（中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，遼寧 沈 陽 1 10850）

某機框間上大梁屬雙面長梁類結構件，外廓尺寸為96 mm×158 mm×2 270 mm，采用7050 T7451δ100板材加工，端頭套合區(qū)與油箱連接，起主要承力作用。從工藝性角度分析，零件所具有的雙曲型面和閉角結構是實現(xiàn)數(shù)字化加工的難點，此外，零件腹板厚度薄最小處僅為1.5 mm，也是數(shù)字化加工中難于解決的問題之一。

1 工藝流程安排

由于框間上大梁采用板材加工，從節(jié)約加工成本及縮短加工周期等方面考慮不宜使用夾具。通常加工此類雙面型腔結構的零件如不使用夾具，則采用一次翻面的加工方式，零件最終通過連接筋與四周毛料連接固定，加工流程大體上可歸納為：粗、精銑梁軸線面前內(nèi)外形→粗、精銑梁軸線面后內(nèi)外形。而此次為了最大限度的消除零件側(cè)向變形，使零件裝機后能夠提供準確的型面位置，特將加工流程安排為：粗銑梁軸線面前內(nèi)外形→粗、精銑梁軸線面后內(nèi)外形→精銑梁軸線面前內(nèi)外形。

2 工藝難點分析

2.1 雙曲型面

零件Z側(cè)外形梁軸線面前為平面，梁軸線面后為曲面如圖1、圖2所示，J側(cè)a~b框間外形為平面，b~c框間外形為曲面，緣條為等厚，與曲面外形部位相對應的內(nèi)形型面均為曲面。出于產(chǎn)品設計需要，零件內(nèi)外形所出現(xiàn)的曲面均為雙曲型面，裝機時端頭套合區(qū)與油箱連接，需配合實現(xiàn)油箱密封，因此對零件雙曲型面的準確性提出了較高的要求。雙曲型面較之單曲型面在空間中的曲率變化更為復雜，如果使用常用的五軸聯(lián)動加工方式，刀具側(cè)刃與曲面不貼合，會在雙曲型面上產(chǎn)生殘留，無法獲得準確的型面。

圖1 梁軸線面后結構示意圖

圖2 梁軸線面前結構示意圖

2.2 閉角結構

同樣出于產(chǎn)品設計需要，零件內(nèi)形多處出現(xiàn)了閉角結構，主要由筋條與腹板、緣條與腹板、緣條與筋條連接形成，這些閉角結構屬產(chǎn)品設計原因造成，可稱為設計閉角。此外，零件曲面外形是由梁軸線前、后兩側(cè)加工形成，因此，曲面外形與連接筋也形成了閉角結構，此種閉角結構屬工藝方案原因造成，可稱為工藝閉角。凡閉角結構位置在加工后都會產(chǎn)生閉角殘留，閉角殘留會直接導致零件增重，設計閉角殘留在產(chǎn)品設計定型之初已給定了許用范圍，而工藝閉角殘留則必須完全去除。

在所有設計閉角結構中，零件筋條與腹板間閉角角度較大，因此只有筋條與腹板間的閉角殘留容易達到設計許用范圍，而緣條與腹板、緣條與筋條間閉角角度則較小，最小處僅為54°，緣條內(nèi)形加工結束后腹板仍會留有較大的殘留物，不能達到設計許用范圍，如圖3所示。

曲面外形與連接筋之間的工藝閉角殘留相當于變相增加了連接筋厚度，雖然可以數(shù)控加工結束后去除，但鉗工加工方式已不能使用，只能通過常規(guī)銑工方式去除，如此一來便失去了數(shù)字化加工的意義。

圖3 閉角結構效果圖

2.3 腹板厚度薄

從加工流程的安排可以看出，零件腹板厚度是在“精銑梁軸線面前內(nèi)外形”中加工得到的，此時零件梁軸線面后內(nèi)外形已加工完，腹板處于懸空狀態(tài)，腹板的最小厚度僅為1.5 mm，在加工中勢必會發(fā)生顫動，此顫動可分為兩個階段：第一階段為刀具由材料外切入材料時所產(chǎn)生的顫動，即切入顫動；第二階段為刀具切入材料后至切削結束過程中所產(chǎn)生的顫動，即過程顫動，顫動的結果是直接導致腹板厚度不合格。

3 工藝方法的制定

3.1 雙曲型面加工的工藝方法

由于雙曲型面無法采用五軸聯(lián)動加工，因此，只能采用定主軸行切加工。行切加工是利用刀刃底部圓角切削，要采用行切方式將曲面全部加工到位，必須在刀具行至曲面最底端時為刀刃底部圓角留出足夠的躲避空間。

零件Z側(cè)梁軸線面前外形為平面，梁軸線面后外形為曲面，行切加工選用刀具的刀刃底部圓角半徑為R3，為使曲面全部行切加工到位，將該側(cè)的4處連接筋向梁軸線面前方向偏置3 mm留取，如圖4所示。

零件J側(cè)a~b框間外形為平面，b~c框間外形為曲面，該側(cè)的4處連接筋如果與Z側(cè)的連接筋按同一平面留取，則梁軸線面后連接筋位置的曲面無法加工到位，伴隨產(chǎn)生較大的工藝閉角殘留。為使該側(cè)曲面完全加工到位，消除工藝閉角殘留，將該側(cè)曲面區(qū)域的2處連接筋在梁軸線后方向的曲面邊緣留取，如圖5所示。

