林海鵬,謝保光,李輝
沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司技術(shù)檢驗(yàn)中心 遼寧沈陽 110031
近年來,隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷進(jìn)步,我國航空制造技術(shù)得到飛速發(fā)展,形成了以信息化方式驅(qū)動的航空產(chǎn)品制造,實(shí)現(xiàn)了裝備、工藝、管理和服務(wù)的數(shù)字化、自動化及智能化,以適應(yīng)飛機(jī)發(fā)展的技術(shù)要求,大幅度提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。隨著飛機(jī)性能的不斷提升,飛機(jī)零件的復(fù)雜程度以及質(zhì)量控制精度要求也隨之提升,其中鈦合金支臂是飛機(jī)中央翼與主起落架裝配結(jié)構(gòu)中最重要的承力結(jié)構(gòu)件之一,起到支撐和固定主起落架的作用[2]。在進(jìn)行支臂零件型面公差質(zhì)量要素的工藝設(shè)計(jì)時,需要進(jìn)行大膽的改進(jìn)和創(chuàng)新,研究工藝流程方法、數(shù)控加工及測量等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全數(shù)字化智能制造。
鈦合金支臂(外形酷似鯰魚頭)是中央翼主起落架最重要的承力結(jié)構(gòu)件之一,結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,材料及狀態(tài):TA15M,外廓尺寸:430mm×230mm×165mm,毛坯結(jié)構(gòu)形式:模鍛件,毛坯質(zhì)量:15kg。零件腹板處一側(cè)為平面,另一側(cè)為5層漸進(jìn)臺階結(jié)構(gòu),零件頭部直耳片和斜耳片交叉分布。支臂零件在飛機(jī)裝配時,腹板底面與二墻相連接,法蘭盤面與中央翼下壁板連接,直耳片連接進(jìn)氣道加強(qiáng)框的吊掛接頭,斜耳片與鈦合金支柱相連接,支撐和固定主起落架,在飛機(jī)著陸時承受20多噸載荷。通過零件數(shù)模及裝配使用要求可知,支臂零件不僅尺寸公差范圍和表面質(zhì)量要求高,還要保證各尺寸要素之間的位置精度和協(xié)調(diào)配合要求,所以支臂零件耳片相對于基準(zhǔn)孔的型面公差(±0.3mm)質(zhì)量要素最為重要。
圖1 支臂零件結(jié)構(gòu)示意
零件原工藝加工方案采用常規(guī)銑床,各型面的加工均需經(jīng)過劃線、銑削和鉗工處理來完成,工序有110道之多,加工過程使用銑削夾具左右件共6套、鏜削夾具4套以及劃線樣板6套。零件加工工位多,周轉(zhuǎn)等待及準(zhǔn)備時間長,勞動強(qiáng)度大,加工過程控制需多套工裝、多次裝夾,零件加工基準(zhǔn)不統(tǒng)一,誤差大,質(zhì)量波動較大,質(zhì)量一致性差,嚴(yán)重影響裝配使用質(zhì)量要求及生產(chǎn)進(jìn)度需求。
在航空結(jié)構(gòu)件中,零件檢測是一個重要環(huán)節(jié),是保證零件制造質(zhì)量、改進(jìn)制造方法和提高生產(chǎn)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。依托零件圖樣要求及工藝加工方案,設(shè)計(jì)專用檢驗(yàn)夾具和模線樣板,其檢測采用普通工具(卡尺等)與專用工具(模線樣板、檢驗(yàn)夾具等)相結(jié)合的測量方式。零件第6肋軸線位置、法蘭盤位置、斜耳片位置和直耳片位置按檢驗(yàn)夾具加工,法蘭盤外形及腹板外形按模線樣板加工。零件在檢驗(yàn)夾具上的檢驗(yàn)要求為:零件第6肋軸線面對準(zhǔn)檢驗(yàn)夾具上第6肋軸線面(按照指令性交接狀態(tài)表要求,允許低0.6mm),同時插入φ22f9定位銷和φ12f9定位銷,檢查法蘭盤內(nèi)側(cè)、斜耳片內(nèi)側(cè)及直耳片背面與檢驗(yàn)夾具間隙值,法蘭盤內(nèi)側(cè)與檢驗(yàn)夾具的間隙值為2.3+0.60mm,斜耳片內(nèi)側(cè)與檢驗(yàn)夾具的間隙值為5+0.30mm,直耳片背面與檢驗(yàn)夾具的間隙值為2.2+0.30mm,并保證兩個檢驗(yàn)銷棒轉(zhuǎn)動靈活。通過檢查3件零件不同間隙位置,測得零件各部位與檢驗(yàn)夾具的間隙值見表1,可知零件間隙個別位置存在超差且加工質(zhì)量波動較大,質(zhì)量一致性差,檢測過程繁瑣且技能要求高,驗(yàn)收效率低。
表1 采用檢驗(yàn)夾具檢查的間隙值 (單位:mm)
針對支臂零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn),制定數(shù)字化加工工藝方案,明確工藝準(zhǔn)備要求,分析誤差產(chǎn)生的各方面原因及需要注意的問題,并以此為基礎(chǔ),對零件加工過程進(jìn)行合理計(jì)劃。經(jīng)過測量模擬對比分析,當(dāng)零件第6肋軸線面與檢驗(yàn)夾具6肋軸線定位面齊平的狀態(tài)下,兩檢驗(yàn)銷棒方能靈活轉(zhuǎn)動,被測面與檢驗(yàn)夾具檢查面間隙值較為穩(wěn)定。所以初步工藝方案為:在法蘭盤內(nèi)側(cè)留1mm余量,外側(cè)留2mm余量,待試切后根據(jù)實(shí)際間隙測量值調(diào)整數(shù)控程序偏移量,直至滿足檢驗(yàn)夾具要求,從而固化程序偏移量。另外,需將零件第6肋軸線面向下偏移0.2mm,以保證另一側(cè)筋條厚度方便加工。
零件初次試切后,通過分析零件與檢驗(yàn)夾具測量間隙值,發(fā)現(xiàn)零件直耳片位置完全符合檢驗(yàn)夾具要求,斜耳片與檢驗(yàn)夾具測量間隙值比理論值小0.5~0.6mm,則零件二次加工時斜耳片內(nèi)側(cè)需向外偏0.6mm。二次加工法蘭盤,在去除留有的余量后,法蘭盤與檢驗(yàn)夾具的間隙與理論間隙值差0.3mm,三次加工時將法蘭盤向外側(cè)偏移原有的1mm余量的同時,再向外偏0.3mm,從而使法蘭盤各點(diǎn)滿足檢驗(yàn)夾具公差值要求。因斜耳片厚度公差較?。?8f9),在加工時內(nèi)、外側(cè)均留0.1~0.2mm的余量,由鉗工研磨保證厚度公差要求。
