（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司設(shè)備總廠，西安 710089；）

在飛機(jī)裝配過(guò)程中，為保證最終裝配準(zhǔn)確度，由前道工序提供的零件會(huì)存在一定的余量。因此，在機(jī)身壁板對(duì)接完成后，為了滿足裝配過(guò)程結(jié)合面的配合要求，需要對(duì)機(jī)身蒙皮進(jìn)行銑邊修形。其中，由于飛機(jī)機(jī)身蒙皮已成筒形結(jié)構(gòu)，其具有尺寸大、剛性低的特點(diǎn)，普通數(shù)控銑床完全不能滿足銑邊的要求，通常采用手工畫(huà)線修切余量或是靠模銑切的方法，依靠人工修形來(lái)完成。由于人工銑切修形工作量大、生產(chǎn)成本高、周期長(zhǎng)、效率低，且修形效果依據(jù)工人工作經(jīng)驗(yàn)的不同而相差較大，常常無(wú)法滿足產(chǎn)品的精度要求（端面平面度＜1.6mm）[1]。同時(shí)，人工銑切過(guò)程易出現(xiàn)蒙皮切口歪斜、結(jié)合面尺寸不匹配、銑切區(qū)域局部變形較大等問(wèn)題，影響后續(xù)的裝配質(zhì)量。隨著飛機(jī)產(chǎn)品越來(lái)越高的質(zhì)量要求，以及要有效降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的要求，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)制造過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化，飛機(jī)蒙皮端面無(wú)余量裝配成為飛機(jī)裝配的必由之路[2]。

對(duì)機(jī)身蒙皮精準(zhǔn)銑切而言，需要對(duì)蒙皮的位置精度、切口垂直度、粗糙度、切削用量、銑削震顫控制問(wèn)題等提出解決方案，提高蒙皮的銑切精度。機(jī)身蒙皮精準(zhǔn)銑切系統(tǒng)是針對(duì)機(jī)身蒙皮特點(diǎn)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用銑切設(shè)備，旨在通過(guò)自動(dòng)化銑切手段滿足機(jī)身蒙皮的精度要求。針對(duì)某型號(hào)飛機(jī)機(jī)身蒙皮精準(zhǔn)外形需求，研制了一套機(jī)身蒙皮精準(zhǔn)銑切系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能高效準(zhǔn)確地完成機(jī)身蒙皮的銑切工作，保證飛機(jī)產(chǎn)品的制造準(zhǔn)確度[3]。

1 銑切系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理

該銑切系統(tǒng)導(dǎo)軌模塊與銑切末端執(zhí)行器組成，采用氣動(dòng)控制方式。飛機(jī)機(jī)身水平穿過(guò)導(dǎo)軌中央，銑切末端執(zhí)行器沿導(dǎo)軌進(jìn)給一周完成蒙皮切割。該系統(tǒng)在工作時(shí)的應(yīng)用情況如圖1所示。

導(dǎo)軌模塊通過(guò)型架平板垂直地面放置，整體呈圓形，如圖2所示。其主要包括雙V型導(dǎo)軌和鏈條傳動(dòng)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌部件和鏈條傳動(dòng)副沿銑切區(qū)域連續(xù)分布，形成封閉而連續(xù)的閉環(huán)軌跡，保證銑切末端執(zhí)行器沿機(jī)身蒙皮法向進(jìn)行銑切工作。通過(guò)數(shù)控加工保證每段雙V型導(dǎo)軌都在要求范圍內(nèi)，同時(shí)在每段雙V型導(dǎo)軌上表面設(shè)置多個(gè)OPT檢測(cè)點(diǎn)，安裝時(shí)通過(guò)激光跟蹤儀對(duì)每個(gè)OPT點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)測(cè)量并對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行調(diào)整，保證整個(gè)雙V型導(dǎo)軌表面的平面度以及與飛機(jī)坐標(biāo)系的垂直度和同心度，同時(shí)還保證了銑切末端執(zhí)行器在導(dǎo)軌上運(yùn)行的平穩(wěn)性[4]。

