蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)及制造工藝的應(yīng)用研究

鄭文雅 宋安源

（1.航空工業(yè)陜西飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司模線廠，漢中 723000；2.航空工業(yè)陜西飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司試飛廠，漢中 723000）

蒙皮結(jié)構(gòu)質(zhì)量直接決定飛機(jī)的空氣動(dòng)力特性，在一定程度上影響飛機(jī)受力結(jié)構(gòu)。飛機(jī)承受的氣動(dòng)荷載直接作用于蒙皮結(jié)構(gòu)，并通過(guò)蒙皮結(jié)構(gòu)傳遞至機(jī)身骨架。因此，蒙皮結(jié)構(gòu)加工制造是否精良尤為關(guān)鍵。蒙皮結(jié)構(gòu)加工制造要求較高，需注意控制蒙皮厚度，實(shí)現(xiàn)減薄減重，同時(shí)嚴(yán)謹(jǐn)處理下陷區(qū)等特殊區(qū)域。為滿足飛機(jī)蒙皮加工制造要求，可運(yùn)用鏡像銑切系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度質(zhì)量控制。

1 蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)的構(gòu)成

目前，化學(xué)銑切加工工藝已無(wú)法滿足飛機(jī)蒙皮高精度、無(wú)污染的加工要求，促使鏡像銑切系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。鏡像銑切系統(tǒng)在蒙皮壁厚銑薄、鉆孔、切邊加工中具有顯著優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)蒙皮厚度的精準(zhǔn)控制，輔以高柔性?shī)A具，能夠一體化完成蒙皮加工。飛機(jī)蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)由臥式機(jī)床、頂撐裝置以及柔性?shī)A具構(gòu)成，其中頂撐裝置主要作用于蒙皮工件，使下陷區(qū)域銑切處理時(shí)更加穩(wěn)定，用于保障加工精度。具體運(yùn)行期間，在臥式機(jī)床、頂撐裝置以及柔性?shī)A具集成協(xié)作的基礎(chǔ)上，飛機(jī)蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)進(jìn)一步引入厚度檢測(cè)和補(bǔ)償系統(tǒng)，以便及時(shí)檢查蒙皮厚度。鏡像銑切系統(tǒng)主要通過(guò)切削銑頭完成對(duì)蒙皮工件的加工處理。在切削加工期間，頂撐頭隨切削運(yùn)動(dòng)同步頂撐，提高加工穩(wěn)定性。在頂撐裝置內(nèi)部設(shè)置厚度檢測(cè)和補(bǔ)償系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)把控蒙皮厚度，最大限度保障蒙皮加工精度及剛性[1]。

2 蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)工藝

2.1 蒙皮減薄技術(shù)

減薄是蒙皮加工制造的核心要點(diǎn)。以往的化學(xué)銑切工藝借助化學(xué)介質(zhì)溶液腐蝕零件，使零件的尺寸及形狀符合技術(shù)需求，存在一定的污染且精度不足。由于化學(xué)銑切工藝涉及大量化學(xué)試劑、污染嚴(yán)重，飛機(jī)制造相關(guān)行業(yè)致力于蒙皮綠色制造工藝研究，經(jīng)長(zhǎng)期鉆研后，將多點(diǎn)柔性?shī)A持技術(shù)與數(shù)控銑切工藝集成整合形成蒙皮精確銑技術(shù)。然而加工實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，即使設(shè)置了夾持點(diǎn)，但蒙皮銑切期間無(wú)法避免會(huì)出現(xiàn)顫振、彈性形變問(wèn)題，導(dǎo)致蒙皮表面較為粗糙，且銑切精度未達(dá)到預(yù)期，因此需進(jìn)一步革新蒙皮減薄技術(shù)。在高精度銑切要求和綠色制造要求下，蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)配備的柔性?shī)A具附有真空吸盤(pán)，對(duì)蒙皮零件具有優(yōu)異的固定效果，且加工機(jī)床配備支撐裝置，用于控制銑切厚度，并規(guī)避工件變形問(wèn)題，控制切削顫振程度，確保蒙皮厚度加工的精細(xì)化程度，真正實(shí)現(xiàn)蒙皮零件減薄[2]。

2.2 鏡像銑支撐技術(shù)

蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)零部件切邊、鉆孔、厚度減薄，且可通過(guò)對(duì)厚度參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提高加工精度，屬于當(dāng)代先進(jìn)的加工技術(shù)。在整個(gè)蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)中，鏡像銑支撐技術(shù)發(fā)揮著重要作用。該技術(shù)是鏡像銑切系統(tǒng)與傳統(tǒng)銑切技術(shù)最本質(zhì)的區(qū)別，配備支撐系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒙皮表面質(zhì)量、尺寸精度以及表面形貌的精準(zhǔn)控制。當(dāng)機(jī)床加工頭銑切處理蒙皮零件時(shí)，支撐頭會(huì)對(duì)蒙皮零件進(jìn)行支撐并同步運(yùn)動(dòng)，使加工頭與支撐頭之間始終保持固定距離，從而精準(zhǔn)銑切蒙皮零件。蒙皮具有薄壁弱剛性，銑切加工期間極易出現(xiàn)彈性形變和顫振問(wèn)題，而支撐技術(shù)的應(yīng)用可減小彈性形變和顫振。當(dāng)蒙皮零件被真空吸附或柔性?shī)A持后，雖然可實(shí)現(xiàn)對(duì)蒙皮零件的初步固定，但是固定點(diǎn)位零散，致使蒙皮各個(gè)區(qū)域剛度受到夾持影響而出現(xiàn)差異，導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)特征發(fā)生改變，給支撐技術(shù)控制銑切穩(wěn)定性的保持造成一定難度。針對(duì)這種情況，蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)配備了超聲波厚度檢測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)蒙皮銑切厚度，提升支撐技術(shù)應(yīng)用效果。

蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)中的支撐技術(shù)在未來(lái)發(fā)展中可朝曲面自適應(yīng)方向發(fā)展。在鏡像銑切之前，借助專用可視化軟件對(duì)蒙皮零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光掃描，基于蒙皮真實(shí)型面規(guī)劃支撐頭運(yùn)動(dòng)路徑。在具體支撐過(guò)程中，支撐頭可能出現(xiàn)位姿誤差，可依靠曲面自適應(yīng)功能結(jié)構(gòu)保障其支撐效果[3]。

3 蒙皮鏡像銑切加工系統(tǒng)的工藝策略

3.1 選擇加工零件

3.1.1 零件結(jié)構(gòu)要求

為保障蒙皮鏡像銑切加工制造效果，需按照特定結(jié)構(gòu)特性要求選擇加工零件。首先，下陷區(qū)輪廓。所選蒙皮加工零件的下陷區(qū)轉(zhuǎn)角半徑最低值不可低于銑切刀具半徑。其次，型面光順程度。若零件表面存在明顯的凹凸?fàn)顓^(qū)域，則難以達(dá)到預(yù)期銑切加工效果。受過(guò)大型面曲率影響，蒙皮零件與主軸頭會(huì)產(chǎn)生相互干擾問(wèn)題。此外，蒙皮鏡像銑切加工系統(tǒng)所用刀具為平面端面，若蒙皮零件結(jié)構(gòu)型面呈凹凸?fàn)罨蚯蔬^(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致蒙皮零件各個(gè)位置與刀具之間無(wú)法維持同一距離，使蒙皮表面厚度加工出現(xiàn)偏差，大幅降低蒙皮加工制造質(zhì)量。最后，零件厚度適宜。較薄蒙皮零件的下陷區(qū)厚度要求嚴(yán)格，且厚度補(bǔ)償系統(tǒng)產(chǎn)生的處理效果存在差異。為保障蒙皮結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量，選用的加工零件厚度不可過(guò)薄[4]。

3.1.2 成型工藝選擇

飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)通常規(guī)模較大，現(xiàn)階段常運(yùn)用拉形成型和滾彎成型兩種工藝對(duì)蒙皮零件進(jìn)行成型處理。拉形成型是以拉形模為依據(jù)，借助拉伸機(jī)對(duì)零件毛料進(jìn)行拉伸處理。滾彎成型采用滾拉形式使零件毛料成型。相較而言，拉形成型工藝精度較高，成型效果優(yōu)異，所獲得的蒙皮變形程度較低，而滾彎成型在應(yīng)用期間會(huì)造成較大應(yīng)力且精度不佳。因此，運(yùn)用蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)進(jìn)行加工制造時(shí)，優(yōu)先選用拉形成型工藝，控制銑切加工變形，保障制造質(zhì)量與效率。

