崔洋，趙軍，卜慶奎，孫麗敏，李亞宏

航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司

1 引言

質(zhì)量是飛機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接影響飛機(jī)的性能、強(qiáng)度、疲勞壽命和成本，有數(shù)據(jù)顯示，飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量每減輕1%，性能可提高3%～5%。零件的一體化設(shè)計(jì)能夠減少飛機(jī)零部件的數(shù)量，取消角盒、鉚釘和螺栓等連接零件，是降低飛機(jī)重量的有效措施[1-3]。某一體化結(jié)構(gòu)件是在該設(shè)計(jì)思路下誕生的新型零件，相對(duì)于傳統(tǒng)框、梁零件，其在結(jié)構(gòu)形式上進(jìn)行了大膽創(chuàng)新，首次將鈦合金框和梁設(shè)計(jì)為一個(gè)整體。鑒于其特殊的結(jié)構(gòu)特征，國內(nèi)外鮮有類似結(jié)構(gòu)鈦合金零件加工制造的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，使其成為飛機(jī)機(jī)械加工領(lǐng)域的關(guān)鍵難點(diǎn)問題。因此，進(jìn)行某一體化結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)該零件的數(shù)控加工制造迫在眉睫。

某一體化結(jié)構(gòu)件有左、中、右三段，經(jīng)線性摩擦焊形成一個(gè)整體，兩條焊縫分布在框板上，梁結(jié)構(gòu)整體保留。線性摩擦焊是由慣性摩擦焊衍生出的一種新型固相連接技術(shù)，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤的焊接和修復(fù)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用相對(duì)較少[4]，該結(jié)構(gòu)件是國內(nèi)首次應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件的焊接。零件在結(jié)構(gòu)上呈十字交叉狀，將傳統(tǒng)飛機(jī)零件由近似二維平面拉伸至三維體結(jié)構(gòu)，立式機(jī)床中只有具備極高Z向行程的機(jī)床才能實(shí)現(xiàn)該零件的數(shù)控加工，該難加工零件的交叉半封閉區(qū)見圖1。

圖1 某一體化結(jié)構(gòu)件交叉區(qū)域

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 數(shù)控加工刀具可達(dá)性

刀具可達(dá)性差是制約未來飛機(jī)零件數(shù)控加工制造的瓶頸問題[5]。采用常規(guī)方法加工該零件時(shí)，受限于刀具的旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，只能實(shí)現(xiàn)垂直于主軸和沿主軸兩個(gè)方向的有效切削，導(dǎo)致在零件交叉區(qū)域有殘留，這部分無法直接加工的區(qū)域被稱為不具備刀具可達(dá)性區(qū)域。該結(jié)構(gòu)件交叉區(qū)域的半封閉槽腔是典型難加工結(jié)構(gòu)，僅依靠機(jī)床主軸的自由度會(huì)存在較大的刀具不可達(dá)區(qū)域(見圖2)。三維尺寸接近和交叉區(qū)域半封閉結(jié)構(gòu)是該零件的典型難加工特征，實(shí)現(xiàn)某一體化結(jié)構(gòu)件全區(qū)域的刀具可達(dá)是該零件數(shù)控加工技術(shù)的關(guān)鍵。

圖2 刀具旋轉(zhuǎn)體有效切削方向

2.2 保證制造精度

零件的制造公差直接關(guān)系到零件加工的難易程度和加工效率[6]。某一體化結(jié)構(gòu)件的制造精度相較之前有了明顯提升，同時(shí)由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及焊接熱的影響，加工過程中存在一定程度的變形，需要在工藝流程設(shè)置上進(jìn)行更為合理的安排才能保證最終的尺寸和形位精度。此外，零件加工涉及多工位，工位轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的偏差極易導(dǎo)致零件最終尺寸超差，需要設(shè)置精準(zhǔn)可靠、可操作性強(qiáng)的基準(zhǔn)傳遞和校驗(yàn)方法。在保證加工效率的前提下實(shí)現(xiàn)工程的制造精度是該結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 控制碰撞風(fēng)險(xiǎn)

切削加工時(shí)，一體化結(jié)構(gòu)件占據(jù)了機(jī)床Z向的全部行程，所以在加工過程中機(jī)床主軸無法跨越零件進(jìn)行加工，機(jī)床、主軸和刀具組成的加工系統(tǒng)在零件內(nèi)部進(jìn)退刀和空走刀。同時(shí)，在進(jìn)行零件交叉半封閉區(qū)域的加工時(shí)，機(jī)床需要經(jīng)常變化主軸角度來提高刀具可達(dá)范圍。這使得零件在數(shù)控加工時(shí)機(jī)床與零件的碰撞風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)于普通零件上升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。規(guī)避和控制零件加工過程中的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，是數(shù)控加工一體化結(jié)構(gòu)件過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