圖1 銑切裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of milling device

圖2 雙V型導(dǎo)軌和鏈條傳動(dòng)導(dǎo)軌Fig.2 Double V type and chain drive guide rail

銑切末端執(zhí)行器主要包括行走模塊和刀頭模塊兩部分，如圖3所示。行走模塊中4個(gè)V型滾輪跨在雙V型導(dǎo)軌上，其中兩個(gè)為固定輪，兩個(gè)為浮動(dòng)輪，工作時(shí)浮動(dòng)輪由氣缸壓緊于導(dǎo)軌上，在運(yùn)行過(guò)程中氣缸始終工作，使得滾輪始終同導(dǎo)軌緊密接觸，保證運(yùn)行精度的同時(shí)還能防止切割裝置從導(dǎo)軌上墜落。行走驅(qū)動(dòng)采用鏈輪鏈條的方式，鏈條安裝在鏈條傳動(dòng)導(dǎo)軌的側(cè)面，工作時(shí)鏈輪壓緊氣缸將鏈輪始終壓緊在鏈條上，同時(shí)在保證鏈輪和鏈條運(yùn)動(dòng)靈活的前提下，通過(guò)增加鏈輪的寬度以減少鏈輪和鏈條的間隙，行走氣馬達(dá)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割裝置進(jìn)給。彈簧壓緊機(jī)構(gòu)上的壓緊輪沿刀片上下布置，刀頭模塊工作時(shí)，上部壓緊輪通過(guò)彈簧力始終壓緊蒙皮，使機(jī)身蒙皮處于繃緊狀態(tài)且易于切割，下部壓緊輪在始終壓緊蒙皮被切割部分的同時(shí)，保證銑切下來(lái)的蒙皮邊向里翻折，以防劃傷蒙皮及操作人員，在對(duì)機(jī)身蒙皮進(jìn)行銑切時(shí)，切割氣馬達(dá)帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)對(duì)蒙皮進(jìn)行切割。

圖3 切割裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of cutting device

2 銑切系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)

2.1 銑切刀片設(shè)計(jì)

由圖3可知，本銑切系統(tǒng)銑切刀具為圓鋸片結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)直接決定著銑切完后機(jī)身蒙皮表面的粗糙度、毛刺等，由于在進(jìn)行機(jī)身蒙皮銑切時(shí)無(wú)法使用冷卻液（腐蝕機(jī)身蒙皮）。因此，圓鋸片必須能耐高溫并保證在一次完整切割時(shí)不發(fā)生裂痕、齒斷、粘刀等缺陷，而其關(guān)鍵便是鋸片材質(zhì)、齒數(shù)、齒型、厚度等的確定。

2.1.1 材質(zhì)確定

機(jī)身蒙皮材料為2A12硬鋁，如果刀片采用硬質(zhì)合金，則其較鋒利，銑切表面平整、毛刺少，但刀片自身比較脆，在銑切過(guò)程中不能有震動(dòng)，但該設(shè)備在切割時(shí)有震動(dòng)，很容易造成刀片的斷裂[5]；如果刀片采用工具鋼，則銑切表面不平整、毛刺多，刀片自身比較軟，在切割時(shí)容易放熱造成粘刀等缺陷；如果刀片采用粉末合金（HSS-E)，則刀片較鋒利，切割表面平整、毛刺較少，完成一次完整切割時(shí)表面溫度小于35°，不存在粘刀現(xiàn)象，刀片自身有韌性，可允許設(shè)備有輕微震動(dòng)，因此在本系統(tǒng)中選用材質(zhì)為粉末合金質(zhì)的刀片[6]。

2.1.2 刀片幾何參數(shù)確定

對(duì)銑切刀片而言，其幾何參數(shù)的關(guān)鍵是齒型和齒數(shù)。

刀片的齒型影響到表面銑切質(zhì)量與毛刺高度，常見(jiàn)的齒形有豎切齒、橫切齒、復(fù)合齒、斜切齒等，由于機(jī)身蒙皮斜切精度較高，除了要保證鋒利外，還需要在斜切的同時(shí)去掉毛刺。因此，本系統(tǒng)采用“C”型齒圓鋸片，其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示，具備斷屑和防止崩齒的特點(diǎn)，能有效保證機(jī)身蒙皮的銑切精度[7]。

