垂尾隔板的數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)

祝博，李華龍，卞偉宇

航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司

1 引言

隨著國(guó)際局勢(shì)的日益嚴(yán)峻，我國(guó)迫切需要更先進(jìn)的飛行器。從結(jié)構(gòu)方面看，現(xiàn)代飛行器的氣動(dòng)外形趨于簡(jiǎn)潔，由平垂尾布局向無尾布局發(fā)展；從功能方面來看，現(xiàn)代飛行器將更注重智能、隱身和無人駕駛等性能。而輕量化設(shè)計(jì)可以帶來更好的操控性，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能產(chǎn)生更大的加速度，從而提升飛行器的最大速度以及續(xù)航。按照輕量化的設(shè)計(jì)理念，飛行器整機(jī)的結(jié)構(gòu)樹應(yīng)趨于扁平化，減少裝配層級(jí)，減少各種連接件以及標(biāo)準(zhǔn)件的使用，從而達(dá)到減重的目的。因此，現(xiàn)在的飛行器結(jié)構(gòu)件都趨于一體化設(shè)計(jì)，整機(jī)零件數(shù)量大幅減少，但單個(gè)零件的制造難度成倍增長(zhǎng)。

2 零件分析

2.1 零件基本信息

零件材料為鋁合金板材，材料牌號(hào)為7050-T7451，材料標(biāo)準(zhǔn)為GJB1741A—2018，材料規(guī)格δ=100mm。零件外廓尺寸為580mm×210mm×90mm，由于設(shè)計(jì)給定的纖維方向比較特殊，則毛料尺寸為640mm×450mm×100mm，毛料重量為149.861kg，加工后重量為1.248kg，金屬去除率達(dá)99.2%。

2.2 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該零件處于垂尾前部與機(jī)身的連接位置，起連接和支撐的作用。按照以往的設(shè)計(jì)理念，該零件至少應(yīng)拆分為兩部分，之間用角材以及螺栓進(jìn)行連接，而整體化設(shè)計(jì)有利于減重且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高。零件一側(cè)深槽的深度達(dá)80mm，另一側(cè)尖端端頭與腹板的垂直距離達(dá)260mm，尖端處存在窄槽、薄壁結(jié)構(gòu)，槽寬最窄處7.3mm，壁厚最薄處0.85mm。零件大部分底部圓角為R3，側(cè)面圓角為R6。

2.3 零件加工難點(diǎn)

該垂尾隔板零件為飛機(jī)垂尾前部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，必須使用專用銑夾才能加工，該零件難點(diǎn)包括：①零件六面加工，大量表面需使用C擺角機(jī)床加工，擺角范圍達(dá)90°～100°；②零件無合適的壓緊位置，工藝凸臺(tái)的位置捉襟見肘；③零件工藝可達(dá)性極差，大部分位置加工時(shí)需要長(zhǎng)刀配長(zhǎng)套，極限位置需刀尖距主軸頭端面260mm以上，加工時(shí)顫刀嚴(yán)重；④零件端頭緣條開口狹窄，最窄處7mm，且該處緣條厚度僅0.85mm，厚度尺寸難以保證。

3 確定加工方案

3.1 數(shù)控設(shè)備的選用

加工此項(xiàng)零件需使用C擺角設(shè)備，結(jié)合零件的尺寸以及所需的擺角范圍，選擇FZ37機(jī)床，控制系統(tǒng)為SINUMERIK 840D，主軸功率173kW，主軸最高轉(zhuǎn)速24000r/min，A擺角范圍為±110°，C擺角范圍為±360°，行程范圍為8000mm×3000mm×1000mm，定位精度為0.02mm。

3.2 零件的裝夾定位以及工裝設(shè)計(jì)

零件為板材加工，對(duì)板材進(jìn)行粗加工需留出工藝凸臺(tái)以及工藝孔，利用專用工裝進(jìn)行后續(xù)加工。零件的定位方式以及工裝結(jié)構(gòu)的主要過程如下。