圖4 Z側(cè)連接筋留取效果圖

圖5 J側(cè)連接筋留取效果圖

與外形曲面部位相對應的內(nèi)形曲面采用主軸定擺角行切加工，為確保所獲得的雙曲型面準確，加工后采用測量機對零件雙曲型面進行檢測。

3.2 閉角結構加工的工藝方法

閉角結構加工的重點在于刀具直徑和規(guī)格的選擇，刀具直徑越大，產(chǎn)生的閉角殘留越大，反之則越小。

筋條與腹板間閉角角度較大，選擇帶有底刃的Φ12R4銑刀就可以將閉角殘留去除至許用范圍內(nèi)。

緣條與腹板間閉角角度較小且二者高度差較大，此類閉角殘留量大，如果直接選擇Φ12R4銑刀去除容易造成刀具折斷，因此，對此類閉角殘留先選擇Φ16R4銑刀作過渡去除，再選擇Φ12R4銑刀最終去除至許用范圍內(nèi)。

緣條與筋條間閉角角度較小且二者高度差較小，此類閉角殘留量小，但普通規(guī)格的刀具無法實現(xiàn)去除，因此對此類閉角殘留選用Φ6R球頭銑刀，可完全去除。

3.3 腹板加工的工藝方法

加工腹板的關鍵在于減輕腹板在加工中產(chǎn)生的顫動，從工藝方法角度考慮，首先想到的便是增加腹板在加工中的剛性。

通常加工單面型腔結構零件或腹板厚度較大的雙面型腔結構零件時，在精加工腹板前僅預留1 mm余量，用以消除各方面誤差，由操作者根據(jù)實際情況調(diào)整去除。而此次為了增加腹板在加工中的剛性，特將精加工腹板前預留的余量調(diào)整為3 mm，并要求在實際加工中不做調(diào)整一次去除，以此來減輕腹板顫動。

4 編程處理

4.1 雙曲型面的編程處理

在CATIA V5中選用Isoparametric Machining加工策略進行行切加工編程，加工外形曲面刀軸矢量使用默認值，加工內(nèi)形曲面刀軸矢量按緣條與腹板間夾角角度近似給出。此外，將刀具路徑間距設置為0.3 mm，以獲得精確的雙曲型面及良好的表面粗糙度；將切削方向設置為沿刀具徑向，刀具路徑形式選擇Zig zag，以此來縮短切削時間。

4.2 閉角結構的編程處理

筋條與腹板均為平面，因此，在去除筋條與腹板間閉角殘留編程中，僅選用CATIA V5中的Multi-Axsi Flank Contouring加工策略即可。

在去除緣條與腹板間閉角殘留編程中，先選用Multi-Axsi Flank Contouring加工策略作過渡去除編程，在閉角角度較大的區(qū)域增加徑向路徑數(shù)量以減小切削力。在最終去除編程中可選用Multi-Axsi Fla nk Contouring或Isoparametric Machining加工策略，兩種加工策略編程都可以實現(xiàn)最終去除。比較而言，選用Isoparametric Machining加工策略需設定加工區(qū)域及刀軸矢量，加工區(qū)域的設定較為復雜，需先提取各腹板面為幾何平面，再按照緣條最大輪廓作出掃略曲面，各腹板幾何平面被掃略曲面截斷后剩下的才是設定加工區(qū)域所需的部分，刀軸矢量近似按緣條與腹板夾角角度設定為恒定值，不能隨緣條曲面變化，達不到最大化去除殘留的目的。而選用Multi-Axsi Flank Contouring加工策略，刀軸矢量可隨曲面變化，刀軸在達到最近似緣條與腹板間夾角角度的同時又不會對緣條產(chǎn)生切削，設置徑向路徑數(shù)量即可控制切削范圍，路徑間距設置為0.2 mm，可獲得與Isoparametric Machining加工策略同等的表面粗糙度。

去除緣條與筋條間閉角殘留所選擇的刀具規(guī)格較特殊，在CATIA V5編程中選用Isoparametric Machining加工策略，刀軸矢量按緣條與筋條間夾角角度近似給出，選擇緣條與筋條間轉(zhuǎn)接圓角作為切削區(qū)域，在始端延伸和終端延伸中設置正值。

4.3 腹板的編程處理

工藝方法雖然已使腹板在加工中的剛性得以增加，但對于減輕腹板兩個階段的顫動在編程中仍需細致考慮。首先，程序進刀點需選在腹板剛性最大的位置，以此來減輕切入顫動；其次，因為腹板剛性會隨著切削逐漸減小，所以程序切削需從腹板剛性最小的位置開始，在剛性最大的位置結束，以此來減輕過程顫動，反之會使腹板剛性大的位置剛性變小，剛性小的位置剛性更小，加劇顫動。

結合以上兩點，在使用CATIA V5編程中選用Pocketing加工策略，通過進刀宏指令將程序進刀點設置在腹板剛性最大的近緣條位置，刀具路徑形式選擇Outward helical，從腹板剛性最小的中心區(qū)域向剛性最大的近緣條區(qū)域完成切削。

5 結束語

數(shù)字化加工意味著采用數(shù)控機床加工，完全摒棄傳統(tǒng)的銑床加工，同時在最大程度上減少鉗工加工。某機框間上大梁所有形狀均在數(shù)控機床上加工完成，所有厚度尺寸均在數(shù)控機床上加工保證，數(shù)控加工后僅需鉗工去除8處厚度為3 mm的連接筋，表面無需拋光，所有型面、筋條位置、孔位置由測量機一次測量合格，腹板、緣條、筋條厚度按公差中值對稱分布，在獲得合格零件的同時詮釋了數(shù)字化加工的意義。

[1]胡翔云.機械制造基礎[M].上海：上海交通大學出版社，2007.

[2]詹熙達.CATIA V5數(shù)控加工教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.