3.2 零件裝夾工藝

3.2.1 實(shí)施流程

完成蒙皮零件選擇后，需將其進(jìn)行裝夾處理。首先，取蒙皮零件置于多點(diǎn)柔性?shī)A持工裝，采用編程控制方式升起夾持工裝立柱，對(duì)零件形成支撐。其次，選用激光投影儀，借助其投影功能定位蒙皮零件輪廓線和中心線。再次，移動(dòng)蒙皮零件，使零件定位孔與激光投影所得定位孔保持重合狀態(tài)，繼而實(shí)現(xiàn)零件的精準(zhǔn)定位。最后，采用手工操作的方式，使柔性加持工裝能夠基于零件輪廓夾緊蒙皮零件，繼而完成零件裝夾處理。

蒙皮鏡像銑切加工系統(tǒng)裝夾工序的核心在于零件精準(zhǔn)定位和夾緊蒙皮零件。為保障蒙皮裝夾精準(zhǔn)度，可運(yùn)用激光投影輔助完成定位及裝夾工序[5]。

3.2.2 實(shí)施要求

在蒙皮鏡像銑切加工制造期間，零件裝夾是否精準(zhǔn)直接影響加工處理質(zhì)量，因此需嚴(yán)謹(jǐn)控制蒙皮裝夾工藝。第一，零件加工位置受支撐位置影響，在支撐工裝編程前，需科學(xué)確定支撐工裝與蒙皮零件之間的距離參數(shù)，確保零件加工時(shí)可位于機(jī)床行進(jìn)區(qū)域內(nèi)。第二，精確繪制輔助裝夾線?；诿善すぜ挾?、長(zhǎng)度方向，根據(jù)加持工裝距離確定投影點(diǎn)，圍繞投影點(diǎn)延伸10 cm，即可得出輔助裝夾線。第三，要求蒙皮工件裝夾期間保持無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。蒙皮加工處理期間，零件下陷區(qū)隨著加工程度的深化逐漸被去除，期間若蒙皮零件存在應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力會(huì)時(shí)刻變化。若蒙皮裝夾應(yīng)力較大，加工時(shí)極易出現(xiàn)形變。若形變超出補(bǔ)償范圍，則會(huì)影響蒙皮厚度加工精度，厚度超差后將大幅降低蒙皮質(zhì)量。因此，蒙皮鏡像銑切加工制造過(guò)程中，需盡可能做到無(wú)應(yīng)力裝夾。結(jié)合以往加工處理經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，裝夾應(yīng)力出現(xiàn)的基本原因在于未正確調(diào)整夾持工裝，導(dǎo)致夾持工裝與蒙皮零件形狀不相匹配造成局部應(yīng)力。為實(shí)現(xiàn)無(wú)應(yīng)力裝夾目標(biāo)，需注意落實(shí)夾持工裝的調(diào)整工序，以免受到裝夾應(yīng)力影響而發(fā)生難以處理的形變。

3.3 選擇專用刀具

刀具是完成蒙皮鏡像銑切加工制造的關(guān)鍵裝備。為保障銑切處理質(zhì)量，通常需結(jié)合蒙皮加工制造需求選擇專用刀具，用于削弱銑切顫振現(xiàn)象，提高銑切穩(wěn)定性。一般情況下，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的材料以合金材料為主。為控制銑切加工成本，順利排出銑切產(chǎn)生的碎屑，在蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)運(yùn)行期間可選用硬質(zhì)合金銑刀。這就要求銑刀具備大螺旋角特征。但是，為控制蒙皮厚度加工精度，使銑切過(guò)程盡可能平穩(wěn)，需優(yōu)先選用小螺旋角銑刀用于控制軸向力，避免蒙皮零件在銑切期間受力干擾發(fā)生移動(dòng)而降低切削補(bǔ)償效果。因此，在蒙皮鏡像銑切加工制造前，應(yīng)結(jié)合實(shí)際加工需求選擇合適的銑刀螺旋角度。此外，銑刀鋒利程度必須達(dá)標(biāo)，選用大前角切削刃用于控制切削力。結(jié)合以往加工制造經(jīng)驗(yàn)展開(kāi)分析，為控制刀具成本，減少刀具更換數(shù)量，需選擇高性能銑刀，如聚晶金剛石（Polycrystalline Diamond，PCD）刀具，其具有優(yōu)異的切削效果。完成加工處理后，蒙皮零件表面光順程度較高，且銑切過(guò)程平穩(wěn)，符合蒙皮鏡像銑切加工要求。

銑刀規(guī)格的選擇，直接影響蒙皮零件的處理。在選擇專用銑切刀具時(shí)，應(yīng)科學(xué)選擇銑刀直徑。結(jié)合實(shí)際銑切過(guò)程來(lái)看，機(jī)床支撐頭配備厚度檢測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)了解蒙皮厚度參數(shù)，并依據(jù)厚度檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)厚度檢測(cè)采用超聲波。為避免影響超聲波測(cè)厚精度，要求選用的銑刀直徑最小值需大于超聲波探頭直徑。

