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C係列飛機固定器類零件數（shù）字化加工技術

2021-3-26 來源：沈陽飛機工業（集（jí）團（tuán））有限（xiàn）公司作者：鎖聰

摘要：為了解決C係列飛機固定器類零件加工（gōng）困難的問題，設計了（le）一種典型的數控加工工藝。針對特殊結構（gòu），設計（jì）製（zhì）造專用刀具。借助三維CAM軟件，編製數控加（jiā）工程序，合理製定刀具（jù）軌跡，生成數控機（jī）床專（zhuān）用NC代碼。利用幾何仿真軟件，對NC代碼（mǎ）進行仿真檢查，避免撞刀、過切等意外（wài）情況的發生。最後，對典型零件進行實際（jì）的切削加工，零件的尺寸精度及外形精度均符合設計圖樣要求，表（biǎo）明了此加工工藝的可行性，為C係列（liè）飛機固定器類零件的數控加（jiā）工提供了一種典型的工藝方案。

關鍵詞：數字化加工；雙曲率；T型槽；數控編程；仿真檢查

0 引言

C係列飛機固定器類零件共90餘項，屬艙門附件，主要用於固定密封膠條。該類零件整體結構複雜，外形（xíng）為複雜雙曲麵，內部含（hán）帶曲率T型（xíng）槽結構，加工困難。此外，零件各處厚度尺寸較小，加工過程中極易發生變形，尺寸精度和型麵精度均不（bú）易保證。固定器類零件雖外形結構（gòu）各（gè）不相同，但（dàn）T型槽截麵尺寸一致，屬於結構相似（sì）類（lèi）零件，若找到一種穩妥可（kě）靠的加工方案，即（jí）可完成全部此類零件的加工（gōng）。

1、零件分析

固定（dìng）器類零件整體數量較多，通過全尺（chǐ）寸分析，選出一項典型零件，包含了（le）所有該類零（líng）件的典型（xíng）特征，以此零件為基礎，開展工（gōng）藝（yì）研究，典型零件示意圖如圖1所示。

1.1 毛坯信息

零件由鋁合金預拉伸板材機加而成，材料牌號（hào）為7475 T7351 ，材料厚度為1.5 in（約38.1 mm）。考慮到零（líng）件裝（zhuāng）夾及加工基準設置等多方麵因素（sù），毛坯尺寸需略大於零件尺寸，通過（guò）測量零件實際尺寸，最終確（què）定毛坯長寬尺寸為350 mm×180 mm。毛坯材料為高強度鋁合金，加工性能（néng）尚可，屬於易加工材料。

1.2 典（diǎn）型結構特征

零件整體結構複雜，相對於平（píng）板零件（jiàn），既有一定程（chéng）度的彎曲，又有一定程度的扭曲，內外形均為複雜雙曲麵。此外，最（zuì）為突出的則是其T型槽結構，一般零件的T型槽為簡單直槽或單曲率T型槽，但該零件的T型槽跟隨其內外形麵（miàn），為複雜雙曲率T型槽，這就給T型槽的加工帶來（lái）了極大的挑戰。雖然零件整體（tǐ）結構複（fù）雜，但是通過細致分析，也找到了一定規律（lǜ）。零件可近似看做一等截麵（miàn）結構，提取（qǔ）零件截麵，沿著一條空間複雜曲線拉伸，即形成了三維幾（jǐ）何實體，零件（jiàn）構成示意圖如圖2所示。對零件三維（wéi）構成的清晰分析，也為後續（xù）的加工帶來（lái）了新的（de）思路。

1.3 零件尺寸及精度

零件（jiàn）屬薄壁結構（gòu），所有厚度尺寸均為1.5 mm，尺寸公差為±0.24 mm。考慮到零件的使用需求，需在T型槽內（nèi）安放密封膠條（tiáo），保證密封性，故其（qí）最重要的尺寸為T型槽槽口（kǒu）厚度，名義尺寸為3 mm，尺寸公差為±0.2 mm。此外，為（wéi）了保證零件的順利安裝，對（duì）於外形曲麵也有嚴格要求，外形曲麵（miàn）的麵輪（lún）廓度（dù）要求為0.25 mm。

