劉偉，張碧妮

1陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院；2大連外國(guó)語(yǔ)大學(xué)軟件學(xué)院

1 引言

長(zhǎng)桁零件作為飛行器整體結(jié)構(gòu)件中的重要結(jié)構(gòu)件，承載著飛機(jī)縱向載荷，大量用于機(jī)翼、機(jī)身等結(jié)構(gòu)中。長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)件毛坯制造一般采用擠壓型材和異形擠壓型材，型材毛坯不能包絡(luò)零件外形，無(wú)法單純采用機(jī)械加工的方法加工出零件，必須與成形結(jié)合使用，以便制造出的零件幾何形狀符合設(shè)計(jì)要求。

長(zhǎng)桁零件作為飛行器大型結(jié)構(gòu)件中數(shù)量最多的機(jī)械加工零件之一，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)顯著。該類零件整體多為柔性細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相似、截面尺寸小、壁板厚度小、長(zhǎng)度方向尺寸大及裝夾困難，截面形狀復(fù)雜多變，結(jié)構(gòu)特征及幾何尺寸變化多樣，難以保證制造過程尺寸。這些特點(diǎn)導(dǎo)致長(zhǎng)桁類零件成為飛行器各類結(jié)構(gòu)件中加工難度較大的零件[1]。

目前，國(guó)內(nèi)加工飛行器長(zhǎng)桁零件的方法早期引自蘇聯(lián)的靠模銑加工，這種加工方法主要承擔(dān)國(guó)內(nèi)軍民機(jī)項(xiàng)目中的等截面且精度要求較低的長(zhǎng)桁零件生產(chǎn)制造。無(wú)論從設(shè)備產(chǎn)能、精度，還是加工后零件的表面質(zhì)量來(lái)看，該靠模銑的加工方式(類似兩軸加工)均無(wú)法滿足目前飛行器長(zhǎng)桁零件的加工要求[2]。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 長(zhǎng)桁零件結(jié)構(gòu)及加工中的常見問題

如圖1和圖2所示，長(zhǎng)桁零件按截面形狀大體分為z形、π形、t形和 h形這四種類型，國(guó)外某飛行器長(zhǎng)桁零件采用端頭加強(qiáng)中間全長(zhǎng)范圍內(nèi)變截面的結(jié)構(gòu)形式，用形狀公差和位置公差對(duì)零件全長(zhǎng)范圍內(nèi)的零件外形尺寸進(jìn)行控制。整個(gè)零件的長(zhǎng)度達(dá)到12m，壁板厚度最薄處僅有1.2mm，零件全長(zhǎng)范圍內(nèi)以零件曲面為基準(zhǔn)進(jìn)行面輪廓度誤差控制，要求面輪廓度誤差控制在0.76mm以內(nèi)，且每300mm范圍內(nèi)面輪廓度誤差≤0.3mm。

圖1 典型z形截面長(zhǎng)桁

圖2 典型t形截面長(zhǎng)桁

在截面尺寸小和支承剛度低的位置，零件在切削加工時(shí)容易出現(xiàn)嚴(yán)重的振紋，影響表面加工質(zhì)量。對(duì)于切削加工質(zhì)量難以保證的表面，一般選取相對(duì)保守的切削用量，但會(huì)導(dǎo)致加工效率低。在長(zhǎng)桁零件銑削工藝參數(shù)的選擇上，國(guó)內(nèi)研究還較少。該零件的技術(shù)要求遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)各飛行器同類零件的設(shè)計(jì)要求，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有長(zhǎng)桁零件的制造工藝無(wú)法滿足該零件的加工要求，且尚不具備該類復(fù)雜高精度長(zhǎng)桁零件的制造能力。

