C系列飛機固定器類零件數字化加工技術
2021-3-26 來源： 沈陽飛機工業（集團）有限公司 作者：鎖聰
摘要：為了解決C系列飛機固定器類零件加工困難的問題，設計了一種典型的數控加工工藝。針對特殊結構，設計制造專用刀具。借助三維CAM軟件，編制數控加工程序，合理制定刀具軌跡，生成數控機床專用NC代碼。利用幾何仿真軟件，對NC代碼進行仿真檢查，避免撞刀、過切等意外情況的發生。最后，對典型零件進行實際的切削加工，零件的尺寸精度及外形精度均符合設計圖樣要求，表明了此加工工藝的可行性，為C系列飛機固定器類零件的數控加工提供了一種典型的工藝方案。
關鍵詞：數字化加工；雙曲率；T型槽；數控編程；仿真檢查
0 引 言
C系列飛機固定器類零件共90余項，屬艙門附件，主要用于固定密封膠條。該類零件整體結構復雜，外形為復雜雙曲面，內部含帶曲率T型槽結構，加工困難。此外，零件各處厚度尺寸較小，加工過程中極易發生變形，尺寸精度和型面精度均不易保證。固定器類零件雖外形結構各不相同，但T型槽截面尺寸一致，屬于結構相似類零件，若找到一種穩妥可靠的加工方案，即可完成全部此類零件的加工。
1、 零件分析
固定器類零件整體數量較多，通過全尺寸分析，選出一項典型零件，包含了所有 該 類 零件的典型特征，以此零件為基礎，開展工藝研究，典型零件示意圖如圖1所示。
1.1 毛坯信息
零件由鋁合金預拉伸板材機加而成，材料牌號為7475 T7351 ，材料厚度為1.5 in（約38.1 mm）。考慮到零件裝夾及加工基準設置等多方面因素，毛坯尺寸需略大于零件尺寸，通過測量零件實際尺寸，最終確定毛坯長寬尺寸為350 mm×180 mm。毛坯材料為高強度鋁合金，加工性能尚可，屬于易加工材料。
1.2 典型結構特征
零件整體結構復雜，相對于平板零件，既有一定程度的彎曲，又有一定程度的扭曲，內外形均為復雜雙曲面。此外，最為突出的則是其T型槽結構，一般零件的T型槽為簡單直槽或單曲率T型槽，但該零件的T型槽跟隨其內外形面，為復雜雙曲率T型槽，這就給T型槽的加工帶來了極大的挑戰。雖然零件整體結構復雜，但是通過細致分析，也找到了一定規律。零件可近似看做一等截面結構，提取零件截面，沿著一條空間復雜曲線拉伸，即形成了三維幾何實體，零件構成示意圖如圖2所示。對零件三維構成的清晰分析，也為后續的加工帶來了新的思路。
1.3 零件尺寸及精度
零件屬薄壁結構，所有厚度尺寸均為1.5 mm，尺寸公差為±0.24 mm。考慮到零件的使用需求，需在T型槽內安放密封膠條，保證密封性，故其最重要的尺寸為T型槽槽口厚度，名義尺寸為3 mm，尺寸公差為±0.2 mm。此外，為了保證零件的順利安裝，對于外形曲面也有嚴格要求，外形曲面的面輪廓度要求為0.25 mm。
2、 加工方案
2.1 機床的選擇
該零件外廓尺寸較小，對機床工作臺尺寸及加工行程并無特殊要求，但其結構復雜，存在部分開角、閉角結構且角度較大，需選擇一臺五坐標數控機床才能完成零件的加工[1]。通過具體分析，零件加工過程中擺角最大處發生在T型槽加工過程中，A角行程需超過±50°，C角行程需超過±180°。為了保證加工的順利進行，選擇法國FOREST-LINE機床廠生產的五坐標數控加工中心加工此零件，其A角行程為±110°，C角行程為±360°，完全滿足加工需求。
2.2 刀具的選擇
零件的材料為高強度鋁合金，故選擇兩齒整體硬質合金立銑刀完成加工，針對零件不同區域，選擇直徑大小適宜的銑刀進行加工，盡量在刀具一次裝夾后完成全部工序內容，減少換刀次數，提高加工效率[2]。