經(jīng)過三次試加工調(diào)整后,按最新優(yōu)化工藝方案進(jìn)行加工,經(jīng)檢驗(yàn)夾具測量,零件完全符合理論間隙值要求。通過優(yōu)化加工方案,零件從普通銑床轉(zhuǎn)移到數(shù)控銑床上加工,從毛坯投產(chǎn)到產(chǎn)品交付加工工序減少至20個,大大縮短了工藝流程和生產(chǎn)周期。同時,零件各耳片上孔的加工使用同一銑削夾具在不同機(jī)床上完成加工,減少了工裝的使用頻次,降低了勞動強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)效率。
隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展,飛機(jī)制造已逐步由模擬量傳遞向數(shù)字量傳遞過渡,大量零件產(chǎn)品都采用數(shù)控加工,既提高了產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性,也減少了檢驗(yàn)樣板、卡板及檢驗(yàn)夾具等量具的設(shè)計(jì)、制造費(fèi)用,其產(chǎn)品的檢驗(yàn)一般由數(shù)控測量機(jī)來完成[3]。
分析產(chǎn)品數(shù)模數(shù)據(jù)集,按照設(shè)計(jì)基準(zhǔn)建立測量坐標(biāo)系,也可通過被測表面拾取特征點(diǎn)擬合坐標(biāo)系,執(zhí)行測量程序的參考坐標(biāo)系,測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的提取應(yīng)在測量坐標(biāo)系下進(jìn)行,測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的參數(shù)包括理論點(diǎn)坐標(biāo)值及點(diǎn)的矢量方向(方向余弦)。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及尺寸大小,結(jié)合零件曲面的曲率變化,確定分布數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù),具體分布及點(diǎn)數(shù)見圖2。
圖2 支臂零件測量點(diǎn)分布示意
該類型面的測量一般采用點(diǎn)位測量法,三坐標(biāo)測量機(jī)測量過程如圖3所示,測量步驟如下。
圖3 測量過程
1)選擇測量工具的類型、規(guī)格,確定工具的安裝狀態(tài)。
2)向測量機(jī)的計(jì)算機(jī)輸入曲面名義點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù),如位移矢量坐標(biāo)P(X,Y,Z)和法向矢量N(Nx,Ny,Nz)。
3)測量機(jī)定位點(diǎn)開始沿法向N慢速向工件的被測點(diǎn)趨近,當(dāng)接觸狀態(tài)達(dá)到要求后發(fā)出零信號,對測量點(diǎn)進(jìn)行檢測,讀數(shù)頭在X軸、Y軸和Z軸上分別測量數(shù)據(jù)。
4)將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)中處理,進(jìn)行理論值與實(shí)測值的比較,得到法向誤差值。
5)輸出測量誤差值。
測量程序編制完成后,通過使用組合式工裝與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系,快速設(shè)定檢測坐標(biāo)系,運(yùn)行測量程序后即可得出被測點(diǎn)位的坐標(biāo)值、與理論坐標(biāo)比對值以及判定結(jié)果值。支臂零件26個測量點(diǎn)位的型面公差測量結(jié)果如圖4所示。
圖4 支臂零件型面公差測量結(jié)果
1)三坐標(biāo)測量機(jī)測量精度高,且檢測質(zhì)量一致性好,避免了量具磨損或人為造成的誤差,更好地保證了零件質(zhì)量要求和裝配使用需求。
2)三坐標(biāo)測量機(jī)檢測效率高,基于橋式三坐標(biāo)測量機(jī)可以建立快速測量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)支臂零件加工完成后的快速測量,從而提高零件的檢測速度與周轉(zhuǎn)周期。
3)測量結(jié)果可反映出其質(zhì)量波動變化情況,若將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理分析,可有針對性地規(guī)避或預(yù)防后續(xù)生產(chǎn)或裝配過程中產(chǎn)生的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn),用于生產(chǎn)過程穩(wěn)定性監(jiān)控,為生產(chǎn)過程的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。
根據(jù)鈦合金支臂結(jié)構(gòu)及材料特點(diǎn),研究了零件數(shù)控加工的工藝、編程技術(shù)和組合式快速測量等關(guān)鍵技術(shù),對原工藝方案進(jìn)行大膽改進(jìn),尤其是斜耳片厚度、兩耳片交接處等關(guān)鍵部位的加工質(zhì)量控制,優(yōu)化了工藝質(zhì)量控制流程。通過在飛機(jī)中、小結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)線上的應(yīng)用,證明了加工過程質(zhì)量控制方案不僅提高了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)件加工效率,而且穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量一致性,提升了表面質(zhì)量,避免了零件變形,保證了零件的關(guān)鍵尺寸,完全滿足裝配要求。