因長(zhǎng)桁零件尺寸較大，截面壁厚尺寸變化大且不等厚，要完成所有結(jié)構(gòu)加工必須進(jìn)行大角度多面切削加工，且裝夾過程中存在干涉問題。零件截面尺寸變化大、材料去除不均勻和細(xì)長(zhǎng)條結(jié)構(gòu)整體折彎均會(huì)導(dǎo)致難以控制變形，給裝夾穩(wěn)定性、尺寸可控性都帶來(lái)極大困難；長(zhǎng)桁外形一般由多個(gè)復(fù)雜曲面構(gòu)成，展開后呈弧形，零件裝夾時(shí)難以找到可靠的定位基準(zhǔn)面，無(wú)法進(jìn)行吸附夾緊，給裝夾設(shè)計(jì)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)；零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體剛性弱，角度變化大，容易產(chǎn)生加工顫動(dòng)[3-5]。

2.2 國(guó)內(nèi)長(zhǎng)桁零件加工現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)企業(yè)缺乏使用專用銑床加工復(fù)雜長(zhǎng)桁零件的經(jīng)驗(yàn)，主要依賴國(guó)外提供的加工方案與專用夾具，試切結(jié)果不太理想。加工表面有階梯狀刀痕，加工后的表面粗糙度不符合要求。雖然真空吸附裝夾方式應(yīng)用較成熟，但是在細(xì)長(zhǎng)面上的吸附效果較差，夾緊剛度較弱，在沖擊載荷瞬時(shí)切入作用下會(huì)出現(xiàn)明顯刀痕，影響加工質(zhì)量。

采用專用夾具的特點(diǎn)是易保證加工精度，加工質(zhì)量穩(wěn)定性較好，針對(duì)性較強(qiáng)。但是，隨著長(zhǎng)桁種類增多，每增加一種長(zhǎng)桁需增加一套專用夾具，通常每套專用夾具有20多個(gè)附件，專用夾具數(shù)量多，制造周期長(zhǎng)，加工過程中更換不同工件時(shí)需同時(shí)更換專用夾具，大大增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并增加制造成本，不符合高速、高效和綠色加工的趨勢(shì)。

實(shí)際加工中一般采用壓板進(jìn)行夾緊，自動(dòng)化程度低，夾緊力不易保證，夾緊效果一般，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，夾緊工作煩瑣，通常一個(gè)工件約需40組壓板。因此，設(shè)計(jì)適合專用銑床的自動(dòng)夾緊裝置能大大減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度和夾具設(shè)計(jì)制造時(shí)間，使夾緊效果均勻穩(wěn)定，減少輔助時(shí)間，有利于提高加工效率和降低生產(chǎn)費(fèi)用。

實(shí)際裝夾時(shí)，支承跨距較大(約350mm)且裝夾時(shí)缺乏柔性，在精加工階段極易出現(xiàn)顫振，為避免切削失穩(wěn)，通常采用較保守的切削參數(shù)，即較小的切削深度、切削寬度及進(jìn)給量，導(dǎo)致切削效率低。為此，有必要對(duì)跨距的選取原則和夾緊力選取方式進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)柔性裝夾以減少夾緊變形，提高工件系統(tǒng)剛性，降低切削失穩(wěn)可能性[6-10]。

長(zhǎng)桁零件的加工主要考慮以下方面:①確定加工方法；②充分考慮企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備；③針對(duì)長(zhǎng)桁零件的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)綱領(lǐng)和精度等選擇設(shè)備。目前，無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外各飛行器生產(chǎn)企業(yè)，均采用銑削加工的方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單曲面長(zhǎng)桁零件制造，長(zhǎng)桁零件銑削加工包括:普通銑削、仿形銑削和數(shù)控銑削，其加工工藝流程如圖3所示。

圖3 飛行器長(zhǎng)桁零件銑削加工工藝流程

無(wú)論從設(shè)備產(chǎn)能、精度以及加工后零件的表面質(zhì)量等方面來(lái)看，仿形銑削均無(wú)法滿足高精度長(zhǎng)桁零件的加工要求。仿形銑削靠模銑設(shè)備故障頻繁，精度因使用磨損逐步下降，嚴(yán)重制約著現(xiàn)行生產(chǎn)，特別是設(shè)備的心臟——靠模儀，其故障至今無(wú)法解決，并且靠模銑床的生產(chǎn)工藝落后，零件表面與隨行銑具接觸的表面易產(chǎn)生拉傷，表面粗糙度Ra≥6.3μm，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，普通銑床機(jī)械加工工作量大且周期長(zhǎng)。該加工方式的生產(chǎn)能力、幾何精度以及加工后零件的表面質(zhì)量均無(wú)法滿足各新研機(jī)型的設(shè)計(jì)要求。

