復(fù)雜曲面透明件數(shù)控加工固定方法研究

靳永強(qiáng)，徐飛飛，劉其廣

（北京航空材料研究院，北京 100095）

1 概述

隨著航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，航空透明件外形越來(lái)越趨向于復(fù)雜曲面，給透明件的生產(chǎn)制造增加了難度[1]。航空透明件作為飛機(jī)的主要零件，其成形完成后的邊緣加工，原來(lái)主要采用手動(dòng)工具切割、人工打磨的方式進(jìn)行，該方法效率較低，并且加工精度不高。21世紀(jì)初，中國(guó)加入WTO后，受國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)的沖擊，國(guó)內(nèi)開(kāi)始陸續(xù)興起數(shù)控加工技術(shù)的使用[2]。

現(xiàn)階段，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)在各行各業(yè)大量應(yīng)用，其本身可以具有較高的精度。但是制件在機(jī)床上的定位和固定方法，會(huì)直接影響制件的加工精度和加工效率。本文針對(duì)透明件數(shù)控加工過(guò)程中的定位和固定方法進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)固定方式，密封圈的選擇和工裝結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等方面的研究，提高了透明件固定的可靠性和快捷性，提高了加工效率。

2 問(wèn)題描述

透明件在加工過(guò)程中需要專門(mén)的夾具夾持后，才可方便的加工。加工夾具的結(jié)構(gòu)形式對(duì)加工效率和加工質(zhì)量有較大的影響。飛機(jī)透明件主要采用有機(jī)玻璃制造，大多具有復(fù)雜曲率不規(guī)則外形的特點(diǎn)。有機(jī)玻璃材料成型后會(huì)存在一定程度的回彈，成形后邊緣會(huì)存在與理論外形無(wú)規(guī)律的偏差，造成加工過(guò)程中透明件的可靠固定具有一定的難度。

3 定位和固定方法

加工工裝的作用為托起和固定制件，輔助機(jī)床對(duì)透明件進(jìn)行有效加工。加工工裝根據(jù)透明件的成形工藝，可設(shè)計(jì)為凸?；虬寄?。加工工裝主要是解決制件準(zhǔn)確定位和可靠固定的問(wèn)題。

3.1 定位方式

透明件和加工工裝的定位準(zhǔn)確性，對(duì)透明件的加工質(zhì)量直接的影響，如定位不準(zhǔn)確會(huì)造成邊緣臺(tái)階厚度不均勻，輪廓邊界偏離理論曲面等問(wèn)題?，F(xiàn)在常用的定位方式包含銷定位和基準(zhǔn)線定位兩種方式。本文對(duì)上述兩種定位方式進(jìn)行了研究。

銷定位具有定位準(zhǔn)確，實(shí)施方便的優(yōu)點(diǎn)。但是由于航空用有機(jī)玻璃相對(duì)金屬為脆性材料，試驗(yàn)過(guò)程中采用手持電動(dòng)工具手工打孔時(shí)，部分制件出現(xiàn)了孔壁及邊緣產(chǎn)生裂紋、崩邊等損傷（特別是定向有機(jī)玻璃，更容易產(chǎn)生上述問(wèn)題），如裂紋擴(kuò)展可能造成透明件的報(bào)廢。

基準(zhǔn)線定位的方式，通過(guò)在成形和加工工裝的相同位置預(yù)留基準(zhǔn)線。該方法具有劃線簡(jiǎn)單方便，不損傷制件的優(yōu)點(diǎn)，但定位精度受操作人員和劃線工具的影響。

3.2 固定方式

復(fù)雜曲率透明件雖然在成形后邊緣會(huì)存在與理論外形無(wú)規(guī)律的偏差（以下簡(jiǎn)稱貼模度偏差），但在小范圍內(nèi)外形變化不大的特點(diǎn)。針對(duì)透明件的外形特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了弓形夾夾持、邊緣粘接和真空吸附三種固定方式進(jìn)行研究。

3.2.1 弓形夾夾持

在工裝周邊設(shè)計(jì)夾持位置，弓形夾均勻分布在透明件的四周，夾持示意圖如圖1所示。經(jīng)驗(yàn)證，弓形夾夾緊后可以基本消除透明件和工裝的貼模偏差，在加工過(guò)程中該夾持方式可有效固定透明件。但是弓形夾會(huì)占據(jù)部分邊緣位置，造成周邊輪廓不能一次加工完成。

圖1 弓形夾夾持示意圖

3.2.2 邊緣粘接

在工裝周邊預(yù)留粘接區(qū)域，通過(guò)邊緣粘接的方式固定透明件，如圖2所示。采用邊緣粘接的方式固定制件，可快速實(shí)現(xiàn)透明件的固定，并且透明件的貼模公差對(duì)粘接固定無(wú)影響，但邊緣粘接的方式不能消除透明件和加工工裝的貼模偏差。

本方案中對(duì)粘接膠的要求較高，要求粘接膠能夠同時(shí)粘接金屬工裝和有機(jī)玻璃透明件，并且加工完成后可以很方便的清理粘接膠。

由于該方法不能消除透明件和加工工裝制件的貼模間隙，如存在圖2所示的上表面加工區(qū)域，貼模度的公差將直接影響加工精度。因此該方法只適用于加工貼模度較好的透明件，或者曲率變化平緩的透明件邊緣輪廓，因此使用該方法具有較大的局限性。

