摘要：首先介紹了鏡像銑加工系統(tǒng)及其兩種零件裝夾方式，然后分析了零件加工質(zhì)量控制指標(biāo)，最后針對(duì)邊緣夾持式鏡像銑，從加工零件的選擇、零件裝夾策略、刀具選擇及蒙皮銑切策略規(guī)劃4個(gè)方面分析討論了飛機(jī)蒙皮鏡像銑切加工工藝策略，并提出了相應(yīng)的指導(dǎo)意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)制造；飛機(jī)蒙皮；鏡像銑；工藝策略

中圖分類(lèi)號(hào)：V262.3+2 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " "文章編號(hào)：1671-0797（2023）02-0078-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.022

0 " "引言

飛機(jī)蒙皮鏡像銑切技術(shù)是一種應(yīng)用于變厚度金屬蒙皮加工的新型技術(shù)，一臺(tái)機(jī)床便能夠完成零件的減薄切邊及鉆孔工作，相較于傳統(tǒng)的化銑工藝，有著污染小、周轉(zhuǎn)周期短的特點(diǎn)[1]。飛機(jī)蒙皮零件作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要承力件，精度要求較為嚴(yán)格，同時(shí)其加工工藝復(fù)雜，在鏡像銑切之前一般已完成熱處理和成型等高成本工序。鏡像銑作為蒙皮制造新技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的機(jī)械加工，因此對(duì)蒙皮鏡像銑切加工工藝策略進(jìn)行分析討論，以最大程度保證蒙皮加工效率與質(zhì)量是非常必要的。

1 " "鏡像銑加工系統(tǒng)

鏡像銑加工系統(tǒng)主要組成部分為兩臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)的臥式機(jī)床和工件夾持系統(tǒng)。兩臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)的機(jī)床主軸頭分別為銑削頭和支撐頭，二者在加工過(guò)程中始終在同一法矢方向同步運(yùn)動(dòng)[2]。鏡像銑能夠在下陷區(qū)厚度銑切過(guò)程中通過(guò)集成在支撐頭上的超聲波測(cè)厚裝置實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)蒙皮的厚度，并能按照檢測(cè)的結(jié)果實(shí)時(shí)做出相應(yīng)加工補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整，實(shí)現(xiàn)蒙皮結(jié)構(gòu)壁厚實(shí)時(shí)自適應(yīng)鏡像銑削加工。

鏡像銑的夾持系統(tǒng)目前主要分為兩種，一種是矩陣工裝夾持，另一種是邊緣柔性?shī)A持。矩陣工裝可以按程序生成蒙皮理論型面點(diǎn)陣，并通過(guò)工裝附帶的兩個(gè)定位器定位零件，而后吸盤(pán)對(duì)零件進(jìn)行真空吸附，完成零件的夾持[3]。邊緣柔性?shī)A持則通過(guò)連接在支撐桿上的夾爪夾住零件邊緣實(shí)現(xiàn)零件夾持。邊緣柔性?shī)A持工裝的夾爪可在一定角度范圍內(nèi)自由擺動(dòng)，同時(shí)支撐桿可伸縮和擺動(dòng)。裝夾零件時(shí)移動(dòng)連接在支撐桿上的夾爪至零件邊緣，夾爪自適應(yīng)地貼近蒙皮，然后夾緊夾爪并鎖緊支撐桿，完成零件夾持。矩陣工裝夾持雖可有效保持零件形狀，但在零件加工時(shí)工裝與機(jī)床支撐頭干涉，加工過(guò)程中需不斷調(diào)整支撐單元陣列布局，影響加工效率。邊緣夾持工裝相對(duì)矩陣工裝，其保形能力較差，但邊緣夾持時(shí)零件夾持和主軸支撐相互分離，不會(huì)相互干涉，操作復(fù)雜性低。邊緣柔性?shī)A持式鏡像銑夾持系統(tǒng)如圖1[4]所示。

