飞机蒙皮镜像铣切加工工艺策略分析

引言

飞机蒙皮镜像铣切技术是一种应用于变厚度金属蒙皮加工的新型技术,一台机床便能够完成零件的减薄切边及钻孔工作,相较于传统的化铣工艺,有着污染小、周转周期短的特点。飞机蒙皮零件作为飞机结构的重要承力件,精度要求较为严格,同时其加工工艺复杂,在镜像铣切之前一般已完成热处理和成型等高成本工序。镜像铣作为蒙皮制造新技术,不同于传统的机械加工,因此对蒙皮镜像铣切加工工艺策略进行分析讨论,以最大程度保证蒙皮加工效率与质量是非常必要的。

l镜像铣加工系统

镜像铣加工系统主要组成部分为两台同步运动的卧式机床和工件夹持系统。两台同步运动的机床主轴头分别为铣削头和支撑头,二者在加工过程中始终在同一法矢方向同步运动。镜像铣能够在下陷区厚度铣切过程中通过集成在支撑头上的超声波测厚装置实时自动检测蒙皮的厚度,并能按照检测的结果实时做出相应加工补偿的调整,实现蒙皮结构壁厚实时自适应镜像铣削加工。

镜像铣的夹持系统目前主要分为两种,一种是矩阵工装夹持,另一种是边缘柔性夹持。矩阵工装可以按程序生成蒙皮理论型面点阵,并通过工装附带的两个定位器定位零件,而后吸盘对零件进行真空吸附,完成零件的夹持。边缘柔性夹持则通过连接在支撑杆上的夹爪夹住零件边缘实现零件夹持。边缘柔性夹持工装的夹爪可在一定角度范围内自由摆动,同时支撑杆可伸缩和摆动。装夹零件时移动连接在支撑杆上的夹爪至零件边缘,夹爪自适应地贴近蒙皮,然后夹紧夹爪并锁紧支撑杆,完成零件夹持。矩阵工装夹持虽可有效保持零件形状,但在零件加工时工装与机床支撑头干涉,加工过程中需不断调整支撑单元阵列布局,影响加工效率。边缘夹持工装相对矩阵工装,其保形能力较差,但边缘夹持时零件夹持和主轴支撑相互分离,不会相互干涉,操作复杂性低。边缘柔性夹持式镜像铣夹持系统如图1所示。

图1边缘柔性夹持

以边缘夹持为例说明镜像铣的加工工艺流程:

(1)零件水平放置,通过柔性多点支撑工装和激光投影大致定位:

(2)边缘柔性夹持工装夹持零件:

(3)工装卧立翻转后送进加工室:

(4)蒙皮型面扫描:

(5)依据扫描的实际型面修正零件加工程序:

(6)镜像铣加工:

(7)零件送出加工室并卸料,零件加工完毕。

本文所探讨的加工策略也均针对边缘夹持式镜像铣切系统。

2零件加工质量控制指标及检测方法

镜像铣用于加工零件下陷区和边缘轮廓,零件关键质量控制指标为下陷区厚度和零件开孔及边缘轮廓切割精度,与之相关联的还有下陷区加工表面相邻刀路阶差和表面粗糙度。镜像铣下陷区厚度检测可以用机床支撑头的测厚装置进行检测,还可以采用手持式超声波测厚仪进行检测,阶差可用光学缺陷阶差测量仪进行检测,表面粗糙度可用对比块或粗糙度仪进行检测,零件开孔和边缘轮廓切割精度可用检验模胎检测。蒙皮镜像铣所采用的加工策略应能够保证或提升零件加工质量,在满足质量要求的前提下提高加工效率。

3蒙皮零件镜像铣加工策略

3.1加工零件的选择

3.1.1零件结构要求

采用镜像铣加工的零件需满足一些结构特性要求,只有满足了这些特性要求,才能保证加工的质量。

首先是对下陷区轮廓的要求。与化铣刻线形成零件下陷区轮廓不同,镜像铣下陷区轮廓由铣刀加工而成,因此下陷区轮廓对最小转角半径有要求,最小转角半径不应小于刀具半径。

其次是对零件型面的要求。镜像铣加工零件应曲面光顺,不能出现突变区域,这是因为一来受机床结构影响,当零件曲率过大时机床主轴头会与零件干涉:二来受加工原理影响,铣刀端面为平面,而零件型面为曲面,用平面铣刀铣曲面时铣刀底面不同位置处与零件外表面距离是不同的,当零件曲率较大时,这种距离不同难以忽略,表现为实际加工零件局部厚度超差或相邻刀路阶差过大,不能满足相关质量要求,前缘类蒙皮零件就不适合采用镜像铣加工。

再次是对零件厚度的要求。镜像铣优先选择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区厚度设计公差要求越严格,镜像铣的实时厚度补偿装置对于不同厚度的补偿能力是相同的,所以薄零件不适合镜像铣加工。

