C系列飞机固定器类零件数字化加工技术
2021-3-26 来源： 沈阳飞机工业（集团）有限公司 作者：锁聪
摘要：为了解决C系列飞机固定器类零件加工困难的问题，设计了一种典型的数控加工工艺。针对特殊结构，设计制造专用刀具。借助三维CAM软件，编制数控加工程序，合理制定刀具轨迹，生成数控机床专用NC代码。利用几何仿真软件，对NC代码进行仿真检查，避免撞刀、过切等意外情况的发生。最后，对典型零件进行实际的切削加工，零件的尺寸精度及外形精度均符合设计图样要求，表明了此加工工艺的可行性，为C系列飞机固定器类零件的数控加工提供了一种典型的工艺方案。
关键词：数字化加工；双曲率；T型槽；数控编程；仿真检查
0 引 言
C系列飞机固定器类零件共90余项，属舱门附件，主要用于固定密封胶条。该类零件整体结构复杂，外形为复杂双曲面，内部含带曲率T型槽结构，加工困难。此外，零件各处厚度尺寸较小，加工过程中极易发生变形，尺寸精度和型面精度均不易保证。固定器类零件虽外形结构各不相同，但T型槽截面尺寸一致，属于结构相似类零件，若找到一种稳妥可靠的加工方案，即可完成全部此类零件的加工。
1、 零件分析
固定器类零件整体数量较多，通过全尺寸分析，选出一项典型零件，包含了所有 该 类 零件的典型特征，以此零件为基础，开展工艺研究，典型零件示意图如图1所示。
1.1 毛坯信息
零件由铝合金预拉伸板材机加而成，材料牌号为7475 T7351 ，材料厚度为1.5 in（约38.1 mm）。考虑到零件装夹及加工基准设置等多方面因素，毛坯尺寸需略大于零件尺寸，通过测量零件实际尺寸，最终确定毛坯长宽尺寸为350 mm×180 mm。毛坯材料为高强度铝合金，加工性能尚可，属于易加工材料。
1.2 典型结构特征
零件整体结构复杂，相对于平板零件，既有一定程度的弯曲，又有一定程度的扭曲，内外形均为复杂双曲面。此外，最为突出的则是其T型槽结构，一般零件的T型槽为简单直槽或单曲率T型槽，但该零件的T型槽跟随其内外形面，为复杂双曲率T型槽，这就给T型槽的加工带来了极大的挑战。虽然零件整体结构复杂，但是通过细致分析，也找到了一定规律。零件可近似看做一等截面结构，提取零件截面，沿着一条空间复杂曲线拉伸，即形成了三维几何实体，零件构成示意图如图2所示。对零件三维构成的清晰分析，也为后续的加工带来了新的思路。
1.3 零件尺寸及精度
零件属薄壁结构，所有厚度尺寸均为1.5 mm，尺寸公差为±0.24 mm。考虑到零件的使用需求，需在T型槽内安放密封胶条，保证密封性，故其最重要的尺寸为T型槽槽口厚度，名义尺寸为3 mm，尺寸公差为±0.2 mm。此外，为了保证零件的顺利安装，对于外形曲面也有严格要求，外形曲面的面轮廓度要求为0.25 mm。
2、 加工方案
2.1 机床的选择
该零件外廓尺寸较小，对机床工作台尺寸及加工行程并无特殊要求，但其结构复杂，存在部分开角、闭角结构且角度较大，需选择一台五坐标数控机床才能完成零件的加工[1]。通过具体分析，零件加工过程中摆角最大处发生在T型槽加工过程中，A角行程需超过±50°，C角行程需超过±180°。为了保证加工的顺利进行，选择法国FOREST-LINE机床厂生产的五坐标数控加工中心加工此零件，其A角行程为±110°，C角行程为±360°，完全满足加工需求。
2.2 刀具的选择
零件的材料为高强度铝合金，故选择两齿整体硬质合金立铣刀完成加工，针对零件不同区域，选择直径大小适宜的铣刀进行加工，尽量在刀具一次装夹后完成全部工序内容，减少换刀次数，提高加工效率[2]。