3 數(shù)控加工技術(shù)方案

3.1 實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工全域可達(dá)

角度頭是一種能夠在不改變機(jī)床結(jié)構(gòu)的前提下拓展機(jī)床加工能力的機(jī)床附件，其結(jié)構(gòu)類似于能夠轉(zhuǎn)換主軸方向并連接刀具的特殊刀柄，通過內(nèi)部的渦輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)主軸反轉(zhuǎn)和角度變換[7]。利用角度頭可以實(shí)現(xiàn)主軸方向的轉(zhuǎn)換，增加刀具可達(dá)角度，使之前無法加工的部位實(shí)現(xiàn)刀具可達(dá)。同時(shí)，經(jīng)角度頭轉(zhuǎn)換后，能夠增加機(jī)床主軸與零件的距離，減少機(jī)床與零件的相互干涉所帶來的可達(dá)性損失(見圖3)。但角度頭也存在一定的局限性，對(duì)所夾持刀具的直徑范圍和下刀深度有所限制，局部區(qū)域內(nèi)角度頭亦不具備良好的可達(dá)性。針對(duì)這些區(qū)域，加長刀柄和刀桿能夠進(jìn)行良好的補(bǔ)充，覆蓋其不可達(dá)區(qū)域?？梢姡嵌阮^和加長刀柄的使用能夠顯著提高一體化結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工刀具的可達(dá)性，解決該結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工技術(shù)中最為關(guān)鍵的可達(dá)性問題。

圖3 機(jī)床主軸裝夾角度頭結(jié)構(gòu)

3.2 控制制造精度

(1)多工位間基準(zhǔn)的精準(zhǔn)傳遞

零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要四工位才能實(shí)現(xiàn)其加工制造，協(xié)調(diào)統(tǒng)一4個(gè)工位的加工基準(zhǔn)是保證零件制造精度的基本要求。在零件的四工位轉(zhuǎn)換的軸線兩側(cè)分別設(shè)置兩處T型工藝凸臺(tái)，利用凸臺(tái)的4個(gè)表面和2個(gè)基準(zhǔn)孔實(shí)現(xiàn)多工位的基準(zhǔn)傳遞(見圖4)。

圖4 四工位基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換臺(tái)

在基準(zhǔn)校驗(yàn)層面設(shè)置基準(zhǔn)校驗(yàn)程序，用于多工位轉(zhuǎn)換后定位精度的驗(yàn)證和評(píng)判(見圖5)。轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)后運(yùn)行校驗(yàn)程序，在零件4個(gè)方向的余量上進(jìn)行銑削，加工后利用其與前一工位已加工表面的階差來判定基準(zhǔn)傳遞的準(zhǔn)確性，精度應(yīng)不低于0.1mm。零件利用T形基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換臺(tái)實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)傳遞，利用校驗(yàn)程序進(jìn)行基準(zhǔn)驗(yàn)證，徹底消除了多工位間基準(zhǔn)傳遞偏差導(dǎo)致兩側(cè)筋條不等厚的質(zhì)量隱患，為零件精準(zhǔn)制造奠定基礎(chǔ)。

圖5 四工位基準(zhǔn)傳遞校驗(yàn)方法

(2)合理設(shè)置線性摩擦焊機(jī)械加工補(bǔ)償余量

焊接和熱處理等熱過程通常會(huì)伴隨變形，某一體化結(jié)構(gòu)件使用了線性摩擦焊的連接方法。線性摩擦焊是一種固相焊接方法，相對(duì)于熔焊具有變形量小的明顯優(yōu)勢(shì)，理論上可以將某一體化結(jié)構(gòu)件的三部分全部加工至最終尺寸再進(jìn)行焊接，最大化規(guī)避零件交叉結(jié)構(gòu)帶來的刀具可達(dá)性降低。

由于該零件尺寸較大，經(jīng)過焊接試驗(yàn)摸索和三坐標(biāo)測(cè)量，零件左右段在焊接后存在一定偏移，最大偏離量為1～2mm，但中段梁身結(jié)構(gòu)尺寸和位置未見明顯變化。因此，在試驗(yàn)中，機(jī)加余量設(shè)為零件中段無余量，左右段整體預(yù)留3mm余量進(jìn)行焊接，焊后再以中段為基準(zhǔn)進(jìn)行整體加工，不僅可利用機(jī)加余量補(bǔ)償焊接熱處理變形，保證零件最終的形位精度，同時(shí)將焊后余量限制在最小范圍內(nèi)，降低焊后整體加工工作量，提高零件加工效率。

3.3 控制碰撞風(fēng)險(xiǎn)