以邊緣夾持為例說(shuō)明鏡像銑的加工工藝流程[4]：

（1）零件水平放置，通過(guò)柔性多點(diǎn)支撐工裝和激光投影大致定位；

（2）邊緣柔性?shī)A持工裝夾持零件；

（3）工裝臥立翻轉(zhuǎn)后送進(jìn)加工室；

（4）蒙皮型面掃描；

（5）依據(jù)掃描的實(shí)際型面修正零件加工程序；

（6）鏡像銑加工；

（7）零件送出加工室并卸料，零件加工完畢。

本文所探討的加工策略也均針對(duì)邊緣夾持式鏡像銑切系統(tǒng)。

2 " "零件加工質(zhì)量控制指標(biāo)及檢測(cè)方法

鏡像銑用于加工零件下陷區(qū)和邊緣輪廓，零件關(guān)鍵質(zhì)量控制指標(biāo)為下陷區(qū)厚度和零件開(kāi)孔及邊緣輪廓切割精度，與之相關(guān)聯(lián)的還有下陷區(qū)加工表面相鄰刀路階差和表面粗糙度。鏡像銑下陷區(qū)厚度檢測(cè)可以用機(jī)床支撐頭的測(cè)厚裝置進(jìn)行檢測(cè)，還可以采用手持式超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行檢測(cè)，階差可用光學(xué)缺陷階差測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢測(cè)，表面粗糙度可用對(duì)比塊或粗糙度儀進(jìn)行檢測(cè)，零件開(kāi)孔和邊緣輪廓切割精度可用檢驗(yàn)?zāi)Ｌz測(cè)。蒙皮鏡像銑所采用的加工策略應(yīng)能夠保證或提升零件加工質(zhì)量，在滿足質(zhì)量要求的前提下提高加工效率。

3 " "蒙皮零件鏡像銑加工策略

3.1 " "加工零件的選擇

3.1.1 " "零件結(jié)構(gòu)要求

采用鏡像銑加工的零件需滿足一些結(jié)構(gòu)特性要求，只有滿足了這些特性要求，才能保證加工的質(zhì)量。

首先是對(duì)下陷區(qū)輪廓的要求。與化銑刻線形成零件下陷區(qū)輪廓不同，鏡像銑下陷區(qū)輪廓由銑刀加工而成，因此下陷區(qū)輪廓對(duì)最小轉(zhuǎn)角半徑有要求，最小轉(zhuǎn)角半徑不應(yīng)小于刀具半徑。

其次是對(duì)零件型面的要求。鏡像銑加工零件應(yīng)曲面光順，不能出現(xiàn)突變區(qū)域，這是因?yàn)橐粊?lái)受機(jī)床結(jié)構(gòu)影響，當(dāng)零件曲率過(guò)大時(shí)機(jī)床主軸頭會(huì)與零件干涉；二來(lái)受加工原理影響，銑刀端面為平面，而零件型面為曲面，用平面銑刀銑曲面時(shí)銑刀底面不同位置處與零件外表面距離是不同的，當(dāng)零件曲率較大時(shí)，這種距離不同難以忽略，表現(xiàn)為實(shí)際加工零件局部厚度超差或相鄰刀路階差過(guò)大，不能滿足相關(guān)質(zhì)量要求，前緣類(lèi)蒙皮零件就不適合采用鏡像銑加工。

再次是對(duì)零件厚度的要求。鏡像銑優(yōu)先選擇加工厚零件而不宜加工薄零件，原因如下：首先越薄的零件下陷區(qū)厚度設(shè)計(jì)公差要求越嚴(yán)格，鏡像銑的實(shí)時(shí)厚度補(bǔ)償裝置對(duì)于不同厚度的補(bǔ)償能力是相同的，所以薄零件不適合鏡像銑加工。

最后，鏡像銑加工零件時(shí)存在切削力，會(huì)使零件振顫變形，雖然實(shí)時(shí)測(cè)厚補(bǔ)償裝置能夠自適應(yīng)補(bǔ)償，但是其調(diào)整能力有限，邊緣柔性?shī)A持時(shí)零件處于懸空狀態(tài)，剛性較弱，對(duì)于薄零件更是如此。

綜上所述，鏡像銑所加工的零件應(yīng)具有足夠的剛性，這樣才有利于保證零件的加工質(zhì)量。

3.1.2 " "零件成型工藝選擇

大尺寸蒙皮零件成型工藝主要有滾彎成型和拉形成型。滾彎成型用于單曲度的蒙皮零件成型，效率低且精度不高。拉形成型是毛料按拉形模在拉伸機(jī)上拉伸成型，可成型單曲度和雙曲度零件。拉形成型表面質(zhì)量好，外形準(zhǔn)確度高[5]。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，滾彎成型的零件成型后內(nèi)應(yīng)力較大，在鏡像銑銑切下陷后，零件由于應(yīng)力釋放變形較大，加工過(guò)程中需增加蒙皮型面掃描及程序匹配次數(shù)，影響加工效率。使用拉形成型的蒙皮在加工過(guò)程中變形較小，加工效率和質(zhì)量均能得到有效保證，因此鏡像銑加工的零件應(yīng)優(yōu)先選用拉形成型工藝。

