孫家冬，楊巍，孫國雁

沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司 遼寧沈陽 110034

1 序言

飛機結(jié)構(gòu)件的材料類型主要有鋁合金、鈦合金、不銹鋼、高強度鋼及復合材料等，其結(jié)構(gòu)形式主要有框、梁、接頭、壁板和肋等，其中大部分金屬材料零件需要通過數(shù)控切削的方式進行加工。這些金屬結(jié)構(gòu)件的毛坯形式也是多種多樣的，例如板材、鍛件、鑄件和型材等。為了適應多種零件結(jié)構(gòu)和毛坯形式以及多品種小批量的生產(chǎn)特點，同時追求優(yōu)質(zhì)、精益和高效生產(chǎn)，企業(yè)需要不斷配備先進的加工設備、附件裝備，尋求更加高效的加工方式和方法，以技術(shù)進步帶動生產(chǎn)效率提升，從而不斷滿足市場需求。

目前沈飛公司臥式數(shù)控銑床受機床及工作臺結(jié)構(gòu)形式限制，無法完全發(fā)揮設備能力。具體表現(xiàn)為：加工零件產(chǎn)品毛坯形式單一，只能加工板材類零件；機床角度應用受限，無法加工大角度零件；加工方案設計思路受限；工藝準備時間長，機床利用率低，快換系統(tǒng)應用能力弱。若以上問題不加以解決，必然導致機床性能整體受限，阻礙加工效率的提升。

本文通過研究臥式數(shù)控銑床的局限性，結(jié)合零點定位系統(tǒng)，創(chuàng)新性地設計一種新型臥式機床工作臺形式，改善了上述設備應用中的不足之處。立足于新平臺系統(tǒng)并結(jié)合實際加工驗證，總結(jié)出一套適用于臥式數(shù)控銑床高效加工的的設備應用方案和零件加工工藝方案，可顯著提高臥式數(shù)控銑床的加工能力，促進加工效率的提升。

2 常用工作臺附件

目前公司多款臥式銑床為AB軸或虛擬AB軸結(jié)構(gòu)。按主軸和工作臺運動方式來劃分，存在兩種機床形式：一種是主軸關聯(lián)機床AB軸，或者是虛擬AB軸，主軸做YZ向運動和AB向旋轉(zhuǎn)，工作臺僅做X向運動，無轉(zhuǎn)動軸；另一種是主軸關聯(lián)機床A軸，主軸做YZ向運動和A向旋轉(zhuǎn)，而工作臺做X向運動，同時繞B軸旋轉(zhuǎn)。這兩種結(jié)構(gòu)類型中，工作臺均是獨立的。除了大型臥式銑床本身自帶翻板結(jié)構(gòu)外，一般中小型臥式銑床大多需要單獨配備功能方箱或平臺。

典型機床工作臺附件如圖1所示，包括帶真空吸附功能的角鐵式方箱、正方形帶貼板式方箱。其中角鐵式方箱多用于工作臺無旋轉(zhuǎn)軸的機床，比較常見；正方形貼板式方箱在兩種機床平臺結(jié)構(gòu)中都可使用。正方形貼板式方箱由一個基體座和多個貼板組合而成，其中貼板存在兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是采用普通的真空吸附結(jié)構(gòu)，用壓板或沉頭螺栓壓緊零件，這種結(jié)構(gòu)是當前最常見的貼板類型，在角鐵式方箱中大多也采用此類結(jié)構(gòu)[1]；另一種是采用模塊化真空結(jié)構(gòu)，用反旋拉釘拉緊零件。反旋拉釘結(jié)構(gòu)的工作原理是：拉釘結(jié)構(gòu)平時藏在真空板內(nèi)，使用時會自動彈出。零件采用定位銷定位后，拉釘即可與毛坯上的螺紋孔對正，采用內(nèi)六角扳手擰緊拉釘，完成零件的裝夾和定位。

圖1 典型機床工作臺附件

由圖1可以看出，兩種方箱形式均存在一些局限性。由于兩種結(jié)構(gòu)的方箱都只能加工板材零件，所以機床使用角度受到限制，零件定位和夾緊均需要在平臺上進行，機床停機時間長，導致機床性能受限，阻礙加工效率提升。

3 快換平臺系統(tǒng)設計

通過研究臥式數(shù)控銑床的局限性并結(jié)合零點定位系統(tǒng)，設計兩種新型臥式機床快換平臺系統(tǒng)，以改善臥式銑床應用中的不足之處。新平臺可顯著提高臥式數(shù)控銑床的加工能力，促進加工效率的提升。

3.1 零點定位系統(tǒng)