针对零件的特殊区域———T型槽，则需设计制造专用的T型刀具。专用刀具的设计需完全匹配T型槽结构，T型槽具体尺寸如图3所示。由于T型槽厚度为3 mm，底R为1.5 mm，若想完成加工，T型刀具的T型厚度与底R需与零件完全一致，而在刀具直径上，则可以比T型槽宽度17.8mm略小，这样可以分多次加工到位，减少每次加工量，保证T型槽内壁的加工质量。此外，T型槽开口宽度仅为9.7mm，还需考虑刀杆直径，避免加工过程中发生撞刀。综合以上因素，设计了一把专用T型刀具，具体的结构尺寸如图4所示，刀具直径为16 mm，刀具底R为1.5 mm，T型部分厚度为3 mm，刀具的尾部采用直柄夹持的方式，直径同样为16 mm，而在刀杆进入T型槽的部位则设置了缩颈，直径为6 mm，这种设 计 方 式 既 保 证了刀具的整体刚性，又避免了加工过程中发生刀具碰撞，可以确保专用刀具顺利完成T型槽的加工。
2.3 加工流程
零件需双面加工 ，在正式加工前需确定加工基准。将板材毛坯上下表面铣平见光，作为Z向加工基准，铣出一长一短两条直角边，作为X向和Y向加工基准。在毛坯周边布置若干压板，进行轴向压紧，压入量不宜过多，约为10 mm，避免加工过程中刀具与压板碰撞。由于压板位置均设置在毛坯周边，在一次装夹后即可完成本道工序的全部加工内容，无需窜动压板，减轻了操作人员的工作量，减少了零件生产的辅助时间。一般来讲，选择结构要素较少的一面作为第一面，优先加工，针对此零件，则选择无T型槽的一面优先加工。零件第一面为复杂双曲面，综合考量零件尺寸及加工效率，选取25R3立铣刀进行粗加工，采取轴向分层的方式，每层均匀去除余量，留余量1 mm。为了减少换刀次数，在半精加工时仍然选择此把刀具，半精加工后应保证余量均匀，为精加工做好准备。精加工时仍然无需换刀，采用定角度行切的方式，完成零件外形曲面的精加工。精加工时合理设置切削用量，保证外形曲面的加工精度及表面粗糙度符合设计要求。
第一面加工完成后，将零件翻面，进行第二面的加工，加工基准与第一面保持一致，确保双面加工零件的准确性。零件第二面虽结构较多，但仍优先加工出复杂型面，加工方式与第一面相同。然后对T型槽区域进行加工，T型槽的加工一共分两步，首先选用8R0立铣刀加工T型槽口，为后续的T型刀加工清除障碍。然后使用专用T型刀具，进行T型槽宽度的加工，宽度加工共需要3刀，第一刀从T型槽的正中间通过，左右两侧均匀留有余量，然后在左右两侧各补铣一刀，均采用顺铣的方式，完成整个T型槽的加工。最后，对零件进行切断加工，选取12R0立铣刀去除外形余量，只在零件2个端面处留有2个连接筋，厚度与零件厚度一致，待全部加工完成后，由钳工从板材毛坯上去除2个连接筋，卸下零件。
3、 数控编程
在现代化制造领域中，数控编程的软件众多，优势各有不同，怎样发挥一个软件的优势是考验一个编程人员的基本素质。在本次加工中，选用CATIA V5作为编程软件CATIA V5是航空制造业常用的一款CAM软件，其编程简单方便，数据处理能力强，针对不同的零件结构特征，可以灵活地选用不同的编程指令，完成加工。此外，该软件还具有独特的产品 (Product)/过程 (Process)/资源(Resource)模型[3]，可以提供真正的协同环境，共享流程信息，是实现人员、工具、方法和资源真正集成的基础。
3.1 编程方法
