飛行器長桁零件加工中的裝夾工藝

劉偉，張碧妮

1陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院智能制造學院；2大連外國語大學軟件學院

1 引言

長桁零件作為飛行器整體結(jié)構(gòu)件中的重要結(jié)構(gòu)件，承載著飛機縱向載荷，大量用于機翼、機身等結(jié)構(gòu)中。長桁結(jié)構(gòu)件毛坯制造一般采用擠壓型材和異形擠壓型材，型材毛坯不能包絡零件外形，無法單純采用機械加工的方法加工出零件，必須與成形結(jié)合使用，以便制造出的零件幾何形狀符合設(shè)計要求。

長桁零件作為飛行器大型結(jié)構(gòu)件中數(shù)量最多的機械加工零件之一，結(jié)構(gòu)特點顯著。該類零件整體多為柔性細長結(jié)構(gòu)，具有以下特點：結(jié)構(gòu)相似、截面尺寸小、壁板厚度小、長度方向尺寸大及裝夾困難，截面形狀復雜多變，結(jié)構(gòu)特征及幾何尺寸變化多樣，難以保證制造過程尺寸。這些特點導致長桁類零件成為飛行器各類結(jié)構(gòu)件中加工難度較大的零件[1]。

目前，國內(nèi)加工飛行器長桁零件的方法早期引自蘇聯(lián)的靠模銑加工，這種加工方法主要承擔國內(nèi)軍民機項目中的等截面且精度要求較低的長桁零件生產(chǎn)制造。無論從設(shè)備產(chǎn)能、精度，還是加工后零件的表面質(zhì)量來看，該靠模銑的加工方式(類似兩軸加工)均無法滿足目前飛行器長桁零件的加工要求[2]。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 長桁零件結(jié)構(gòu)及加工中的常見問題

如圖1和圖2所示，長桁零件按截面形狀大體分為z形、π形、t形和 h形這四種類型，國外某飛行器長桁零件采用端頭加強中間全長范圍內(nèi)變截面的結(jié)構(gòu)形式，用形狀公差和位置公差對零件全長范圍內(nèi)的零件外形尺寸進行控制。整個零件的長度達到12m，壁板厚度最薄處僅有1.2mm，零件全長范圍內(nèi)以零件曲面為基準進行面輪廓度誤差控制，要求面輪廓度誤差控制在0.76mm以內(nèi)，且每300mm范圍內(nèi)面輪廓度誤差≤0.3mm。

圖1 典型z形截面長桁

圖2 典型t形截面長桁

在截面尺寸小和支承剛度低的位置，零件在切削加工時容易出現(xiàn)嚴重的振紋，影響表面加工質(zhì)量。對于切削加工質(zhì)量難以保證的表面，一般選取相對保守的切削用量，但會導致加工效率低。在長桁零件銑削工藝參數(shù)的選擇上，國內(nèi)研究還較少。該零件的技術(shù)要求遠高于國內(nèi)各飛行器同類零件的設(shè)計要求，國內(nèi)現(xiàn)有長桁零件的制造工藝無法滿足該零件的加工要求，且尚不具備該類復雜高精度長桁零件的制造能力。

因長桁零件尺寸較大，截面壁厚尺寸變化大且不等厚，要完成所有結(jié)構(gòu)加工必須進行大角度多面切削加工，且裝夾過程中存在干涉問題。零件截面尺寸變化大、材料去除不均勻和細長條結(jié)構(gòu)整體折彎均會導致難以控制變形，給裝夾穩(wěn)定性、尺寸可控性都帶來極大困難；長桁外形一般由多個復雜曲面構(gòu)成，展開后呈弧形，零件裝夾時難以找到可靠的定位基準面，無法進行吸附夾緊，給裝夾設(shè)計帶來極大挑戰(zhàn)；零件結(jié)構(gòu)復雜，整體剛性弱，角度變化大，容易產(chǎn)生加工顫動[3-5]。

2.2 國內(nèi)長桁零件加工現(xiàn)狀

國內(nèi)企業(yè)缺乏使用專用銑床加工復雜長桁零件的經(jīng)驗，主要依賴國外提供的加工方案與專用夾具，試切結(jié)果不太理想。加工表面有階梯狀刀痕，加工后的表面粗糙度不符合要求。雖然真空吸附裝夾方式應用較成熟，但是在細長面上的吸附效果較差，夾緊剛度較弱，在沖擊載荷瞬時切入作用下會出現(xiàn)明顯刀痕，影響加工質(zhì)量。

