基于凸臺(tái)搭接的蜂窩芯零件數(shù)控加工工藝技術(shù)研究*

王鵬程 高 濤 曹 翔

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,四川 成都610091)

隨著航空裝備技術(shù)的發(fā)展，對(duì)航空裝備的性能提出更高的要求，引入了大量的新型高性能材料，蜂窩芯材料憑借其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)在新一代航空裝備中得到廣泛應(yīng)用。

目前，蜂窩芯零件的加工主要采用高速銑削的方式，其加工方式與金屬材料加工的方案類(lèi)似，最大的區(qū)別在于使用的加工刀具，其加工刀具是一種帶有打碎部分的組合刀具，刀具在加工過(guò)程中通過(guò)刀盤(pán)上鋸齒狀切削刃將蜂窩芯材料打碎，從而達(dá)到去除材料的作用。然而這種方式在蜂窩芯零件加工過(guò)程中導(dǎo)致零件的制造成本高，加工前的準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，操作工人的勞動(dòng)量大以及易造成環(huán)境污染等問(wèn)題。

為提升蜂窩芯零件加工質(zhì)量和效率，降低制造成本，改善加工環(huán)境，眾多學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作。姜杰風(fēng)等提出了一種基于強(qiáng)磁場(chǎng)和摩擦學(xué)原理的蜂窩芯固持方法，實(shí)現(xiàn)了蜂窩芯零件的可靠固持[1]；劉望子等針對(duì)弱剛性雙曲面蜂窩數(shù)控銑削及檢測(cè)技術(shù)，提出了一種加工檢測(cè)一體工裝，并通過(guò)加工策略和切削參數(shù)優(yōu)化，有效提高了蜂窩芯加工精度[2]；宋育紅等針對(duì)蜂窩芯加工問(wèn)題，提出了機(jī)床切削參數(shù)選擇與編程工藝優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了紙基蜂窩零件加工質(zhì)量和效率的提升[3]；沙智華等針對(duì)蜂窩芯曲面加工，建立了機(jī)床誤差模型，并提出了一種復(fù)雜曲面幾何誤差補(bǔ)償方法[4]；袁信滿等面向蜂窩芯加工過(guò)程中的圓片刀具，建立了超聲復(fù)合銑削蜂窩芯的銑削力預(yù)測(cè)模型[5]；李裕等針對(duì)蜂窩芯的加工提出了一種匕首式刀具切削誤差幾何模型和誤差精確計(jì)算方法[6]；高濤等面向超聲波機(jī)床提出了蜂窩芯零件超聲波加工工藝方案[7]；駱金威等針對(duì)蜂窩芯超聲波加工，提出了一種基于薄膜吸附的真空固持方法[8]；金成柱等從有限元數(shù)值仿真和工程實(shí)驗(yàn)兩方面深入研究了蜂窩芯加工過(guò)程中的固持技術(shù)，提出了一種基于磁場(chǎng)和摩擦吸附原理的蜂窩芯固持方法[9]；薛輝通過(guò)理論分析、有限元仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方式，提出了紙基蜂窩加工的銑削力模型，并且對(duì)加工表面質(zhì)量作了定性分析[10]。

針對(duì)現(xiàn)有蜂窩芯零件數(shù)控加工中的不足，本文在凸臺(tái)搭接固持方法的基礎(chǔ)上對(duì)蜂窩芯零件數(shù)控加工工藝方案進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)蜂窩芯零件無(wú)專(zhuān)用工裝加工，提高加工質(zhì)量和效率、降低制造成本以及改善加工環(huán)境。

1 基于凸臺(tái)搭接的蜂窩芯零件固持方法

目前，蜂窩芯零件大多為雙面零件，傳統(tǒng)方法加工時(shí)，通常需要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征，定制型面工裝，將零件型面、輪廓對(duì)比工裝型面、輪廓進(jìn)行定位裝夾，通過(guò)雙面膠帶將零件型面粘貼于專(zhuān)用工裝上，通過(guò)膠帶的粘貼力實(shí)現(xiàn)蜂窩芯零件的固持，如圖1所示。