針對零件的特殊區域———T型槽，則需設計制造專用的T型刀具。專用刀具的設計需完全匹配T型槽結構，T型槽具體尺寸如圖3所示。由于T型槽厚度為3 mm，底R為1.5 mm，若想完成加工，T型刀具的T型厚度與底R需與零件完全一致，而在刀具直徑上，則可以比T型槽寬度17.8mm略小，這樣可以分多次加工到位，減少每次加工量，保證T型槽內壁的加工質量。此外，T型槽開口寬度僅為9.7mm，還需考慮刀桿直徑，避免加工過程中發生撞刀。綜合以上因素，設計了一把專用T型刀具，具體的結構尺寸如圖4所示，刀具直徑為16 mm，刀具底R為1.5 mm，T型部分厚度為3 mm，刀具的尾部采用直柄夾持的方式，直徑同樣為16 mm，而在刀桿進入T型槽的部位則設置了縮頸，直徑為6 mm，這種設 計 方 式 既 保 證了刀具的整體剛性，又避免了加工過程中發生刀具碰撞，可以確保專用刀具順利完成T型槽的加工。
2.3 加工流程
零件需雙面加工 ，在正式加工前需確定加工基準。將板材毛坯上下表面銑平見光，作為Z向加工基準，銑出一長一短兩條直角邊，作為X向和Y向加工基準。在毛坯周邊布置若干壓板，進行軸向壓緊，壓入量不宜過多，約為10 mm，避免加工過程中刀具與壓板碰撞。由于壓板位置均設置在毛坯周邊，在一次裝夾后即可完成本道工序的全部加工內容，無需竄動壓板，減輕了操作人員的工作量，減少了零件生產的輔助時間。一般來講，選擇結構要素較少的一面作為第一面，優先加工，針對此零件，則選擇無T型槽的一面優先加工。零件第一面為復雜雙曲面，綜合考量零件尺寸及加工效率，選取25R3立銑刀進行粗加工，采取軸向分層的方式，每層均勻去除余量，留余量1 mm。為了減少換刀次數，在半精加工時仍然選擇此把刀具，半精加工后應保證余量均勻，為精加工做好準備。精加工時仍然無需換刀，采用定角度行切的方式，完成零件外形曲面的精加工。精加工時合理設置切削用量，保證外形曲面的加工精度及表面粗糙度符合設計要求。
第一面加工完成后，將零件翻面，進行第二面的加工，加工基準與第一面保持一致，確保雙面加工零件的準確性。零件第二面雖結構較多，但仍優先加工出復雜型面，加工方式與第一面相同。然后對T型槽區域進行加工，T型槽的加工一共分兩步，首先選用8R0立銑刀加工T型槽口，為后續的T型刀加工清除障礙。然后使用專用T型刀具，進行T型槽寬度的加工，寬度加工共需要3刀，第一刀從T型槽的正中間通過，左右兩側均勻留有余量，然后在左右兩側各補銑一刀，均采用順銑的方式，完成整個T型槽的加工。最后，對零件進行切斷加工，選取12R0立銑刀去除外形余量，只在零件2個端面處留有2個連接筋，厚度與零件厚度一致，待全部加工完成后，由鉗工從板材毛坯上去除2個連接筋，卸下零件。
3、 數控編程
在現代化制造領域中，數控編程的軟件眾多，優勢各有不同，怎樣發揮一個軟件的優勢是考驗一個編程人員的基本素質。在本次加工中，選用CATIA V5作為編程軟件CATIA V5是航空制造業常用的一款CAM軟件，其編程簡單方便，數據處理能力強，針對不同的零件結構特征，可以靈活地選用不同的編程指令，完成加工。此外，該軟件還具有獨特的產品 (Product)/過程 (Process)/資源(Resource)模型[3]，可以提供真正的協同環境，共享流程信息，是實現人員、工具、方法和資源真正集成的基礎。
3.1 編程方法