(1)確定定位方式：采用“兩孔一面”的定位方式，在粗加工時(shí)預(yù)留三處工藝凸臺(tái)，零件兩端和中間各一個(gè)。因?yàn)榱慵粋?cè)端面非常小，連接穩(wěn)定性較差，所以選擇其他兩個(gè)凸臺(tái)開工藝孔作為定位基準(zhǔn)，選擇零件中間的工藝孔中心為加工基準(zhǔn)，工裝上對(duì)應(yīng)的定位銷為圓形銷，另外一個(gè)工藝孔對(duì)應(yīng)的定位銷為菱形銷。

(2)確定裝夾方式：零件兩端為開敞地帶，可直接安排壓板在凸臺(tái)處壓緊，若中間的凸臺(tái)也用壓板壓緊，則零件腹板背面的三角槽無法加工。所以在此處需要設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)定位和壓緊的功能。因此，將此處的圓形定位銷改為定位軸栓(見圖1a)，其結(jié)構(gòu)類似于雙頭光桿螺柱，兩端皆有螺紋，中間為光桿且需保證外徑精度。此外，將傳統(tǒng)壓板結(jié)構(gòu)改進(jìn)為Z字形壓板(見圖1c)，降低了螺栓、螺母以及壓板的高度，以便盡可能地選用較短刀具進(jìn)行加工，從而提高加工時(shí)刀具的穩(wěn)定性。

(a)定位軸栓

(3)設(shè)計(jì)輔助支撐塊：由于零件結(jié)構(gòu)有些頭重腳輕，僅靠三處工藝凸臺(tái)壓緊加工時(shí)可能出現(xiàn)振顫，所以在工裝上增加三個(gè)輔助支撐塊，并利用螺栓進(jìn)行反拉固定(見圖1b)，該結(jié)構(gòu)在加工時(shí)既可以提供足夠的支撐，又可以提供向下的拉力，進(jìn)一步確保了加工的穩(wěn)定性。

此外，零件側(cè)面的深槽是利用機(jī)床A軸和C軸的擺角范圍，將主軸頭降至零件以下，從側(cè)面進(jìn)行加工。同時(shí)要求將零件墊起一定的高度，保證機(jī)床主軸頭在Z向有足夠的運(yùn)行空間。在考察機(jī)床實(shí)際參數(shù)后，確定工裝定位面與工裝底板的階差為500mm，即將零件墊高500mm。

3.3 加工順序

合理的加工順序?qū)α慵募庸べ|(zhì)量非常重要。該項(xiàng)零件的加工流程設(shè)計(jì)為：①上工裝前，毛料直邊為加工基準(zhǔn)，雙面粗加工零件在XY平面的外輪廓，工藝凸臺(tái)上下表面精銑到位，帶輔助支撐塊的零件外形面精銑到位；②上工裝后，加工基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為中間的工藝孔，粗精加工零件外形，主軸頭擺90°角粗精加工兩側(cè)面的深槽，特殊刀具補(bǔ)銑特殊位置，然后切斷。加工流程見圖2。

(a)粗加工仿真

4 編制數(shù)控程序

4.1 刀具選擇及參數(shù)確定

刀具的選擇需要結(jié)合設(shè)備種類、實(shí)際零件的加工需求進(jìn)行綜合考量，試驗(yàn)采用高速五軸立式龍門加工中心和適用于高速銑床的硬質(zhì)合金立銑刀。需綜合考慮不同的刀具材料和被加工材料選擇切削參數(shù)。具體刀具選擇以及相關(guān)參數(shù)見表1。

4.2 曲面外形表面質(zhì)量?jī)?yōu)化

該零件外形的表面質(zhì)量要求較高，曲面外形采用行切方式加工，但使用行切指令要想達(dá)到較高的表面粗糙度，編程時(shí)需要設(shè)置很小的行切步距值(Distance between paths)，導(dǎo)致程序運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。為了既保證加工質(zhì)量，又盡可能地壓縮程序運(yùn)行時(shí)間，將行切指令的計(jì)算模式由Distance on part改為Scallop height，即殘余高度(見圖3a)。殘余高度是指相鄰兩次走刀之間殘余的未加工部分，從銑切截面的幾何圖形分析可知，切削刃的截面與被加工表面相切，殘余部分的面積就是先后兩個(gè)切削刃和被加工表面之間行程的封閉區(qū)域。被加工表面是固定的，只需增大切削刃的實(shí)際截面半徑，就可以減小殘余高度。