這種將零件整個(gè)型面通過(guò)雙面膠和專(zhuān)用型面工裝固持方法的主要缺點(diǎn)是加工準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，復(fù)雜曲面膠帶粘貼難度大，制造成本高，加工完成后需用酒精等有機(jī)溶劑去除膠帶殘漬，增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

因此，為進(jìn)一步提高蜂窩芯零件的加工效率，降低制造成本，本文提出一種基于凸臺(tái)搭接的蜂窩芯零件固持方法。如圖2所示，該方法是在雙面膠帶固持方法的基礎(chǔ)上作出創(chuàng)新性的改進(jìn)，在蜂窩芯零件加工中，無(wú)需使用專(zhuān)用的型面工裝，將零件毛坯直接固持于機(jī)床工作臺(tái)或者通用平板工裝上，通過(guò)在蜂窩芯零件周?chē)O(shè)置凸臺(tái)，以凸臺(tái)連接的方式實(shí)現(xiàn)蜂窩芯零件的固持與定位。

與傳統(tǒng)加工方案相比，基于凸臺(tái)搭接的蜂窩芯零件加工方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)無(wú)需使用專(zhuān)用工裝，大幅降低零件的制造成本。

(2)取消專(zhuān)用型面工裝的拆裝過(guò)程，有效縮短了零件加工時(shí)的準(zhǔn)備周期，同時(shí)部分毛坯材料作為凸臺(tái)使用，無(wú)需進(jìn)行銑削加工，提高了零件生產(chǎn)的效率，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)零件不會(huì)直接與酒精、膠帶接觸，避免零件加工后的變形，保證了零件的加工質(zhì)量。

(4)降低了粉塵的產(chǎn)生，減少了酒精的使用，實(shí)現(xiàn)了向環(huán)境友好型發(fā)展。

2 基于零件最大輪廓的毛坯尺寸選擇

毛坯尺寸是確定蜂窩芯零件加工工藝的基礎(chǔ)，加工的能耗、質(zhì)量及成本等都與之關(guān)系密切，為了給蜂窩芯零件毛坯尺寸的選擇提供準(zhǔn)確、科學(xué)的選擇方法，實(shí)現(xiàn)蜂窩芯零件高質(zhì)、高效的加工要求，本文在凸臺(tái)搭接的基礎(chǔ)下,提出了基于零件最大輪廓的毛坯尺寸確定方法，如圖3所示。

在蜂窩芯零件毛坯尺寸的確定過(guò)程中，假設(shè)其最大零件輪廓尺寸為L(zhǎng)，可表示為：

(1)

式中：a為最大零件輪廓尺寸的長(zhǎng)度；b為寬度。

零件最大輪廓外即可認(rèn)為是刀具切削的區(qū)域，蜂窩芯毛坯的尺寸必須保證零件具有一定的工藝余量。零件在加工過(guò)程中，薄邊一側(cè)由于特殊性與其他3條邊的工藝余量不同，如圖3所示。設(shè)蜂窩芯零件毛坯尺寸在刀具直徑以及工藝余量影響下的尺寸為M，則可以表示為：

(2)

式中：D1、D2為加工刀具直徑，ε為工藝余量修正系數(shù)。

在凸臺(tái)搭接的加工工藝方案的基礎(chǔ)上，蜂窩芯零件毛坯尺寸的確定還需考慮固持凸臺(tái)的大小，而固持凸臺(tái)的尺寸是基于粘結(jié)膠帶的尺寸來(lái)確定的，而根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，薄邊一側(cè)膠帶粘貼一般選用3條，其他位置為2條，因此，設(shè)蜂窩芯零件毛坯尺寸為K，則可表示為：

(3)