目前，飛機(jī)制造公司在長(zhǎng)桁類零件加工過程中，以去除表面拉傷及加工殘留問題等為目標(biāo)的鉗工修整工作成為滿足設(shè)計(jì)要求的最終保證手段，但其效率低，而且質(zhì)量難以保證。同樣，因?yàn)椴痪邆湓擃悘?fù)雜高精度長(zhǎng)桁零件的制造能力，直接導(dǎo)致很多公司被迫外購(gòu)長(zhǎng)桁零件以滿足高精項(xiàng)目的裝配需求。

2.3 解決長(zhǎng)桁零件加工問題的優(yōu)秀案例

在航空制造業(yè)中，細(xì)長(zhǎng)柔性結(jié)構(gòu)件的制造已經(jīng)廣泛采用五軸高速數(shù)控加工和加工后彎扭成型相結(jié)合的零件制造技術(shù)，數(shù)控加工過程為全封閉高速加工，裝夾技術(shù)采用自動(dòng)化程度較高的裝夾形式。

國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)的長(zhǎng)桁銑數(shù)控設(shè)備進(jìn)行該類零件的制造時(shí)，對(duì)其制造過程中的液壓裝夾定位技術(shù)、機(jī)床編程管理及仿真、高級(jí)機(jī)床功能應(yīng)用及細(xì)長(zhǎng)型柔性結(jié)構(gòu)件的高效切削參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究尚屬空白。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一架波音飛機(jī)約60種長(zhǎng)桁，如果每種長(zhǎng)桁都采用專用夾具，那么夾具數(shù)量將非常龐大，安裝夾具的時(shí)間也非常長(zhǎng)，相應(yīng)地制造成本也將增大。因此有必要針對(duì)長(zhǎng)桁零件的通用、柔性裝夾方案進(jìn)行深入研究，掌握飛機(jī)變截面、細(xì)長(zhǎng)型長(zhǎng)桁零件的高效數(shù)控加工技術(shù)，提高我國(guó)在該制造領(lǐng)域的水平，縮短與國(guó)際水平差距。

部分公司采用多個(gè)零點(diǎn)快換系統(tǒng)模塊化的精密智能夾具解決桁架零件銑削加工前的裝夾問題[11-20]。圖4～圖8為使用德國(guó)雄克(SCHUNK)公司生產(chǎn)的零點(diǎn)快換夾持系統(tǒng)對(duì)某飛行器桁架零件的裝夾過程。

圖4 某飛行器桁架零件

圖6 直接通過拉釘或拉釘延長(zhǎng)塊夾持飛行器桁架零件

圖7 使用零點(diǎn)定位模塊對(duì)飛行器桁架零件進(jìn)行快速裝夾

圖8 對(duì)裝夾好的飛行器桁架零件進(jìn)行銑削加工

3 長(zhǎng)桁只受重力時(shí)的應(yīng)力分析

3.1 夾具與長(zhǎng)桁的裝配

根據(jù)分析的受力條件將夾具按照一定間距擺放，使被夾長(zhǎng)桁受力均勻，既可保證裝夾過程中長(zhǎng)桁位置固定，又能夠很好地保證裝配精度。將長(zhǎng)桁放入擺放好的夾具基座后旋緊上部半月板，將下部滑板移至長(zhǎng)桁處壓緊，確保長(zhǎng)桁徹底被固定，之后依次夾緊夾具。如圖9所示，將框架放置在裝夾好的長(zhǎng)桁上，用角鐵輔助固定，使框架能夠更好地安裝于長(zhǎng)桁上。之后，用鉚釘將其連接，使框架能夠緊密固定在上面；再將框架與長(zhǎng)桁的其余部分照此固定即可。