航空結(jié)構(gòu)件多品種、小批量共線生產(chǎn)模式，在生產(chǎn)過程中同一臺機床需要頻繁更換零件。在不同零件切換或者同一零件翻面加工過程中，機床必須停下來進行裝夾準備，占用大量的機床加工時間[2]。經(jīng)過統(tǒng)計，結(jié)構(gòu)件加工過程中，裝夾時間約占總加工時間的14%左右，準備時間顯著阻礙了機床利用率的提升。由此，基于零點定位系統(tǒng)的快速換裝技術(shù)應運而生，它可以實現(xiàn)工裝夾具的快速更換，裝夾時間占比縮短至1.5%左右，顯著提高機床的加工效率。

零點定位系統(tǒng)屬于常鎖機構(gòu)，通氣時打開，斷氣時鎖死。當給零點定位系統(tǒng)接通液壓或者氣壓時，壓力會通過活塞壓縮下面的彈簧，鋼珠會往兩側(cè)散開，此時才可以取出定位接頭。當把動力源切斷時，彈簧往上頂動活塞，活塞把鋼珠向中間收，從而夾緊鋼珠。

零點定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。零點定位系統(tǒng)安裝在機床工作臺上，定位接頭安裝在夾具底面或者夾具托盤底面，其重復定位精度主要通過定位孔保證[3]。裝在夾具底面的定位接頭有3種，分別是定位接頭、削邊接頭和緊固接頭。其工作原理是：用氣壓使模塊張開，夾緊則是依賴內(nèi)部的強力彈簧，正常工作時不需要接通氣源?？鞊Q系統(tǒng)由不同的模塊組成，本體一樣但是接頭不同，屬于典型的一面兩銷式定位。

圖2 零點定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

零點定位系統(tǒng)的特點和優(yōu)點是：定位與夾緊同時進行，重復定位精度高，可達5μm以內(nèi)；可以自動找正中心；夾具托盤可以任意角度傾斜安裝，吊裝方便；鋼珠可在滾道內(nèi)自由滾動，間隙足夠大；結(jié)構(gòu)自帶吹屑功能，除屑方便；夾持力大，最高可達45kN；結(jié)構(gòu)使用壽命長。

3.2 快換平臺設計方案

針對臥式數(shù)控銑床的局限性并結(jié)合零點定位系統(tǒng)特點，同時為了滿足不同臥式機床種類需求，設計了兩套快換平臺方案：第一套設計方案是針對主軸關聯(lián)機床AB軸，或者是虛擬AB軸，主軸做YZ向運動和AB向旋轉(zhuǎn)，工作臺僅做X向運動，無轉(zhuǎn)動軸的臥式機床類型（簡稱工作臺無轉(zhuǎn)動軸類機床）；第二套設計方案是針對主軸關聯(lián)機床A軸，主軸做YZ向運動和A向旋轉(zhuǎn)，而工作臺做X向運動，同時繞B軸旋轉(zhuǎn)的臥式機床類型（簡稱工作臺有轉(zhuǎn)動軸類機床）。

（1）機床工作臺無轉(zhuǎn)動軸平臺方案設計 機床工作臺無轉(zhuǎn)動軸，僅有一個X向運動，所有轉(zhuǎn)軸均與主軸關聯(lián)。對于此種機床結(jié)構(gòu)，嘗試設計一個可拆卸換裝平臺系統(tǒng)（見圖3）。該系統(tǒng)以角鐵式方箱作為固定基體結(jié)構(gòu)，在此基礎上集成6組零點定位單元，同時配備2組完全相同的真空快換活動板，活動板背面安裝6個定位接頭。真空快換活動板按序排列定位孔和螺紋孔，周邊密布氣密帶槽。每1塊活動板均配備3組真空吸附系統(tǒng)，一次準備可以同時安裝3個零件，顯著提高機床的加工效率。工作臺基體兩側(cè)設計V形粗找正輔助安裝模塊，同時在模塊斜面上配備高度可調(diào)的鋼珠滾輪?；顒影逑聜?cè)同樣采用V形設計，吊裝時，活動板利用自身重力落入基體粗找正模塊，保證定位接頭與零點定位單元快速對正并完成鎖緊工作。

圖3 可拆卸換裝平臺系統(tǒng)

為了進一步縮短準備周期，將活動板上定位孔按行和列標注距離尺寸，以最右側(cè)一列孔和最下側(cè)一行孔交點處設置為固定零件加工坐標系。加工不同零件也都采用同一個加工原點，確保活動板連同零件安裝在基體上后，不需要額外的拉直、找正和對原點等準備工作，就可以直接進行切削加工。平臺具體的使用流程如下。

1）機床使用一塊活動板加工一個或多個零件，同時在機床外部第二塊活動板上準備其他零件。

2）在第一塊活動板上的零件加工完成后，將活動板卸下，將已準備好的第二塊活動板安裝在基體上。

3）調(diào)用程序加工第二塊活動板上的零件。同時在機床外部卸下第一塊活動板上的零件，并重新安裝新零件。

按照以上步驟，加工往復循環(huán)，可以保證零件加工的準備時間僅剩吊裝工裝的時間，準備時間顯著降低。經(jīng)過實際試驗驗證，1個零件的準備時間由35min降低為5min以內(nèi)。