式中：h為所粘結(jié)膠帶的寬度。

3 基于凸臺(tái)搭接的數(shù)控加工工藝方案

蜂窩芯零件需加工部位一般包含：上下型面、下陷臺(tái)階及四周輪廓?；谕古_(tái)搭接的蜂窩芯零件加工總體工藝路線如圖4所示，根據(jù)蜂窩芯零件的結(jié)構(gòu)形狀，確定零件固持的凸臺(tái)大小，選擇合適的片銑刀和圓柱銑刀，依據(jù)零件的型面曲率，確定型面的加工順序，優(yōu)先加工的型面為蜂窩芯結(jié)構(gòu)件曲率較小的一面，記為B面，另一面記為A面，如圖2所示，從而實(shí)現(xiàn)蜂窩芯零件的加工。一般蜂窩芯零件單面的加工中包括銑刀具避讓槽、銑型面、銑基準(zhǔn)邊和輪廓。

3.1 刀具避讓槽設(shè)計(jì)

基于凸臺(tái)搭接的工藝方案在零件周?chē)幸蝗ν古_(tái)連接，結(jié)合蜂窩芯刀具的特點(diǎn)，因此在加工過(guò)程中需要設(shè)置相應(yīng)的避讓槽以及嚴(yán)格控制刀具的走刀位置，在B面型面加工時(shí)為了保證銑削型面過(guò)程中刀具不會(huì)與零件毛坯發(fā)生干涉或退刀過(guò)程中發(fā)生撕扯現(xiàn)象，需要先在蜂窩芯結(jié)構(gòu)件型面較低一側(cè)的輪廓銑出一個(gè)退刀槽，如圖5所示。

3.2 裝夾防錯(cuò)設(shè)計(jì)

在A面加工時(shí)為方便裝夾找正和避免零件裝反，在零件四周輪廓銑出基準(zhǔn)邊，且保證四周不全銑通，留一角用于防錯(cuò)，最后在靠近原點(diǎn)一側(cè)銑出防錯(cuò)槽，如圖6所示。

3.3 型面銑削方向優(yōu)化

零件A面型面加工時(shí)由于B面已經(jīng)完成加工，因此，A面型面底部類(lèi)似于懸空加工，為確保A面型面加工時(shí)的剛性，A面走刀方式選擇沿零件長(zhǎng)向單向銑削，粗加工時(shí)從零件較厚一側(cè)向較薄一側(cè)加工；但在精加工時(shí)從零件較薄一側(cè)向較厚一側(cè)加工，并將零件型面分為3個(gè)區(qū)域，且由薄到厚處采用變切削參數(shù)的方式，如圖7所示。

4 蜂窩芯零件程編技術(shù)研究

4.1 蜂窩芯零件型面刀軌生成方法

蜂窩芯零件型面加工時(shí)一般采用定軸行切的方式加工，由于該刀具不具備底齒切削能力，加工過(guò)程中進(jìn)退刀應(yīng)控制在零件以外，避免刀具在零件內(nèi)部直接抬刀。

蜂窩芯零件型面刀軌主要是使刀具沿著型面進(jìn)行行切，因此可以采用截面法來(lái)獲取蜂窩芯零件型面刀軌的驅(qū)動(dòng)線，驅(qū)動(dòng)線獲取流程如圖8所示。

如圖9所示，在當(dāng)前加工坐標(biāo)系下，以蜂窩芯零件輪廓端面作為基準(zhǔn)平面，然后依據(jù)切削寬度從基準(zhǔn)面開(kāi)始設(shè)置不同的偏置面，使設(shè)置的偏置面與蜂窩芯零件型面的構(gòu)造幾何面相交，得到兩個(gè)幾何面的相交線。為避免刀具與零件毛坯發(fā)生碰撞干涉，刀具切出零件的區(qū)域不能太長(zhǎng)，以免與退刀槽另一側(cè)發(fā)生干涉。因此，需要以退刀槽緊貼零件邊線的一側(cè)設(shè)置驅(qū)動(dòng)線的終點(diǎn)位置，同時(shí)為了避免刀具在零件內(nèi)直接抬刀，可設(shè)置一定的偏置值，以退刀槽側(cè)面為基準(zhǔn)，設(shè)置驅(qū)動(dòng)線的終止面，然后使終止面對(duì)前面生成的驅(qū)動(dòng)線進(jìn)行裁剪，從而得到零件型面加工的驅(qū)動(dòng)線。