最后,镜像铣加工零件时存在切削力,会使零件振颤变形,虽然实时测厚补偿装置能够自适应补偿,但是其调整能力有限,边缘柔性夹持时零件处于悬空状态,刚性较弱,对于薄零件更是如此。

综上所述,镜像铣所加工的零件应具有足够的刚性,这样才有利于保证零件的加工质量。

3.1.2零件成型工艺选择

大尺寸蒙皮零件成型工艺主要有滚弯成型和拉形成型。滚弯成型用于单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机上拉伸成型,可成型单曲度和双曲度零件。拉形成型表面质量好,外形准确度高[5]。在实际应用中发现,滚弯成型的零件成型后内应力较大,在镜像铣铣切下陷后,零件由于应力释放变形较大,加工过程中需增加蒙皮型面扫描及程序匹配次数,影响加工效率。使用拉形成型的蒙皮在加工过程中变形较小,加工效率和质量均能得到有效保证,因此镜像铣加工的零件应优先选用拉形成型工艺。

3.2零件装夹策略

零件装夹实施工艺流程如下:先将零件水平放置在柔性多点控制工装上,再通过编程控制柔性多点支撑工装立柱升起,形成蒙皮理论型面支撑起零件:激光投影仪投影出蒙皮定位孔中心线和轮廓线:手动移动零件使零件定位孔中心和激光投影出的定位孔中心线重合,完成零件在空间中的定位:最后手工操纵边缘柔性夹持工装参照激光投影出的零件轮廓及辅助装夹线夹紧零件,完成零件装夹。由上述实施工艺流程可知,零件在装夹实施前需要做好两项准备工作:一是对柔性多点支撑工装编程,二是在数模中设计出边缘柔性夹持工装夹爪夹持位置的辅助装夹线用于激光投影。

在对柔性多点支撑工装编程时需考虑如下要求:柔性多点支撑工装的支撑位置决定了零件在加工室内的位置,在对柔性多点支撑工装编程前应规划好零件与工装的空间相对位置,保证零件送进加工室后在双五轴机床行程之内。辅助装夹线的绘制则参照下列原则:在蒙皮件设计模型的外轮廓上,沿工件长度和工件宽度方向上,以边缘柔性夹持工装间距为距离设置投影点。过各投影点,以各投影点为中心,分别沿工件长度或工件宽度方向上延伸100mm,完成激光投影辅助装夹线的装配绘制。

零件装夹还应满足应无应力要求。随着加工过程的进行,零件下陷区材料被不断去除,零件内部应力状态也在不断改变。当零件装夹存在较大应力时,零件在加工过程中可能会形状突变,这种形状突变一旦超出机床补偿能力将导致零件厚度超差,后果严重。因此,零件应无应力装夹。装夹应力存在的原因一般是零件装夹时没有调整好边缘柔性夹持工装使之符合零件形状,导致零件局部变形产生应力,零件装夹时应避免这种情况发生。

3.3刀具选择

对于镜像铣切应选用专用刀具来保证加工过程稳定并抑制切削振动。航空数控加工领域的产品一般为铝合金零件,零件材料对铣刀性能要求不高,为便于排屑并控制成本,零件加工一般选用大螺旋角的整体硬质合金铣刀。但对于镜像铣切加工来说,减小切削力保证切削过程稳定尤为重要。镜像铣加工应选用小螺旋角刀具,减小轴向力,保证零件不沿型面法向方向受力移动,避免对切削补偿造成不利影响。同时刀具需足够锋利,切削刃要采用大前角设计,有利于减小切削力。刀具材料应刚性强、耐磨损寿命长,一般选用PCD刀具等高性能刀具,此类刀具在保证加工效果稳定的同时还能提高加工表面光洁度,满足设计提出的粗糙度要求。

镜像铣切时还应合理选择刀具直径。机床支撑头附带测厚装置用于实时监测刀具中心处加工厚度,依据监测结果做出实时法向补偿。测厚原理为超声波测厚,镜像铣所选刀具最小直径应大于超声波测厚探头的直径,否则在零件加工时会出现测厚不稳定的情况,同时刀具直径较小还会影响零件加工效率。刀具直径也不能选择过大,铣刀端面为平面,而零件型面为曲面,用平面铣刀铣曲面时铣刀底面不同位置处与零件外表面距离是不同的。当铣刀直径增大时对应的曲面面积也会增大,上述距离不同差值也会增大,严重的会导致零件厚度超差。如图2所示,Da为测量厚度,Db为小直径铣刀距离偏差,Dc为大直径铣刀距离偏差,Dc明显大于Db。

