm/r 之間。同時(shí)將便攜式銑床加工方案、固定機(jī)床加工方案、手持打磨器加工方案的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3 所示。

對(duì)比分析表明：

（1）便攜式精加工銑床方案的加工精度高，遠(yuǎn)高于手持打磨器方案。

（2）便攜式精加工銑床方案的加工效率高于固定機(jī)床和手持打磨器方案。

（3）解決了批量生產(chǎn)的急迫問題。

（4）具有良好的通用性，便攜移動(dòng)性能好。

5 結(jié)論

對(duì)于飛機(jī)小型安裝面數(shù)量多、尺寸小、空間局限性和加工精度較高的特點(diǎn)，研制了一套便攜式精加工銑床，應(yīng)用表明：便攜式精加工銑床的加工精度較高、性能穩(wěn)定、方便提攜、滿足飛機(jī)小型安裝面批量制造需求。

表3 便攜式精加工銑床應(yīng)用情況Table 3 Application of portable finishing milling machine