3.2 " "零件裝夾策略

零件裝夾實(shí)施工藝流程如下：先將零件水平放置在柔性多點(diǎn)控制工裝上，再通過(guò)編程控制柔性多點(diǎn)支撐工裝立柱升起，形成蒙皮理論型面支撐起零件；激光投影儀投影出蒙皮定位孔中心線和輪廓線；手動(dòng)移動(dòng)零件使零件定位孔中心和激光投影出的定位孔中心線重合，完成零件在空間中的定位；最后手工操縱邊緣柔性?shī)A持工裝參照激光投影出的零件輪廓及輔助裝夾線夾緊零件，完成零件裝夾。由上述實(shí)施工藝流程可知，零件在裝夾實(shí)施前需要做好兩項(xiàng)準(zhǔn)備工作：一是對(duì)柔性多點(diǎn)支撐工裝編程，二是在數(shù)模中設(shè)計(jì)出邊緣柔性?shī)A持工裝夾爪夾持位置的輔助裝夾線用于激光投影。

在對(duì)柔性多點(diǎn)支撐工裝編程時(shí)需考慮如下要求：柔性多點(diǎn)支撐工裝的支撐位置決定了零件在加工室內(nèi)的位置，在對(duì)柔性多點(diǎn)支撐工裝編程前應(yīng)規(guī)劃好零件與工裝的空間相對(duì)位置，保證零件送進(jìn)加工室后在雙五軸機(jī)床行程之內(nèi)。輔助裝夾線的繪制則參照下列原則：在蒙皮件設(shè)計(jì)模型的外輪廓上，沿工件長(zhǎng)度和工件寬度方向上，以邊緣柔性?shī)A持工裝間距為距離設(shè)置投影點(diǎn)。過(guò)各投影點(diǎn)，以各投影點(diǎn)為中心，分別沿工件長(zhǎng)度或工件寬度方向上延伸100 mm，完成激光投影輔助裝夾線的裝配繪制。

零件裝夾還應(yīng)滿足應(yīng)無(wú)應(yīng)力要求。隨著加工過(guò)程的進(jìn)行，零件下陷區(qū)材料被不斷去除，零件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)也在不斷改變。當(dāng)零件裝夾存在較大應(yīng)力時(shí)，零件在加工過(guò)程中可能會(huì)形狀突變，這種形狀突變一旦超出機(jī)床補(bǔ)償能力將導(dǎo)致零件厚度超差，后果嚴(yán)重。因此，零件應(yīng)無(wú)應(yīng)力裝夾。裝夾應(yīng)力存在的原因一般是零件裝夾時(shí)沒(méi)有調(diào)整好邊緣柔性?shī)A持工裝使之符合零件形狀，導(dǎo)致零件局部變形產(chǎn)生應(yīng)力，零件裝夾時(shí)應(yīng)避免這種情況發(fā)生。

3.3 " "刀具選擇

對(duì)于鏡像銑切應(yīng)選用專(zhuān)用刀具來(lái)保證加工過(guò)程穩(wěn)定并抑制切削振動(dòng)。航空數(shù)控加工領(lǐng)域的產(chǎn)品一般為鋁合金零件，零件材料對(duì)銑刀性能要求不高，為便于排屑并控制成本，零件加工一般選用大螺旋角的整體硬質(zhì)合金銑刀。但對(duì)于鏡像銑切加工來(lái)說(shuō)，減小切削力保證切削過(guò)程穩(wěn)定尤為重要。鏡像銑加工應(yīng)選用小螺旋角刀具，減小軸向力，保證零件不沿型面法向方向受力移動(dòng)，避免對(duì)切削補(bǔ)償造成不利影響。同時(shí)刀具需足夠鋒利，切削刃要采用大前角設(shè)計(jì)，有利于減小切削力。刀具材料應(yīng)剛性強(qiáng)、耐磨損壽命長(zhǎng)，一般選用PCD刀具等高性能刀具，此類(lèi)刀具在保證加工效果穩(wěn)定的同時(shí)還能提高加工表面光潔度，滿足設(shè)計(jì)提出的粗糙度要求。