采用專用夾具的特點是易保證加工精度，加工質(zhì)量穩(wěn)定性較好，針對性較強。但是，隨著長桁種類增多，每增加一種長桁需增加一套專用夾具，通常每套專用夾具有20多個附件，專用夾具數(shù)量多，制造周期長，加工過程中更換不同工件時需同時更換專用夾具，大大增加了工人的勞動強度，并增加制造成本，不符合高速、高效和綠色加工的趨勢。

實際加工中一般采用壓板進行夾緊，自動化程度低，夾緊力不易保證，夾緊效果一般，工人勞動強度大，夾緊工作煩瑣，通常一個工件約需40組壓板。因此，設(shè)計適合專用銑床的自動夾緊裝置能大大減少工人勞動強度和夾具設(shè)計制造時間，使夾緊效果均勻穩(wěn)定，減少輔助時間，有利于提高加工效率和降低生產(chǎn)費用。

實際裝夾時，支承跨距較大(約350mm)且裝夾時缺乏柔性，在精加工階段極易出現(xiàn)顫振，為避免切削失穩(wěn)，通常采用較保守的切削參數(shù)，即較小的切削深度、切削寬度及進給量，導致切削效率低。為此，有必要對跨距的選取原則和夾緊力選取方式進行研究，并設(shè)計柔性裝夾以減少夾緊變形，提高工件系統(tǒng)剛性，降低切削失穩(wěn)可能性[6-10]。

長桁零件的加工主要考慮以下方面:①確定加工方法；②充分考慮企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備；③針對長桁零件的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)綱領(lǐng)和精度等選擇設(shè)備。目前，無論國內(nèi)還是國外各飛行器生產(chǎn)企業(yè)，均采用銑削加工的方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單的單曲面長桁零件制造，長桁零件銑削加工包括:普通銑削、仿形銑削和數(shù)控銑削，其加工工藝流程如圖3所示。

圖3 飛行器長桁零件銑削加工工藝流程

無論從設(shè)備產(chǎn)能、精度以及加工后零件的表面質(zhì)量等方面來看，仿形銑削均無法滿足高精度長桁零件的加工要求。仿形銑削靠模銑設(shè)備故障頻繁，精度因使用磨損逐步下降，嚴重制約著現(xiàn)行生產(chǎn)，特別是設(shè)備的心臟——靠模儀，其故障至今無法解決，并且靠模銑床的生產(chǎn)工藝落后，零件表面與隨行銑具接觸的表面易產(chǎn)生拉傷，表面粗糙度Ra≥6.3μm，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，普通銑床機械加工工作量大且周期長。該加工方式的生產(chǎn)能力、幾何精度以及加工后零件的表面質(zhì)量均無法滿足各新研機型的設(shè)計要求。

目前，飛機制造公司在長桁類零件加工過程中，以去除表面拉傷及加工殘留問題等為目標的鉗工修整工作成為滿足設(shè)計要求的最終保證手段，但其效率低，而且質(zhì)量難以保證。同樣，因為不具備該類復雜高精度長桁零件的制造能力，直接導致很多公司被迫外購長桁零件以滿足高精項目的裝配需求。

2.3 解決長桁零件加工問題的優(yōu)秀案例

在航空制造業(yè)中，細長柔性結(jié)構(gòu)件的制造已經(jīng)廣泛采用五軸高速數(shù)控加工和加工后彎扭成型相結(jié)合的零件制造技術(shù)，數(shù)控加工過程為全封閉高速加工，裝夾技術(shù)采用自動化程度較高的裝夾形式。

國內(nèi)首次引進國際先進的長桁銑數(shù)控設(shè)備進行該類零件的制造時，對其制造過程中的液壓裝夾定位技術(shù)、機床編程管理及仿真、高級機床功能應用及細長型柔性結(jié)構(gòu)件的高效切削參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究尚屬空白。據(jù)統(tǒng)計，一架波音飛機約60種長桁，如果每種長桁都采用專用夾具，那么夾具數(shù)量將非常龐大，安裝夾具的時間也非常長，相應地制造成本也將增大。因此有必要針對長桁零件的通用、柔性裝夾方案進行深入研究，掌握飛機變截面、細長型長桁零件的高效數(shù)控加工技術(shù)，提高我國在該制造領(lǐng)域的水平，縮短與國際水平差距。

