某大型一體化結構件的數(shù)控加工技術

崔洋，趙軍，卜慶奎，孫麗敏，李亞宏

航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司

1 引言

質(zhì)量是飛機的一項重要指標，直接影響飛機的性能、強度、疲勞壽命和成本，有數(shù)據(jù)顯示，飛機結構質(zhì)量每減輕1%，性能可提高3%～5%。零件的一體化設計能夠減少飛機零部件的數(shù)量，取消角盒、鉚釘和螺栓等連接零件，是降低飛機重量的有效措施[1-3]。某一體化結構件是在該設計思路下誕生的新型零件，相對于傳統(tǒng)框、梁零件，其在結構形式上進行了大膽創(chuàng)新，首次將鈦合金框和梁設計為一個整體。鑒于其特殊的結構特征，國內(nèi)外鮮有類似結構鈦合金零件加工制造的相關經(jīng)驗可供借鑒，使其成為飛機機械加工領域的關鍵難點問題。因此，進行某一體化結構件的數(shù)控加工技術研究，實現(xiàn)該零件的數(shù)控加工制造迫在眉睫。

某一體化結構件有左、中、右三段，經(jīng)線性摩擦焊形成一個整體，兩條焊縫分布在框板上，梁結構整體保留。線性摩擦焊是由慣性摩擦焊衍生出的一種新型固相連接技術，主要用于航空發(fā)動機葉盤的焊接和修復，在飛機結構件上的應用相對較少[4]，該結構件是國內(nèi)首次應用該項技術進行飛機大型結構件的焊接。零件在結構上呈十字交叉狀，將傳統(tǒng)飛機零件由近似二維平面拉伸至三維體結構，立式機床中只有具備極高Z向行程的機床才能實現(xiàn)該零件的數(shù)控加工，該難加工零件的交叉半封閉區(qū)見圖1。

圖1 某一體化結構件交叉區(qū)域

2 關鍵技術分析

2.1 數(shù)控加工刀具可達性

刀具可達性差是制約未來飛機零件數(shù)控加工制造的瓶頸問題[5]。采用常規(guī)方法加工該零件時，受限于刀具的旋轉體結構，只能實現(xiàn)垂直于主軸和沿主軸兩個方向的有效切削，導致在零件交叉區(qū)域有殘留，這部分無法直接加工的區(qū)域被稱為不具備刀具可達性區(qū)域。該結構件交叉區(qū)域的半封閉槽腔是典型難加工結構，僅依靠機床主軸的自由度會存在較大的刀具不可達區(qū)域(見圖2)。三維尺寸接近和交叉區(qū)域半封閉結構是該零件的典型難加工特征，實現(xiàn)某一體化結構件全區(qū)域的刀具可達是該零件數(shù)控加工技術的關鍵。

圖2 刀具旋轉體有效切削方向

2.2 保證制造精度

零件的制造公差直接關系到零件加工的難易程度和加工效率[6]。某一體化結構件的制造精度相較之前有了明顯提升，同時由于零件結構復雜以及焊接熱的影響，加工過程中存在一定程度的變形，需要在工藝流程設置上進行更為合理的安排才能保證最終的尺寸和形位精度。此外，零件加工涉及多工位，工位轉換時產(chǎn)生的偏差極易導致零件最終尺寸超差，需要設置精準可靠、可操作性強的基準傳遞和校驗方法。在保證加工效率的前提下實現(xiàn)工程的制造精度是該結構件數(shù)控加工的另一項關鍵技術。

2.3 控制碰撞風險

切削加工時，一體化結構件占據(jù)了機床Z向的全部行程，所以在加工過程中機床主軸無法跨越零件進行加工，機床、主軸和刀具組成的加工系統(tǒng)在零件內(nèi)部進退刀和空走刀。同時，在進行零件交叉半封閉區(qū)域的加工時，機床需要經(jīng)常變化主軸角度來提高刀具可達范圍。這使得零件在數(shù)控加工時機床與零件的碰撞風險相對于普通零件上升了一個數(shù)量級。規(guī)避和控制零件加工過程中的碰撞風險，是數(shù)控加工一體化結構件過程中需要重點關注的問題。

3 數(shù)控加工技術方案

3.1 實現(xiàn)數(shù)控加工全域可達

角度頭是一種能夠在不改變機床結構的前提下拓展機床加工能力的機床附件，其結構類似于能夠轉換主軸方向并連接刀具的特殊刀柄，通過內(nèi)部的渦輪蝸桿傳動實現(xiàn)主軸反轉和角度變換[7]。利用角度頭可以實現(xiàn)主軸方向的轉換，增加刀具可達角度，使之前無法加工的部位實現(xiàn)刀具可達。同時，經(jīng)角度頭轉換后，能夠增加機床主軸與零件的距離，減少機床與零件的相互干涉所帶來的可達性損失(見圖3)。但角度頭也存在一定的局限性，對所夾持刀具的直徑范圍和下刀深度有所限制，局部區(qū)域內(nèi)角度頭亦不具備良好的可達性。針對這些區(qū)域，加長刀柄和刀桿能夠進行良好的補充，覆蓋其不可達區(qū)域?？梢?，角度頭和加長刀柄的使用能夠顯著提高一體化結構件數(shù)控加工刀具的可達性，解決該結構件數(shù)控加工技術中最為關鍵的可達性問題。

圖3 機床主軸裝夾角度頭結構

3.2 控制制造精度

(1)多工位間基準的精準傳遞

零件結構復雜，需要四工位才能實現(xiàn)其加工制造，協(xié)調(diào)統(tǒng)一4個工位的加工基準是保證零件制造精度的基本要求。在零件的四工位轉換的軸線兩側分別設置兩處T型工藝凸臺，利用凸臺的4個表面和2個基準孔實現(xiàn)多工位的基準傳遞(見圖4)。