3.4 特殊區(qū)域處理

蒙皮鏡像銑切時(shí)存在兩個(gè)主要的特殊區(qū)域，即下陷區(qū)和開(kāi)口邊緣區(qū)。在加工制造過(guò)程中，需對(duì)這兩個(gè)區(qū)域特別處理。

3.4.1 下陷區(qū)處理

第一，借助激光掃描功能掃描非下陷區(qū)加工外表面，用于采集蒙皮零件外表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。第二，借助點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)點(diǎn)及噪點(diǎn)，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為依據(jù)重構(gòu)曲面，構(gòu)建蒙皮模型。第三，以構(gòu)建的幾何模型為依據(jù)確定工件設(shè)計(jì)模型、蒙皮零部件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。第四，觀察與確定蒙皮構(gòu)件下陷區(qū)理論刀路，基于此匹配特征補(bǔ)償?shù)堵?，繼而獲得下陷區(qū)真實(shí)加工刀路。第五，校驗(yàn)下陷區(qū)加工刀路，確認(rèn)符合要求后實(shí)施加工工序。

相較于常規(guī)區(qū)域，下陷區(qū)應(yīng)按照“由中至邊”的順序進(jìn)行加工。一方面，當(dāng)蒙皮結(jié)構(gòu)夾持固定后，蒙皮構(gòu)件邊緣裝夾時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的支撐效果，而蒙皮構(gòu)件中間支撐剛性相對(duì)較弱。如果下陷區(qū)邊緣位置加工先于中間位置，邊緣處進(jìn)一步被加工技術(shù)減薄，剛性降低，此時(shí)會(huì)對(duì)中間位置產(chǎn)生影響，大幅削弱蒙皮構(gòu)件中間位置的支撐剛性。為規(guī)避上述問(wèn)題，需按照“由中至邊”的順序加工制造。另一方面，“由中至邊”的加工順序能夠在一定程度上控制蒙皮構(gòu)件的形變程度，使蒙皮構(gòu)件四邊能夠維持受力平衡狀態(tài)。即使出現(xiàn)形變問(wèn)題，所表現(xiàn)出的形變程度大致均勻。若不按照此順序加工，則會(huì)引發(fā)受力不均現(xiàn)象，形變問(wèn)題嚴(yán)重，不利于飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)整體加工制造效果。

3.4.2 開(kāi)口及邊緣加工

與下陷區(qū)域一致，開(kāi)口及邊緣加工均需按照“由中至邊”的順序加工處理。首先，加工處理期間對(duì)蒙皮開(kāi)口及邊緣區(qū)域型面進(jìn)行掃描，獲取真實(shí)信息；其次，以理論刀路為依據(jù)補(bǔ)償?shù)堵?，得出適宜開(kāi)口及邊緣區(qū)域加工的實(shí)際刀路；最后，按照獲得的實(shí)際刀路進(jìn)行加工。

開(kāi)口及邊緣區(qū)域進(jìn)行加工時(shí)，需按照“由中至邊”的順序，由零件中部區(qū)域開(kāi)始加工，隨后逐漸向外延伸，繼而完成整個(gè)開(kāi)口及邊緣區(qū)域的加工處理。切割該區(qū)域輪廓過(guò)程中，需做好毛料及零部件的對(duì)接，在夾爪位置增設(shè)連接筋，用于提升裝夾強(qiáng)度，同時(shí)起到控制零部件形變的作用。需要注意，應(yīng)一次完成邊緣及開(kāi)口等輪廓位置的切割，并將邊界余量控制在0.5 mm 左右，以提升輪廓位置的銑切精度。

4 結(jié)語(yǔ)

蒙皮作為飛機(jī)重要的外形部件，其加工制造質(zhì)量及精度至關(guān)重要。借助蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)制造時(shí)，應(yīng)科學(xué)運(yùn)用蒙皮減薄技術(shù)和鏡像銑支撐技術(shù)，合理選擇加工零部件，明確裝夾工藝流程及要點(diǎn)，同時(shí)做好銑切專用刀具的科學(xué)選擇，特別處理下陷區(qū)和開(kāi)口邊緣區(qū)域，將精細(xì)化理念融入蒙皮制造工藝，確保蒙皮制造質(zhì)量及效率。