鏡像銑切時(shí)還應(yīng)合理選擇刀具直徑。機(jī)床支撐頭附帶測(cè)厚裝置用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具中心處加工厚度，依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果做出實(shí)時(shí)法向補(bǔ)償。測(cè)厚原理為超聲波測(cè)厚，鏡像銑所選刀具最小直徑應(yīng)大于超聲波測(cè)厚探頭的直徑，否則在零件加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)測(cè)厚不穩(wěn)定的情況，同時(shí)刀具直徑較小還會(huì)影響零件加工效率。刀具直徑也不能選擇過(guò)大，銑刀端面為平面，而零件型面為曲面，用平面銑刀銑曲面時(shí)銑刀底面不同位置處與零件外表面距離是不同的。當(dāng)銑刀直徑增大時(shí)對(duì)應(yīng)的曲面面積也會(huì)增大，上述距離不同差值也會(huì)增大，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致零件厚度超差。如圖2所示，Da為測(cè)量厚度，Db為小直徑銑刀距離偏差，Dc為大直徑銑刀距離偏差，Dc明顯大于Db。

3.4 " "蒙皮銑切策略規(guī)劃

3.4.1 " "下陷區(qū)特征加工

蒙皮下陷區(qū)加工流程如下：首先利用激光掃描系統(tǒng)對(duì)蒙皮外表面（非下陷加工面）進(jìn)行激光掃描，獲取毛坯外表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后使用點(diǎn)云處理軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，刪除噪點(diǎn)和多余數(shù)據(jù)點(diǎn)，再將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)，獲得蒙皮件實(shí)際幾何模型。之后通過(guò)專(zhuān)用軟件，依據(jù)毛坯外表面實(shí)際幾何模型、理論曲面點(diǎn)云、實(shí)際定位點(diǎn)和理論定位點(diǎn)的數(shù)據(jù)，建立毛坯件與工件設(shè)計(jì)模型的映射關(guān)系。最后根據(jù)下陷區(qū)特征加工的理論刀路，通過(guò)特征匹配與刀路補(bǔ)償，獲得毛坯件上下陷區(qū)特征的加工實(shí)際刀路，并進(jìn)行特征加工過(guò)程仿真校驗(yàn)。仿真校驗(yàn)合格后用于零件加工。

加工坐標(biāo)系選擇：一般以蒙皮件的定位孔為坐標(biāo)系原點(diǎn)，沿蒙皮件長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸方向，沿蒙皮件寬度方向?yàn)閅軸方向，過(guò)坐標(biāo)系原點(diǎn)沿遠(yuǎn)離工件的法向?yàn)閆軸方向，建立工件設(shè)計(jì)模型的加工坐標(biāo)系。這樣選擇坐標(biāo)系與零件裝夾狀態(tài)相一致，可以使實(shí)物毛坯與工件的設(shè)計(jì)模型盡可能貼合，以孔為坐標(biāo)系原點(diǎn)還便于現(xiàn)場(chǎng)操作。

下陷區(qū)加工順序安排為零件加工應(yīng)采用從中間到邊緣的加工順序。這樣安排加工順序有如下理由：

（1）零件采用邊緣夾持方式時(shí)，零件邊緣在夾持工裝的支撐下剛性較好，而零件中間由于沒(méi)有支撐剛性較差。若先加工邊緣區(qū)域，邊緣區(qū)域減薄后剛性變?nèi)?，?shì)必會(huì)導(dǎo)致零件中間區(qū)域剛性更弱，對(duì)加工產(chǎn)生更加不利的影響，而先加工中間區(qū)域再加工邊緣區(qū)域時(shí)則無(wú)上述情況。

（2）零件采用先中間再邊緣的加工順序能減小零件變形。采用這種順序加工零件時(shí)，零件四周受力平衡，變形均勻，若采用從一側(cè)至另一側(cè)的加工順序，零件受力不平衡，變形也會(huì)更嚴(yán)重，從而增加零件掃描次數(shù)，影響零件加工效率和質(zhì)量。

下陷區(qū)刀具加工軌跡規(guī)劃：蒙皮下陷區(qū)銑削過(guò)程中，要求刀具軌跡滿足無(wú)交叉、無(wú)殘留、無(wú)抬刀[6]，典型刀軌如圖3所示。鏡像銑系統(tǒng)附帶的刀軌生成軟件一般能自動(dòng)生成滿足上述條件的刀軌，但所生成的刀軌沿不同的優(yōu)選加工方向不只有一種，需要依據(jù)零件型面特點(diǎn)對(duì)刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)選。理論而言，刀軌應(yīng)沿曲率變化較小的方向盡量長(zhǎng)，這樣可以減少加工時(shí)刀軸的連續(xù)擺動(dòng)，提高加工質(zhì)量及效率[6]。