圖2 粘接固定示意圖

3.2.3 真空吸附固定

真空吸附的固定方式，現(xiàn)已大量使用平面玻璃的加工過(guò)程。該方式具有固定快速，對(duì)加工區(qū)域不產(chǎn)生影響，加工完成后清理快速的優(yōu)點(diǎn)，并且真空吸附力更加有利于透明件和工裝的貼合。但該方式對(duì)形面的貼合度要求較高，如貼合間隙過(guò)大，常常會(huì)出現(xiàn)難以固定或吸附不穩(wěn)定的情況。

密封圈的選擇是解決貼模偏差的有效補(bǔ)充。本文選用了不同結(jié)構(gòu)的密封圈，研究了密封圈結(jié)構(gòu)，對(duì)透明件貼模偏差的補(bǔ)償性能。

普通密封圈一般都為“O”型圈，放置到密封槽后凸出的高度基本相同。本文首先采用普通的“O”型圈，對(duì)復(fù)雜曲率透明件進(jìn)行吸附穩(wěn)定性試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)證，制件很難吸附固定在加工工裝上。造成該問(wèn)題的原因可能為復(fù)雜曲率透明件本身剛性不足，吸附過(guò)程中只有部分區(qū)域與密封圈貼合。

針對(duì)普通“O”型圈的問(wèn)題，經(jīng)調(diào)研本文選用了充氣式的密封圈，此密封圈吸附過(guò)程中具有較大的彌補(bǔ)貼模偏差的能力，并且在自然狀態(tài)下可收縮在凹陷的槽內(nèi)，有利于檢查透明件各個(gè)區(qū)域與工裝的貼模偏差。充氣式密封圈的典型結(jié)構(gòu)和參數(shù)表1所示。

表1 充氣式密封圈典型結(jié)構(gòu)

本文采用厚度在4mm～10mm范圍內(nèi)的有機(jī)玻璃透明件進(jìn)行吸附試驗(yàn)。在工裝周邊放入上述4種充氣式密封圈進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證上述密封圈結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)透明件的吸附固定。但是，1號(hào)和2號(hào)密封圈吸附較薄厚度的透明件過(guò)程中，需要在透明件吸附區(qū)域施加較大的壓力，才能夠吸附固定。對(duì)比四種密封圈的結(jié)構(gòu)，1和2號(hào)密封圈的寬度較寬，且接觸面區(qū)域較大，其截面構(gòu)型更適合于外形偏差較大、具有較高剛度的制件。3號(hào)和4號(hào)密封圈，密封接觸面的面積較小，更有利于接觸制件形成密封區(qū)域，對(duì)剛度較低的透明件更有優(yōu)勢(shì)。

因此選擇合適的密封圈后，采用真空吸附的方式可以有效固定透明件，并且真空吸附的壓力可以有效減小透明件的貼模度偏差。

4 固定穩(wěn)定性分析

刀具在切削制件過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的切削力。如制件不能有效克服切削力，會(huì)造成加工過(guò)程中制件移動(dòng)，從而影響加工質(zhì)量。吸附區(qū)域越大，更有利于加工穩(wěn)定。但定位區(qū)域增大后，其貼模度變化相對(duì)更大，不利于制件的吸附固定。并且吸附屈原變大也可能引起制件變形的風(fēng)險(xiǎn)。

透明件吸附定位后真空度一般可達(dá)到10000Pa一下。真空區(qū)域產(chǎn)生的壓力大于0.9個(gè)大氣壓產(chǎn)生的摩擦力。研究表明鋁合金材料采用較好的切削參數(shù)，高速切削其切削力約200-400N[3]。

參考切削力經(jīng)驗(yàn)公式；

式中 B—銑削寬度，CP—工件材料對(duì)切削力影響系數(shù)，K—刀具前角對(duì)切削力的影響系數(shù)，K1—切削速度對(duì)切削力的影響系數(shù)，fz—每齒進(jìn)給量，z—刀具齒數(shù)。參考金屬的切削的影響系數(shù)（取值80），經(jīng)計(jì)算其切削力小于100N。

根據(jù)壓力和摩擦力的換算。摩擦力大于切削力即可滿足固定制件的要求。

其中S1=C×（d1×2）；

F為摩擦力；μ=0.2為摩擦系數(shù)；P為壓力差；S1為密封圈貼合面積；S2真空吸附區(qū)面積；d1為密封圈貼合寬度，d2為真空吸附區(qū)寬度。C為密封圈周長(zhǎng)。

根據(jù)公式2計(jì)算，推薦真空吸附區(qū)域在密封圈接觸面積的3～6倍，一般可滿足透明件吸附固定的可靠性要求。根據(jù)上述結(jié)論，設(shè)計(jì)透明件加工工裝進(jìn)行驗(yàn)證，采用表1中的3號(hào)密封圈可有效吸附固定透明件。加工過(guò)程中制件狀態(tài)穩(wěn)定，加工的要素能夠滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

（1）透明件和工裝的定位，采用基準(zhǔn)線定位的方式，更有利于透明件的制造。

（2）經(jīng)過(guò)多種固定方式的對(duì)比，真空吸附的固定方式，工藝性較高，效率更高。

（3）對(duì)比多種密封圈結(jié)構(gòu)，選擇出了適宜固定透明件的密封圈結(jié)構(gòu)。

（4）提出了推薦的真空吸附區(qū)域參數(shù)。

（5）對(duì)提升復(fù)雜曲面透明件的制造效率，具有一定的指導(dǎo)意義。