數(shù)控加工中，NC程序錯(cuò)誤或操作人員誤操作等會(huì)導(dǎo)致機(jī)床組件與被加工零件、工裝夾具等環(huán)境設(shè)備之間發(fā)生碰撞，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備損壞和零件報(bào)廢[8]。模擬仿真分析能夠?qū)α慵膶?shí)際加工工況進(jìn)行預(yù)演，避免該類問題的發(fā)生。VERICUT數(shù)控加工仿真軟件能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控加工程序的驗(yàn)證、檢查機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中的干涉、優(yōu)化刀具切削速度等功能。

進(jìn)行實(shí)物的精確測(cè)量和建模，提高模擬仿真的置信度。由于該零件加工過程中與機(jī)床各部件距離極為貼近，只有對(duì)全要素進(jìn)行精確建模才能模擬實(shí)際工況，避免碰撞發(fā)生。在仿真建模過程中，包括機(jī)床排風(fēng)口等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、角度頭止轉(zhuǎn)銷的位置等都需要納入其中。以角度頭模型中止轉(zhuǎn)銷的位置調(diào)整為例，模型導(dǎo)入后默認(rèn)位置見圖6a，而實(shí)際加工時(shí)止轉(zhuǎn)銷則在圖6b所示位置，故仿真時(shí)需將角度頭模型依照實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以模擬實(shí)際加工的真實(shí)工況。刀具模型也需要保證與實(shí)際狀態(tài)完全一致，才能充分信任模擬仿真結(jié)果，實(shí)際測(cè)量后建立的部分刀具模型見圖6c。

(a)角度頭限位默認(rèn)位置

進(jìn)行全要素碰撞檢測(cè)，避免產(chǎn)生碰撞。普通框、梁零件模擬仿真過程中，一般只針對(duì)機(jī)床B軸擺角機(jī)構(gòu)創(chuàng)建碰撞條件。某一體化結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工過程中，整個(gè)機(jī)床的懸臂結(jié)構(gòu)(包括C軸、Z軸滑移機(jī)構(gòu))與零件的距離均非常貼近，最小距離僅有2mm，這些結(jié)構(gòu)都需要在仿真過程的碰撞檢測(cè)中添加并合理設(shè)置碰撞的間隙值(見圖7)。

圖7 結(jié)構(gòu)件模擬仿真碰撞間隙

4 結(jié)語

針對(duì)某一體化結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工技術(shù)研究突破了該零件實(shí)現(xiàn)加工制造的若干核心問題，主要研究成果如下。

(1)角度頭配合加長刀柄是增加刀具可達(dá)范圍的有效方法，能夠?qū)崿F(xiàn)某一體化結(jié)構(gòu)件的全區(qū)域刀具可達(dá)。數(shù)控加工過程中，由懸臂+加長刀柄/角度頭組成的刀具加工系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)零件加工效率、表面質(zhì)量和刀具壽命影響較大，編程時(shí)需要注意控制其整體剛性并合理設(shè)置切削參數(shù)。

(2)全要素模擬仿真對(duì)于某一體化結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工至關(guān)重要。相對(duì)于其他零件，某一體化結(jié)構(gòu)件在數(shù)控加工過程中的碰撞風(fēng)險(xiǎn)呈指數(shù)級(jí)增加，包括主軸角度調(diào)整、機(jī)床懸臂大幅伸出和主軸探入零件內(nèi)部等，這在實(shí)際加工過程中無法依靠操作者人為觀察規(guī)避。所以，在軟件模擬仿真加工時(shí)，需要對(duì)加工環(huán)境所有因素進(jìn)行精確建模和分析，提高仿真的置信度，利用全要素仿真控制碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

(3)合理預(yù)留余量補(bǔ)償變形。由于無法精確控制該尺寸結(jié)構(gòu)件的焊后變形，特別是焊接過程的振動(dòng)部分，采用線性摩擦焊將結(jié)構(gòu)件的三部分焊接為一個(gè)整體。相較于熔焊，線性摩擦焊的變形量能夠限制在相對(duì)較小的范圍內(nèi)且無須設(shè)置較大的余量包容焊接變形，提高了焊后加工效率，余量的設(shè)置需要依據(jù)工藝方法和零件結(jié)構(gòu)合理安排。

(4)四工位加工基準(zhǔn)統(tǒng)一有利于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)制造。零件數(shù)控加工過程中涉及4個(gè)工位，同時(shí)還存在焊接變形，一旦數(shù)控加工過程基準(zhǔn)傳遞出現(xiàn)問題，會(huì)嚴(yán)重影響零件的加工效率甚至產(chǎn)生尺寸超差。本次研究應(yīng)用T型基準(zhǔn)傳遞臺(tái)進(jìn)行基準(zhǔn)傳遞并設(shè)置校驗(yàn)程序，實(shí)現(xiàn)了零件多工位加工過程的基準(zhǔn)統(tǒng)一。