則，刀軌的數(shù)量(驅(qū)動(dòng)線的數(shù)量)可以依據(jù)零件的大小、加工的切削寬度和加工的刀具直徑獲得。假設(shè)刀軌的數(shù)量為N，零件長(zhǎng)向的最大距離為L(zhǎng)，切削寬度為Ae，加工刀具直徑為D，則刀軌的數(shù)量可以表示為：

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(4)

式中：[]表示取整符號(hào)。

4.2 型面加工刀具傾角獲取方法

蜂窩芯結(jié)構(gòu)件型面在加工過(guò)程中，由于其加工刀具底齒不具備切削能力，在加工過(guò)程中需要沿切削方向設(shè)置一定的傾角，如圖10所示。

根據(jù)蜂窩芯結(jié)構(gòu)件的型面與驅(qū)動(dòng)線，將驅(qū)動(dòng)線進(jìn)行參數(shù)化劃分，得到細(xì)分的數(shù)據(jù)點(diǎn)，即獲取驅(qū)動(dòng)線上的點(diǎn)集為：

P(P1,P2，…)=f(L(u))

(5)

式中：P(P1,P2，…)為點(diǎn)集，L(u)為驅(qū)動(dòng)線。

然后獲取所有點(diǎn)在型面中的法矢為：

(6)

(7)

則點(diǎn)在當(dāng)前加工方向上刀具所必須保證的理論角度為：

(8)

在型面加工過(guò)程中，機(jī)床一般選用定軸加工，因此驅(qū)動(dòng)線上所有點(diǎn)的理論角度需選擇最大的角度，且刀具加工時(shí)傾角較理論角度大5°，則刀具加工型面的傾角為：

Angtool=MAX(Ang(Ang1,Ang2,…))+5

(9)

5 典型蜂窩芯零件應(yīng)用案例

本文以典型飛機(jī)中使用的蜂窩芯零件為應(yīng)用對(duì)象，針對(duì)具體的蜂窩芯零件，從加工效率、一次交檢合格率、制造成本方面與傳統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 凸臺(tái)搭接方案與傳統(tǒng)方案對(duì)比

基于凸臺(tái)搭接的蜂窩芯零件數(shù)控加工工藝技術(shù)所加工的蜂窩芯零件如圖11所示，其加工后的幾何尺寸、表面質(zhì)量等均滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。此外，本文所述技術(shù)的應(yīng)用，蜂窩芯零件可完全取消專(zhuān)用工裝的使用，并提高了蜂窩芯零件的加工質(zhì)量和效率，降低了制造成本，改善了生產(chǎn)環(huán)境。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前蜂窩芯零件加工中存在的不足，通過(guò)對(duì)蜂窩芯零件的固持及加工方法進(jìn)行分析研究，結(jié)合蜂窩芯材料切削的特點(diǎn)，提出一種基于凸臺(tái)搭接的加工工藝方案。在凸臺(tái)搭接的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了其毛坯尺寸的選擇、工藝路線、加工參數(shù)選擇和程編技術(shù)等內(nèi)容，最終形成了一整套基于凸臺(tái)搭接的蜂窩芯零件數(shù)控加工工藝解決方案，并在相關(guān)零件上進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用，不僅提高了零件的加工質(zhì)量和效率，降低了制造成本，改善了加工環(huán)境，而且對(duì)飛機(jī)蜂窩芯零件的生產(chǎn)起到積極的推進(jìn)作用。未來(lái)將對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升零件加工質(zhì)量和效率。