部分公司采用多個零點快換系統(tǒng)模塊化的精密智能夾具解決桁架零件銑削加工前的裝夾問題[11-20]。圖4～圖8為使用德國雄克(SCHUNK)公司生產(chǎn)的零點快換夾持系統(tǒng)對某飛行器桁架零件的裝夾過程。

圖4 某飛行器桁架零件

圖6 直接通過拉釘或拉釘延長塊夾持飛行器桁架零件

圖7 使用零點定位模塊對飛行器桁架零件進行快速裝夾

圖8 對裝夾好的飛行器桁架零件進行銑削加工

3 長桁只受重力時的應力分析

3.1 夾具與長桁的裝配

根據(jù)分析的受力條件將夾具按照一定間距擺放，使被夾長桁受力均勻，既可保證裝夾過程中長桁位置固定，又能夠很好地保證裝配精度。將長桁放入擺放好的夾具基座后旋緊上部半月板，將下部滑板移至長桁處壓緊，確保長桁徹底被固定，之后依次夾緊夾具。如圖9所示，將框架放置在裝夾好的長桁上，用角鐵輔助固定，使框架能夠更好地安裝于長桁上。之后，用鉚釘將其連接，使框架能夠緊密固定在上面；再將框架與長桁的其余部分照此固定即可。

圖9 夾具與長桁的裝配

3.2 自由狀態(tài)下的夾具與長桁零件數(shù)值分析

長桁的材料彈性模量為200GPa，泊松比為0.28，密度為7850kg/m3，長桁尺寸為1900mm×40mm×5mm的L形，如圖10所示。根據(jù)分析可知，撓曲線變形施加60kN力時，最大撓曲度為323mm，如圖11所示。圖12為在重力載荷下長桁結(jié)構(gòu)的應力分布云圖(991MPa)。

圖10 三維模型

圖11 擾度變化曲線

圖12 應力分布

3.3 長桁上打鉚釘孔后受拉力分析

L形長桁尺寸為1900mm×40mm×5mm，上面有多個直徑為φ6(左端約束及右端加載端發(fā)生變形)的鉚釘孔，如圖13所示。圖14為靜力等效應力分布云圖。可以看出，當FZ=-60000N時，最大應力為866MPa。長桁上裝有框架，角材打上鉚釘后，開始時的最小應力為380MPa(見圖15)，1min內(nèi)長桁的疲勞強度正弦應力塊譜見圖16。由圖17可知，1min結(jié)束后最大應力可達3369MPa。

圖13 長桁結(jié)構(gòu)三維模型

圖14 長桁結(jié)構(gòu)在重力載荷下應力分布

圖15 三維模型

圖16 應力圖譜

圖17 連接處應力分布

4 結(jié)語

(1)長期以來，因考慮材料釋放的內(nèi)部應力，飛行器長桁架類零件的生產(chǎn)效率都難以提升。如要使零部件釋放應力，則必須重復調(diào)節(jié)或完全更換夾具。采用德國雄克公司針對航空模塊的零點快換系統(tǒng)產(chǎn)品(VERO-S Aviation)可以保證五個面的自由加工，容易夾持且重復定位精度高，能保證較高的幾何精度、下拉力和夾緊力。

(2)該試驗方案最大的優(yōu)點是：將裝調(diào)工作量降至最低，能有效提高生產(chǎn)率。其核心元件包含補償夾持條帶，后者可實現(xiàn)精確的無變形夾持，無須手動費力調(diào)整，減小部件殘余應力，并在金屬切削期間可以減振。其設(shè)計思路在于，通過彈簧夾緊并得到氣動釋放，只需簡單張開模塊使部件松弛，即可在松開位置處重新夾緊。

(3)本文以典型L形長桁零件為研究對象，結(jié)合國內(nèi)使用飛機長桁類工件夾具的現(xiàn)狀，提出了一種L形長桁零件裝配的專用夾具設(shè)計方案。采用CAD軟件繪制二維平面零件和裝配圖，并編制專用夾具的工藝過程，采用ProE三維軟件繪制三維零件圖并進行三維模型的虛擬裝配，利用ANSYS軟件分析受力情況。在受重力情況下施加60kN力時長桁最大撓度為323mm，由于長桁上存在鉚釘孔，導致其承受能力大大降低，在施加相同大小的力時，應力急劇增大，彈性應力急劇減小，并且裝配體中各零件間均有接觸應力，其應力小于單個分析的應力，因此裝配后可用鉚釘連接長桁、框架和角材。將上述研究的裝配和仿真應用于飛機裝配仿真中，通過仿真說明該裝配技術(shù)的合理性和可行性。