在本次加工過程中，使用五坐標數控高速銑床，高速銑削不同于普通的數控加工，在許多方面都需特殊注意，在本次數控編程中使用了如下方法[4]：1)粗加工時，采用軸向分層的方式；2) 針對復雜曲面，采用定角度行切加工；3)刀具切入材料時采用斜向下刀；4)保證刀具軌跡平穩，避免機床功率突變；5) 避免加工過程中走刀方向突變；6)粗加工后設置半精加工，保證精加工時余量均勻。
3.2 T型槽區域加工程序的編制
在CATIA V5中，有專用的T型槽加工指令GrooveMilling，但其只針對簡單直槽，對于復雜雙曲率T型槽則束手無策。常用的方式是使用多軸輪廓加工指令Multi-Axis Flank Contouring來進行替代編程，但該指令也存在一定弊端，即在編程過程中無法使用T型刀具，只能使用立銑刀。這就使得編程人員在編程過程中使用立銑刀來近似編制刀軌，而在實際過程中使用T型刀具來加工。這種方式不但增加了編程人員的工作難度，也使得實際加工出的零件與理論存在一定偏差，極易造成質量事故。
在本次編程過程中，嘗試了多種不同的編程方式，經過多方比較 ， 最終決定使用多軸參數線加工指令Isoparametric Machining來進行T型槽加工程序的編制[5]。不同于以往選擇槽側面對刀具軌跡進行驅動，使用該指令可以選擇T型槽底面，再輔以若干引導點，實現對刀具軌跡的編制。刀軸的運動方式則選擇Lead and tilt，使刀軸在加工過程中隨形變化，始終保持刀具軸線與所接觸曲面的法向保持一致。這種五軸聯動的加工方式，可以精確地控制刀具軌跡，隨形加工出整個T型槽，保持產品質量，刀具軌跡示意圖如圖5所示。
4、 仿真檢查
VERICUT是一款專為制造業設計的數控加工仿真和優化軟件[6]，采用虛擬現實技術，對加工過程進行模擬，具有真實的三維實體顯示效果，比傳統意義上的刀路軌跡仿真更接近于實際加工情況。它可以取代傳統的切削試驗，真實模擬加工過程中零件、夾具、工作臺、機床及刀具切削的實際情況，不僅可以對機床運動狀態進行仿真，還能夠對數控加工程序進行驗證、優化，幫助編程人員修正編程錯誤，該軟件已經成為提高數控加工質量的高效工具。VERICUT系統環境下實現數控加工過程的仿真，通過以下幾個步驟實現[7]：1)建立數控機床模型，配置控制系統；2)建立刀具庫，定義刀具類型及參數屬性；3)調入毛坯模型、零件模型；4)調入NC數控程序；5)虛擬加工仿真，使用自動比對模塊檢查。
按照上述步驟對零件加工過程進行仿真，對數控加工程序進行切傷及殘余檢驗，通過軟件參數的設定，切傷及殘余可以用不同顏色顯示出來。VERICUT仿真可以使用前置程序，也可以使用后置程序，在本次仿真時使用后置程序，保證仿真程序與最終加工程序一致，避免中間環節錯誤導致意外情況發生。依據仿真結果，不斷修改完善數控加工程序，直至沒有切傷及殘余發生。
5、 結 論
在本文工作中，設計了一種典型的C系列飛機固定器類零件的數控加工工藝。選取典型零件，針對其復雜雙曲率T型槽結構，設計制造了專用刀具，完成特殊區域的加工。借助CATIA V5軟件，巧妙運用各種指令，編制數控加工程序，生成數控機床專用NC代碼。通過VERICUT軟件對NC代碼進行仿真，避免加工過程中意外情況的發生。最后，使用五坐標高速數控加工中心對典型零件進行了實際加工，零件的尺寸精度及外形精度均符合設計圖樣要求。切削結果表明，該工藝方案可以完成典型零件的數控加工，加工效果良好。考慮到固定器類零件結構相似，該類零件均可以使用此種數控加工方案完成加工。
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