圖4 四工位基準轉換臺

在基準校驗層面設置基準校驗程序，用于多工位轉換后定位精度的驗證和評判(見圖5)。轉換基準后運行校驗程序，在零件4個方向的余量上進行銑削，加工后利用其與前一工位已加工表面的階差來判定基準傳遞的準確性，精度應不低于0.1mm。零件利用T形基準轉換臺實現(xiàn)基準傳遞，利用校驗程序進行基準驗證，徹底消除了多工位間基準傳遞偏差導致兩側筋條不等厚的質(zhì)量隱患，為零件精準制造奠定基礎。

圖5 四工位基準傳遞校驗方法

(2)合理設置線性摩擦焊機械加工補償余量

焊接和熱處理等熱過程通常會伴隨變形，某一體化結構件使用了線性摩擦焊的連接方法。線性摩擦焊是一種固相焊接方法，相對于熔焊具有變形量小的明顯優(yōu)勢，理論上可以將某一體化結構件的三部分全部加工至最終尺寸再進行焊接，最大化規(guī)避零件交叉結構帶來的刀具可達性降低。

由于該零件尺寸較大，經(jīng)過焊接試驗摸索和三坐標測量，零件左右段在焊接后存在一定偏移，最大偏離量為1～2mm，但中段梁身結構尺寸和位置未見明顯變化。因此，在試驗中，機加余量設為零件中段無余量，左右段整體預留3mm余量進行焊接，焊后再以中段為基準進行整體加工，不僅可利用機加余量補償焊接熱處理變形，保證零件最終的形位精度，同時將焊后余量限制在最小范圍內(nèi)，降低焊后整體加工工作量，提高零件加工效率。

3.3 控制碰撞風險

數(shù)控加工中，NC程序錯誤或操作人員誤操作等會導致機床組件與被加工零件、工裝夾具等環(huán)境設備之間發(fā)生碰撞，進而導致設備損壞和零件報廢[8]。模擬仿真分析能夠對零件的實際加工工況進行預演，避免該類問題的發(fā)生。VERICUT數(shù)控加工仿真軟件能夠實現(xiàn)數(shù)控加工程序的驗證、檢查機床運動過程中的干涉、優(yōu)化刀具切削速度等功能。

進行實物的精確測量和建模，提高模擬仿真的置信度。由于該零件加工過程中與機床各部件距離極為貼近，只有對全要素進行精確建模才能模擬實際工況，避免碰撞發(fā)生。在仿真建模過程中，包括機床排風口等結構細節(jié)、角度頭止轉銷的位置等都需要納入其中。以角度頭模型中止轉銷的位置調(diào)整為例，模型導入后默認位置見圖6a，而實際加工時止轉銷則在圖6b所示位置，故仿真時需將角度頭模型依照實際狀態(tài)進行調(diào)整，以模擬實際加工的真實工況。刀具模型也需要保證與實際狀態(tài)完全一致，才能充分信任模擬仿真結果，實際測量后建立的部分刀具模型見圖6c。

(a)角度頭限位默認位置

進行全要素碰撞檢測，避免產(chǎn)生碰撞。普通框、梁零件模擬仿真過程中，一般只針對機床B軸擺角機構創(chuàng)建碰撞條件。某一體化結構件的數(shù)控加工過程中，整個機床的懸臂結構(包括C軸、Z軸滑移機構)與零件的距離均非常貼近，最小距離僅有2mm，這些結構都需要在仿真過程的碰撞檢測中添加并合理設置碰撞的間隙值(見圖7)。

圖7 結構件模擬仿真碰撞間隙

4 結語

針對某一體化結構件的數(shù)控加工技術研究突破了該零件實現(xiàn)加工制造的若干核心問題，主要研究成果如下。

(1)角度頭配合加長刀柄是增加刀具可達范圍的有效方法，能夠實現(xiàn)某一體化結構件的全區(qū)域刀具可達。數(shù)控加工過程中，由懸臂+加長刀柄/角度頭組成的刀具加工系統(tǒng)穩(wěn)定性對零件加工效率、表面質(zhì)量和刀具壽命影響較大，編程時需要注意控制其整體剛性并合理設置切削參數(shù)。

(2)全要素模擬仿真對于某一體化結構件的數(shù)控加工至關重要。相對于其他零件，某一體化結構件在數(shù)控加工過程中的碰撞風險呈指數(shù)級增加，包括主軸角度調(diào)整、機床懸臂大幅伸出和主軸探入零件內(nèi)部等，這在實際加工過程中無法依靠操作者人為觀察規(guī)避。所以，在軟件模擬仿真加工時，需要對加工環(huán)境所有因素進行精確建模和分析，提高仿真的置信度，利用全要素仿真控制碰撞風險。

(3)合理預留余量補償變形。由于無法精確控制該尺寸結構件的焊后變形，特別是焊接過程的振動部分，采用線性摩擦焊將結構件的三部分焊接為一個整體。相較于熔焊，線性摩擦焊的變形量能夠限制在相對較小的范圍內(nèi)且無須設置較大的余量包容焊接變形，提高了焊后加工效率，余量的設置需要依據(jù)工藝方法和零件結構合理安排。

(4)四工位加工基準統(tǒng)一有利于實現(xiàn)精準制造。零件數(shù)控加工過程中涉及4個工位，同時還存在焊接變形，一旦數(shù)控加工過程基準傳遞出現(xiàn)問題，會嚴重影響零件的加工效率甚至產(chǎn)生尺寸超差。本次研究應用T型基準傳遞臺進行基準傳遞并設置校驗程序，實現(xiàn)了零件多工位加工過程的基準統(tǒng)一。