以上方案驗證了采用通用活動板加工板材零件的可行性。除了加工板材零件外，該系統(tǒng)還可加工帶專用工裝的鍛件、鑄件等。只需要在零件工裝底板上安裝1組定位接頭，借用快換平臺基體結(jié)構(gòu)，將工裝和零件組合體安裝在基座上即可進行加工。

（2）機床工作臺有轉(zhuǎn)動軸平臺方案設計 機床工作臺有轉(zhuǎn)動軸，其典型結(jié)構(gòu)為工作臺除了一個X向運動以外，還有B旋轉(zhuǎn)軸，剩余XZ方向和A軸均關聯(lián)主軸。對于此種機床結(jié)構(gòu)，要考慮發(fā)揮B軸大角度的功能優(yōu)勢。機床工作臺有轉(zhuǎn)動軸的快換平臺系統(tǒng)如圖4所示，在可拆卸換裝平臺系統(tǒng)的基礎上，增加不同類型的活動模塊。

圖4 機床工作臺有轉(zhuǎn)動軸的快換平臺系統(tǒng)

該快換平臺結(jié)構(gòu)包括：方形基礎座、大平臺組件、彎板組件、虎鉗組件（2套）和小活動板組件，其中大平臺組件與可拆卸換裝平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同。方形基礎座固定安裝在機床工作臺上，剩余結(jié)構(gòu)均為可快速拆卸結(jié)構(gòu)。大平臺組件常用于加工大型零件，平時不安裝在機床上，一般零件都采用彎板組件加工。具體組合方案如下。

1）加工板材?？梢詥为毷褂么笃脚_組件；可以將彎板組件安裝在方形基礎座上，與大平臺組件同時使用，可以同時準備2組零件。

2）加工鍛鑄件。帶工裝零件可采用方形基礎座加小活動板組件；不帶工裝零件可采用虎鉗組件。

除了按材料類型加工外，采用方形基礎座配合各類活動組件，還可以加工各種大擺角結(jié)構(gòu)零件，將原本多面加工零件一次定位即可加工出來。配備該平臺系統(tǒng)的此類臥式數(shù)控機床，基本滿足所有類型零件的加工，極大地擴展了機床的加工范圍。

4 典型零件試切驗證

4.1 典型零件結(jié)構(gòu)

典型零件結(jié)構(gòu)如圖5所示，由3個槽腔結(jié)構(gòu)以及1組帶精孔耳片組成。零件尾部斜腹板面有多個通孔，中間槽腹板為弧形面，零件尾部斜腹板與頭部耳片有位置精度要求。零件毛坯為7050 T7451鋁合金板材。該典型零件是一個扭曲梁類零件，其最大外輪廓尺寸為300mm×120mm×100mm。

圖5 典型零件結(jié)構(gòu)

4.2 制定加工方案

該零件結(jié)構(gòu)雖然比較簡單，但是受到扭曲結(jié)構(gòu)的影響，按照常規(guī)加工方案需多次翻轉(zhuǎn)加工。一般工藝流程如下：銑平面→粗、精加工第一面（帶槽面）→翻面粗、精加工第二面（背面）→卸下工件，留工藝凸臺→第三面盤銑刀銑槽口→在鉆模上鉆、精鉸耳片孔→卸下工藝凸臺。按該方案準備零件，由于需要申請420mm×180mm×100mm尺寸毛坯，并申請專用鉆模，所以零件占機時間長，生產(chǎn)準備成本高，加工效率低。

采用臥式數(shù)控銑床（機床工作臺繞B軸旋轉(zhuǎn)類型）配合零點定位系統(tǒng)，可以在一次裝夾內(nèi)將零件整體加工出來。該典型零件的試驗過程主要針對方形基礎座配合精密虎鉗夾持零件的組合方案。精密虎鉗鉗口具備淺夾持功能，可使毛坯夾持深度控制在3.5mm以下仍具備足夠安全的夾持力。

按照平臺組合方案，零件毛坯在精密虎鉗上夾持后，將虎鉗吊裝至方形基礎座上，通過虎鉗底部的定位接頭與方形基礎座的零點定位單元聯(lián)接，完成整個系統(tǒng)的裝夾工作，裝夾方案如圖6所示。具體工藝流程如下：銑平面和夾持面凸起→數(shù)控銑所有部位，下部留連接筋→鉗工修整零件。