表1 刀具規(guī)格及參數(shù)

(a)殘余高度

以φ20R3銑刀為例，若刀具擺角方向所在平面與進(jìn)給方向垂直，則實(shí)際的切削刃半徑為R3，若刀具擺角方向與進(jìn)給方向在同一平面內(nèi)，則實(shí)際的切削刃半徑接近于R10，所以在實(shí)際編程時(shí)，可以將刀具擺角方向與進(jìn)給方向設(shè)在同一平面內(nèi)，以便大幅提升零件的表面質(zhì)量。

4.3 內(nèi)形難加工部位的處理

無論零件如何擺放，內(nèi)形面相對(duì)于腹板仍然是有開角和閉角的狀態(tài)，當(dāng)加工下側(cè)緣條內(nèi)形時(shí)，由于擺角空間充足，所有部位幾乎都可用立銑刀粗銑，球頭刀行切精銑，無不可達(dá)位置。但加工上側(cè)緣條內(nèi)形時(shí)，由于A軸的擺角范圍為±110°，即刀具向上挑的角度最大只有20°，導(dǎo)致有些閉角部位用常規(guī)刀具和常規(guī)銑切方法無法加工，只能采用特殊的加長(zhǎng)刀套加工。例如一處內(nèi)形側(cè)R6，使用φ12R3高速銑刀，加長(zhǎng)刀套長(zhǎng)度為200mm，再加上刀具本身的長(zhǎng)度，刀尖距主軸端面的距離超過260mm，加工穩(wěn)定性極差。而切削力是影響加工穩(wěn)定性的最主要因素，加工時(shí)切削力越大，刀具及工件振顫越嚴(yán)重，加工穩(wěn)定性越低。通過高轉(zhuǎn)速、小切深的加工策略可以有效地減小切削力，從而提升加工穩(wěn)定性，保證零件的加工質(zhì)量。

4.4 窄槽、薄壁位置的處理

零件端頭緣條開口狹窄，最窄處7mm，且該處緣條厚度極小，僅0.85mm，內(nèi)外形必須在同一工位加工，并盡量使用同一把刀，避免重復(fù)定位誤差、對(duì)刀誤差以及刀具直徑誤差對(duì)加工尺寸的影響。由于緣條開口最窄處僅7mm，經(jīng)過分析只能使用φ6R3直柄立銑刀進(jìn)行加工。由于刀具直徑僅為6mm，編制數(shù)控程序時(shí)需要精確控制每層的切削量和進(jìn)給速度，否則刀具非常容易折斷。經(jīng)過試切加工，確定切削深度為0.3mm，進(jìn)給量為200mm/min。

4.5 Z向超程的處理

由于專用工裝已將零件墊高500mm，而機(jī)床的Z向行程為1000mm，所以在以下兩個(gè)位置存在超程風(fēng)險(xiǎn)：在刀具長(zhǎng)度和刀套長(zhǎng)度都很大時(shí)，編程后要檢查換刀位置的Z值，計(jì)算此時(shí)主軸端面Z值是否已經(jīng)超過1000mm，如果已超程，可以適當(dāng)調(diào)整換刀點(diǎn)的高度；在同一個(gè)程序中，如需分別從工裝兩側(cè)進(jìn)行加工，需要自行設(shè)置兩段程序間的刀路軌跡(可用Point to point指令實(shí)現(xiàn))。

5 結(jié)語

一體化設(shè)計(jì)趨勢(shì)下的鋁合金結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，無法利用以前的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝方案設(shè)計(jì)。以某型號(hào)垂尾隔板零件的加工實(shí)踐為例，闡述了一體化零件的加工方法和流程，說明了Z字形壓板、定位軸栓及螺紋輔助支撐塊等特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，論證了其可行性，并從刀具參數(shù)設(shè)置、表面質(zhì)量?jī)?yōu)化以及難加工部位的解決方案等方面簡(jiǎn)述了工藝準(zhǔn)備中數(shù)控程序的編制及優(yōu)化過程。此垂尾隔板的加工方法解決了此類零件的加工難題，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效加工，為小批量多種類零件的研制與生產(chǎn)提供了可參考的技術(shù)方案。