图2不同直径铣刀厚度偏差对比

3.4蒙皮铣切策略规划

3.4.1下陷区特征加工

蒙皮下陷区加工流程如下:首先利用激光扫描系统对蒙皮外表面(非下陷加工面)进行激光扫描,获取毛坯外表面的点云数据,然后使用点云处理软件对扫描数据进行处理,删除噪点和多余数据点,再将点云数据进行曲面重构,获得蒙皮件实际几何模型。之后通过专用软件,依据毛坯外表面实际几何模型、理论曲面点云、实际定位点和理论定位点的数据,建立毛坯件与工件设计模型的映射关系。最后根据下陷区特征加工的理论刀路,通过特征匹配与刀路补偿,获得毛坯件上下陷区特征的加工实际刀路,并进行特征加工过程仿真校验。仿真校验合格后用于零件加工。

加工坐标系选择:一般以蒙皮件的定位孔为坐标系原点,沿蒙皮件长度方向为X轴方向,沿蒙皮件宽度方向为y轴方向,过坐标系原点沿远离工件的法向为Z轴方向,建立工件设计模型的加工坐标系。这样选择坐标系与零件装夹状态相一致,可以使实物毛坯与工件的设计模型尽可能贴合,以孔为坐标系原点还便于现场操作。

下陷区加工顺序安排为零件加工应采用从中间到边缘的加工顺序。这样安排加工顺序有如下理由:

(1)零件采用边缘夹持方式时,零件边缘在夹持工装的支撑下刚性较好,而零件中间由于没有支撑刚性较差。若先加工边缘区域,边缘区域减薄后刚性变弱,势必会导致零件中间区域刚性更弱,对加工产生更加不利的影响,而先加工中间区域再加工边缘区域时则无上述情况。

(2)零件采用先中间再边缘的加工顺序能减小零件变形。采用这种顺序加工零件时,零件四周受力平衡,变形均匀,若采用从一侧至另一侧的加工顺序,零件受力不平衡,变形也会更严重,从而增加零件扫描次数,影响零件加工效率和质量。

下陷区刀具加工轨迹规划:蒙皮下陷区铣削过程中,要求刀具轨迹满足无交叉、无残留、无抬刀[6],典型刀轨如图3所示。镜像铣系统附带的刀轨生成软件一般能自动生成满足上述条件的刀轨,但所生成的刀轨沿不同的优选加工方向不只有一种,需要依据零件型面特点对刀具轨迹进行优选。理论而言,刀轨应沿曲率变化较小的方向尽量长,这样可以减少加工时刀轴的连续摆动,提高加工质量及效率。

图3典型刀路轨迹

为确定刀轨优选原则曾开展不同刀轨的加工试验,试验件为单曲度零件,试验制定了3种刀轨路线:沿曲面母线(长度)方向、沿圆周(宽度)方向、环形方向。试验结果显示,机床在沿不同刀路轨迹铣切过程中控制厚度情况接近,但沿曲率变化较大的圆周方向走刀情况下,加工表面平整观感较好,相邻刀路间阶差触感不明显,优于沿长度方向走刀及环形走刀,所以铣切蒙皮下陷时优先采用沿曲率变化较大方向走刀的铣切方式。工程应用过程中还需要依据实际加工效果及零件质量要求规划刀具加工轨迹。

3.4.2蒙皮开口及边缘轮廓特征加工

蒙皮开口及边缘轮廓特征加工流程与下陷区特征加工流程基本一致,先扫描实际型面,再将理论刀路进行特征匹配与刀路补偿获得加工实际刀路,仿真后进行加工。加工时先加工零件内部开口再加工零件外形轮廓。数控编程时,刀轴法向于曲面,待加工表面为试件外表面。轮廓切割时需设置连接筋来保证零件与毛料的连接,连接筋一般设置在接近夹爪处,这样可保证工装夹持强度,减小零件变形。轮廓切割需一次完成,选用低进给高钻速的切削参数保证切割端面质量。开口加工时通常将粗加工的边界余量设置为0.5mm,然后精加工至零件设计尺寸。开口的加工需从中心处向四周环形走刀,将多余材料铣掉,不能只沿轮廓切割而使零件多余材料整块掉落,这样零件重量会突然变化导致零件振动,影响零件加工质量。

4结语

卧式双五轴镜像铣在零件加工过程中一次装夹便能完成整个下陷区及内外轮廓、孔的加工,相对化铣有着绿色、工艺流程简单等固有优点,是蒙皮加工技术发展方向之一。镜像铣加工零件的选择、零件装夹策略、刀具选择及蒙皮铣切策略规划均会影响零件加工质量及效率,本文所分析的飞机蒙皮镜像铣加工工艺策略均是在实际工程应用过程中不断总结得出的。目前,镜像铣的应用依然处于不断摸索的阶段,希望本文的研究能对镜像铣的工程应用起到一定的参考和指导作用。