圖6 裝夾方案

零件毛坯采用淺夾持方式，可以顯著降低毛坯消耗，同時零件6個方向一次裝夾均可加工出來，除了夾持部位需留足夾持余量和刀具通道外，上側(cè)和左右兩側(cè)均不需要留余量，進一步減少了毛坯的消耗。經(jīng)過計算，按新工藝方案加工，毛坯尺寸僅需為320mm×130mm×100mm，毛坯消耗相對于常規(guī)方案減少45%。

4.3 編程策略

毛坯采用淺夾持方式，粗加工時需要從上往下銑，將毛坯上部材料先去除，保證裝夾穩(wěn)定。因毛坯厚度較大，所以需要從正反面兩側(cè)進行切削，粗銑按每層3mm設置。具體編程順序為：粗加工零件正面→工作臺轉(zhuǎn)180°，粗加工零件背面→工作臺角度不變，精加工零件背面→工作臺轉(zhuǎn)－90°，加工耳片外形及銑槽口→工作臺轉(zhuǎn)回0°，加工零件正面（包含上緣條外形）→A軸轉(zhuǎn)90°，B軸轉(zhuǎn)90°，鉆耳片孔→精銑下緣條外形，切斷零件留工藝連接筋。

4.4 編程注意事項

為了避免加工過程中出現(xiàn)機床超程或者發(fā)生碰撞機床等問題，必須注意以下幾點。

1）受機床行程限制，要注意控制平臺系統(tǒng)和零件組合體的總高度，防止A軸擺90°時高度方向超程。

2）為了防止B軸轉(zhuǎn)動過程中主軸碰撞工裝和零件，工作臺轉(zhuǎn)動前，需要將主軸高度設置在高于零件最高點以上100mm。同時，轉(zhuǎn)動過程中通過程序控制，使刀尖點遠離工裝。

3）零件切斷后整體懸空，僅剩余3～4個連接筋條，此時筋條位置不能在同一個平面內(nèi)，筋條相對位置必須設置為三角形或者四邊形排列，保證連接剛度。

4）VERICUT仿真檢查必須將工裝系統(tǒng)完整地帶入軟件中，保證工裝和零件演示位置與實際加工位置一致，杜絕實際加工中碰撞的可能性[4]。

4.5 實際加工驗證

通過方形基礎座和精密虎鉗組的配合使用，實現(xiàn)了在一次裝夾內(nèi)完成整個典型零件的加工。經(jīng)過實際加工驗證，裝夾準備時間為5min，零件總加工時間為3.5h。新工藝方案零件毛坯去除量相對于傳統(tǒng)方案減少了近一半，僅數(shù)控粗加工時間就節(jié)省了近1h。傳統(tǒng)方案需要裝夾3次，新方案相比傳統(tǒng)方案，零件裝夾時間減少2h以上。經(jīng)過初步計算，新方案相比傳統(tǒng)方案全加工周期時間至少減少5h。除了加工時間和毛坯消耗降低外，零件的加工精度也顯著提升。新方案采用一次裝夾加工，編程不需要考慮零件裝夾誤差，杜絕了接刀誤差，零件表面精度及尺寸精度顯著提高。零件實際加工效果如圖7所示。

圖7 零件實際加工效果

5 結(jié)束語

本文從研究臥式數(shù)控銑床的局限性入手，結(jié)合零點定位系統(tǒng)的應用，創(chuàng)新地設計了兩種新型臥式機床用快換平臺，顯著改善了臥式數(shù)控加工設備應用中的不足之處。立足于快換平臺系統(tǒng)，對典型航空結(jié)構(gòu)件進行加工驗證，證明了快換平臺的高適應性?？鞊Q平臺在機床加工范圍擴展、縮短零件加工準備時間及提高零件加工效率方面，均體現(xiàn)出了較大優(yōu)勢。

利用新型快換平臺，結(jié)合機床結(jié)構(gòu)和功能特點，總結(jié)出一套適用于各類臥式數(shù)控銑床的高效加工方案，可顯著提高臥式數(shù)控銑床的加工能力，促進加工效率的提升。相關快換平臺、機床應用方案和零件加工工藝方案均可以在航空結(jié)構(gòu)件的加工中推廣應用，對公司航空結(jié)構(gòu)件的優(yōu)質(zhì)高效加工起到一定的推進作用。

專家點評

本文針對臥式數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)局限性，結(jié)合零點定位系統(tǒng)，創(chuàng)新設計兩套快換平臺方案，并結(jié)合典型零件實際加工驗證，總結(jié)出一套快捷高效的設備應用和零件加工方案，適用面廣，通用性強，大幅提升了設備加工能力。

文章結(jié)構(gòu)合理、內(nèi)容充分，創(chuàng)新之處是拓寬了臥式數(shù)控銑床的應用和加工范圍，基于零點定位系統(tǒng)的換裝平臺技術(shù)，實現(xiàn)了工裝夾具的快速更換，縮短了零件的裝夾和輔助時間，顯著提高了加工效率。