圖4 邏輯順序限制圖Fig.4 Logical sequence limit diagram

對(duì)圓鋸片而言，其齒數(shù)越多，表面質(zhì)量越高，但是長(zhǎng)時(shí)間使用將導(dǎo)致發(fā)熱大，影響表面質(zhì)量。為保證機(jī)身蒙皮的銑切精度，必須設(shè)計(jì)合適的齒數(shù)。通常情況下，齒數(shù)與銑切寬度之間滿足式（1）則可較好地散熱，其中，t表示圓鋸片單齒長(zhǎng)度，T表示圓鋸片與被銑切體接觸長(zhǎng)度，δ表示比例系數(shù)[8-9]。圓鋸片的外圓直徑為125mm，δ=3，由于T=15mm，可得t=5。由式（2）可進(jìn)一步求得齒數(shù)n=80。

2.2 銑切系統(tǒng)氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)某型機(jī)機(jī)身銑切技術(shù)要求，在非工作時(shí)間，切割末端執(zhí)行器與豎直導(dǎo)軌模塊分開(kāi)放置；工作時(shí)，需要兩名操作人員將切割末端執(zhí)行器抬起安裝到導(dǎo)軌上，故要求切割末端執(zhí)行器在滿足銑切要求的同時(shí)還應(yīng)具有較輕的重量。對(duì)電傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)以及氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行比較，其中氣動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量最輕，且廠房?jī)?nèi)有固定氣源可以直接使用。氣動(dòng)系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于控制、維護(hù)方便、無(wú)污染等特點(diǎn), 能在清潔的環(huán)境中生產(chǎn)出清潔的產(chǎn)品, 符合綠色制造原則,是實(shí)現(xiàn)低成本自動(dòng)化的主要途徑[10]，所以本系統(tǒng)選用氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行銑切過(guò)程的控制。

2.2.1 安全邏輯控制

針對(duì)機(jī)身蒙皮銑切過(guò)程，常見(jiàn)的誤操作情況有以下幾點(diǎn)：

（1）行走氣馬達(dá)在運(yùn)行時(shí)，鏈條夾緊氣缸松開(kāi)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備或者人員損失；

（2）工作人員在銑切完后取下設(shè)備時(shí)，如果導(dǎo)軌加緊氣缸先松開(kāi)，會(huì)導(dǎo)致鏈條和設(shè)備的損壞。

針對(duì)上述情況，對(duì)設(shè)備加入安全邏輯控制，防止誤操作，使設(shè)備更加安全，優(yōu)化后各步驟之間的邏輯順序限制如圖4所示。

每個(gè)動(dòng)作的安全條件判定原則如表1所示。

表1 系統(tǒng)安全條件判定原則

2.2.2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

為了實(shí)現(xiàn)流程步驟優(yōu)化，設(shè)備控制氣路在增加了防止誤操作的安全邏輯控制回路之后，還有1個(gè)隱患需要預(yù)防，即設(shè)備正在運(yùn)行時(shí)氣管突然斷氣（管子破裂、接頭脫開(kāi)等意外情況），因?yàn)橐坏鄽?，雖然行走氣動(dòng)馬達(dá)無(wú)法工作，但卡在導(dǎo)軌和鏈條上的3條氣缸卻要繼續(xù)保證設(shè)備不會(huì)從高空墜落。因此，針對(duì)實(shí)現(xiàn)安全邏輯功能重新設(shè)計(jì)的控制氣路原理如圖5所示。

3 結(jié) 論

為驗(yàn)證本機(jī)身蒙皮精準(zhǔn)銑邊系統(tǒng)的可靠性與精度，目前該銑切裝置已經(jīng)試驗(yàn)完成。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，其銑切指標(biāo)如表2所示。由表2可知，本機(jī)身蒙皮精準(zhǔn)銑邊系統(tǒng)能有效保證產(chǎn)品精度要求，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性，減少操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。同時(shí)，也為飛機(jī)機(jī)身筒形件余量修切提供了基礎(chǔ)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

表2 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

圖5 氣動(dòng)控制原理圖Fig.5 Pneumatic control diagram

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