為確定刀軌優(yōu)選原則曾開(kāi)展不同刀軌的加工試驗(yàn)，試驗(yàn)件為單曲度零件，試驗(yàn)制定了3種刀軌路線：沿曲面母線（長(zhǎng)度）方向、沿圓周（寬度）方向、環(huán)形方向。試驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)床在沿不同刀路軌跡銑切過(guò)程中控制厚度情況接近，但沿曲率變化較大的圓周方向走刀情況下，加工表面平整觀感較好，相鄰刀路間階差觸感不明顯，優(yōu)于沿長(zhǎng)度方向走刀及環(huán)形走刀，所以銑切蒙皮下陷時(shí)優(yōu)先采用沿曲率變化較大方向走刀的銑切方式。工程應(yīng)用過(guò)程中還需要依據(jù)實(shí)際加工效果及零件質(zhì)量要求規(guī)劃刀具加工軌跡。

3.4.2 " "蒙皮開(kāi)口及邊緣輪廓特征加工

蒙皮開(kāi)口及邊緣輪廓特征加工流程與下陷區(qū)特征加工流程基本一致，先掃描實(shí)際型面，再將理論刀路進(jìn)行特征匹配與刀路補(bǔ)償獲得加工實(shí)際刀路，仿真后進(jìn)行加工。加工時(shí)先加工零件內(nèi)部開(kāi)口再加工零件外形輪廓。數(shù)控編程時(shí)，刀軸法向于曲面，待加工表面為試件外表面。輪廓切割時(shí)需設(shè)置連接筋來(lái)保證零件與毛料的連接，連接筋一般設(shè)置在接近夾爪處，這樣可保證工裝夾持強(qiáng)度，減小零件變形。輪廓切割需一次完成，選用低進(jìn)給高鉆速的切削參數(shù)保證切割端面質(zhì)量。開(kāi)口加工時(shí)通常將粗加工的邊界余量設(shè)置為0.5 mm，然后精加工至零件設(shè)計(jì)尺寸。開(kāi)口的加工需從中心處向四周環(huán)形走刀，將多余材料銑掉，不能只沿輪廓切割而使零件多余材料整塊掉落，這樣零件重量會(huì)突然變化導(dǎo)致零件振動(dòng)，影響零件加工質(zhì)量。

4 " "結(jié)語(yǔ)

臥式雙五軸鏡像銑在零件加工過(guò)程中一次裝夾便能完成整個(gè)下陷區(qū)及內(nèi)外輪廓、孔的加工，相對(duì)化銑有著綠色、工藝流程簡(jiǎn)單等固有優(yōu)點(diǎn)，是蒙皮加工技術(shù)發(fā)展方向之一。鏡像銑加工零件的選擇、零件裝夾策略、刀具選擇及蒙皮銑切策略規(guī)劃均會(huì)影響零件加工質(zhì)量及效率，本文所分析的飛機(jī)蒙皮鏡像銑加工工藝策略均是在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中不斷總結(jié)得出的。目前，鏡像銑的應(yīng)用依然處于不斷摸索的階段，希望本文的研究能對(duì)鏡像銑的工程應(yīng)用起到一定的參考和指導(dǎo)作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 魯達(dá).新一代飛機(jī)蒙皮綠色加工技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2010（16）：102-103.

[2] 鮑巖.面向飛機(jī)蒙皮制造的薄板鏡像銑削工藝基礎(chǔ)[D].大連：大連理工大學(xué)，2018.

[3] 徐明，向兵飛，李響，等.蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)及先進(jìn)制造工藝的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014（11）：40-43.

[4] 張志國(guó)，徐學(xué)民.MMS：新型綠色蒙皮加工系統(tǒng)[J].航空制造技術(shù)，2010（19）：84-86.

[5] 王海宇.飛機(jī)鈑金工藝學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[6] 周鑫.基于特征的飛機(jī)蒙皮數(shù)控編程技術(shù)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2015.

收稿日期：2022-09-14

作者簡(jiǎn)介：宋士英（1995—），男，遼寧葫蘆島人，工程師，主要從事鈑金數(shù)控加工工作。