圖9 夾具與長(zhǎng)桁的裝配

3.2 自由狀態(tài)下的夾具與長(zhǎng)桁零件數(shù)值分析

長(zhǎng)桁的材料彈性模量為200GPa，泊松比為0.28，密度為7850kg/m3，長(zhǎng)桁尺寸為1900mm×40mm×5mm的L形，如圖10所示。根據(jù)分析可知，撓曲線變形施加60kN力時(shí)，最大撓曲度為323mm，如圖11所示。圖12為在重力載荷下長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖(991MPa)。

圖10 三維模型

圖11 擾度變化曲線

圖12 應(yīng)力分布

3.3 長(zhǎng)桁上打鉚釘孔后受拉力分析

L形長(zhǎng)桁尺寸為1900mm×40mm×5mm，上面有多個(gè)直徑為φ6(左端約束及右端加載端發(fā)生變形)的鉚釘孔，如圖13所示。圖14為靜力等效應(yīng)力分布云圖。可以看出，當(dāng)FZ=-60000N時(shí)，最大應(yīng)力為866MPa。長(zhǎng)桁上裝有框架，角材打上鉚釘后，開始時(shí)的最小應(yīng)力為380MPa(見圖15)，1min內(nèi)長(zhǎng)桁的疲勞強(qiáng)度正弦應(yīng)力塊譜見圖16。由圖17可知，1min結(jié)束后最大應(yīng)力可達(dá)3369MPa。

圖13 長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)三維模型

圖14 長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)在重力載荷下應(yīng)力分布

圖15 三維模型

圖16 應(yīng)力圖譜

圖17 連接處應(yīng)力分布

4 結(jié)語(yǔ)

(1)長(zhǎng)期以來(lái)，因考慮材料釋放的內(nèi)部應(yīng)力，飛行器長(zhǎng)桁架類零件的生產(chǎn)效率都難以提升。如要使零部件釋放應(yīng)力，則必須重復(fù)調(diào)節(jié)或完全更換夾具。采用德國(guó)雄克公司針對(duì)航空模塊的零點(diǎn)快換系統(tǒng)產(chǎn)品(VERO-S Aviation)可以保證五個(gè)面的自由加工，容易夾持且重復(fù)定位精度高，能保證較高的幾何精度、下拉力和夾緊力。

(2)該試驗(yàn)方案最大的優(yōu)點(diǎn)是：將裝調(diào)工作量降至最低，能有效提高生產(chǎn)率。其核心元件包含補(bǔ)償夾持條帶，后者可實(shí)現(xiàn)精確的無(wú)變形夾持，無(wú)須手動(dòng)費(fèi)力調(diào)整，減小部件殘余應(yīng)力，并在金屬切削期間可以減振。其設(shè)計(jì)思路在于，通過彈簧夾緊并得到氣動(dòng)釋放，只需簡(jiǎn)單張開模塊使部件松弛，即可在松開位置處重新夾緊。

(3)本文以典型L形長(zhǎng)桁零件為研究對(duì)象，結(jié)合國(guó)內(nèi)使用飛機(jī)長(zhǎng)桁類工件夾具的現(xiàn)狀，提出了一種L形長(zhǎng)桁零件裝配的專用夾具設(shè)計(jì)方案。采用CAD軟件繪制二維平面零件和裝配圖，并編制專用夾具的工藝過程，采用ProE三維軟件繪制三維零件圖并進(jìn)行三維模型的虛擬裝配，利用ANSYS軟件分析受力情況。在受重力情況下施加60kN力時(shí)長(zhǎng)桁最大撓度為323mm，由于長(zhǎng)桁上存在鉚釘孔，導(dǎo)致其承受能力大大降低，在施加相同大小的力時(shí)，應(yīng)力急劇增大，彈性應(yīng)力急劇減小，并且裝配體中各零件間均有接觸應(yīng)力，其應(yīng)力小于單個(gè)分析的應(yīng)力，因此裝配后可用鉚釘連接長(zhǎng)桁、框架和角材。將上述研究的裝配和仿真應(yīng)用于飛機(jī)裝配仿真中，通過仿真說明該裝配技術(shù)的合理性和可行性。