在本次加工过程中，使用五坐标数控高速铣床，高速铣削不同于普通的数控加工，在许多方面都需特殊注意，在本次数控编程中使用了如下方法[4]：1)粗加工时，采用轴向分层的方式；2) 针对复杂曲面，采用定角度行切加工；3)刀具切入材料时采用斜向下刀；4)保证刀具轨迹平稳，避免机床功率突变；5) 避免加工过程中走刀方向突变；6)粗加工后设置半精加工，保证精加工时余量均匀。
3.2 T型槽区域加工程序的编制
在CATIA V5中，有专用的T型槽加工指令GrooveMilling，但其只针对简单直槽，对于复杂双曲率T型槽则束手无策。常用的方式是使用多轴轮廓加工指令Multi-Axis Flank Contouring来进行替代编程，但该指令也存在一定弊端，即在编程过程中无法使用T型刀具，只能使用立铣刀。这就使得编程人员在编程过程中使用立铣刀来近似编制刀轨，而在实际过程中使用T型刀具来加工。这种方式不但增加了编程人员的工作难度，也使得实际加工出的零件与理论存在一定偏差，极易造成质量事故。
在本次编程过程中，尝试了多种不同的编程方式，经过多方比较 ， 最终决定使用多轴参数线加工指令Isoparametric Machining来进行T型槽加工程序的编制[5]。不同于以往选择槽侧面对刀具轨迹进行驱动，使用该指令可以选择T型槽底面，再辅以若干引导点，实现对刀具轨迹的编制。刀轴的运动方式则选择Lead and tilt，使刀轴在加工过程中随形变化，始终保持刀具轴线与所接触曲面的法向保持一致。这种五轴联动的加工方式，可以精确地控制刀具轨迹，随形加工出整个T型槽，保持产品质量，刀具轨迹示意图如图5所示。
4、 仿真检查
VERICUT是一款专为制造业设计的数控加工仿真和优化软件[6]，采用虚拟现实技术，对加工过程进行模拟，具有真实的三维实体显示效果，比传统意义上的刀路轨迹仿真更接近于实际加工情况。它可以取代传统的切削试验，真实模拟加工过程中零件、夹具、工作台、机床及刀具切削的实际情况，不仅可以对机床运动状态进行仿真，还能够对数控加工程序进行验证、优化，帮助编程人员修正编程错误，该软件已经成为提高数控加工质量的高效工具。VERICUT系统环境下实现数控加工过程的仿真，通过以下几个步骤实现[7]：1)建立数控机床模型，配置控制系统；2)建立刀具库，定义刀具类型及参数属性；3)调入毛坯模型、零件模型；4)调入NC数控程序；5)虚拟加工仿真，使用自动比对模块检查。
按照上述步骤对零件加工过程进行仿真，对数控加工程序进行切伤及残余检验，通过软件参数的设定，切伤及残余可以用不同颜色显示出来。VERICUT仿真可以使用前置程序，也可以使用后置程序，在本次仿真时使用后置程序，保证仿真程序与最终加工程序一致，避免中间环节错误导致意外情况发生。依据仿真结果，不断修改完善数控加工程序，直至没有切伤及残余发生。
5、 结 论
在本文工作中，设计了一种典型的C系列飞机固定器类零件的数控加工工艺。选取典型零件，针对其复杂双曲率T型槽结构，设计制造了专用刀具，完成特殊区域的加工。借助CATIA V5软件，巧妙运用各种指令，编制数控加工程序，生成数控机床专用NC代码。通过VERICUT软件对NC代码进行仿真，避免加工过程中意外情况的发生。最后，使用五坐标高速数控加工中心对典型零件进行了实际加工，零件的尺寸精度及外形精度均符合设计图样要求。切削结果表明，该工艺方案可以完成典型零件的数控加工，加工效果良好。考虑到固定器类零件结构相似，该类零件均可以使用此种数控加工方案完成加工。
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