2、加工方案

2.1 機（jī）床的選擇

該零件（jiàn）外廓尺寸較小，對（duì）機床工作台尺寸及加工（gōng）行（háng）程並無特殊要求，但其結構複雜，存在部分（fèn）開角、閉角結構且（qiě）角度（dù）較大，需選擇一台五坐標數控機床才能完成零件的加工[1]。通過具體分析，零件加工過程中擺角最大處發生在T型槽加工過程中，A角行程需超過±50°，C角行（háng）程需超過±180°。為了保證（zhèng）加工的順利進行，選擇法國FOREST-LINE機床廠生（shēng）產的五坐標數控加工中心加工此（cǐ）零件，其（qí）A角行程為±110°，C角（jiǎo）行程為±360°，完全滿足加工需求。

2.2 刀具的選擇

零件的材料（liào）為高強度（dù）鋁合金（jīn），故選擇兩齒整體硬質合金（jīn）立銑刀（dāo）完成加工（gōng），針對零件不同區域（yù），選擇直徑大小適宜的銑（xǐ）刀進行加工，盡量在刀具（jù）一次裝夾後完成全部工序內容，減少換刀次數，提高加工效率[2]。

針對零件的（de）特殊區域———T型槽，則需設計製造專用的T型刀具。專用刀具的（de）設計需完全匹配T型槽結構，T型槽具體尺寸如圖3所示。由於（yú）T型槽厚（hòu）度為3 mm，底R為（wéi）1.5 mm，若想完成加（jiā）工，T型刀具的T型厚（hòu）度與底R需與零件完全一致，而在刀具直徑上，則可以比T型槽寬度17.8mm略小，這（zhè）樣可以分多次加工到位，減少每（měi）次加工量，保證T型槽內壁的加工質量。此外，T型槽開口寬度僅為9.7mm，還需考慮刀杆直徑，避免加工過程中發生撞刀。綜（zōng）合以上因素，設計（jì）了一把專用T型刀具，具體的（de）結構尺寸如（rú）圖4所示，刀具直徑為16 mm，刀具底（dǐ）R為1.5 mm，T型部分厚度為3 mm，刀具的尾部采用直柄（bǐng）夾持的方式，直徑同樣為16 mm，而在刀杆進入T型槽（cáo）的部（bù）位則設（shè）置了縮頸，直徑為（wéi）6 mm，這種設計方（fāng）式既保證了刀具（jù）的整體剛性，又避免（miǎn）了加（jiā）工（gōng）過程中（zhōng）發生刀具碰撞，可以確保專用刀具順利（lì）完成T型槽的加工。

2.3 加工流程

零件需雙（shuāng）麵加工，在正式加工前需確定加工（gōng）基準。將板材毛坯上下表麵銑平見光，作為Z向加（jiā）工基準，銑出一長一短兩條直角（jiǎo）邊，作（zuò）為X向和Y向加工基準。在毛坯（pī）周邊布置若幹壓（yā）板，進行軸向壓緊，壓入量不宜過多，約（yuē）為10 mm，避免（miǎn）加工過程中刀具與壓板碰撞（zhuàng）。由於壓板位置均設置在毛坯周邊，在一次（cì）裝夾（jiá）後即可完成本道（dào）工序的全部加工內容，無需竄動壓板，減輕了操作人員的工作（zuò）量，減少了零件生（shēng）產的輔（fǔ）助時間。一般來（lái）講（jiǎng），選擇（zé）結構要素較少的一（yī）麵作為第一麵，優先（xiān）加工（gōng），針對此零件，則選擇無T型槽的一麵優先加工（gōng）。零件（jiàn）第一麵為（wéi）複雜雙曲麵（miàn），綜（zōng）合考量零件尺寸及加工效率，選（xuǎn）取25R3立銑刀進行粗加工，采取軸向分層的方式，每層均勻去（qù）除餘量，留餘量1 mm。為了減少換刀次數（shù），在半精加工時仍然選擇此把刀具，半精加工後應保證餘量均勻（yún），為精加工做好準備。精加工時仍然無需（xū）換刀，采用定角度行切的方式，完成零（líng）件外形曲麵的精加工。精加工時合理設置切（qiē）削用量，保證外形曲麵的加（jiā）工精度及表麵粗糙度符合設計（jì）要求。

第一麵加工完成後，將零件翻麵，進行第二（èr）麵的（de）加工，加工基（jī）準與第一麵保持一致，確保雙麵加工零件的準確性。零（líng）件第二麵（miàn）雖結構較多，但仍優先加工出複雜型麵，加工（gōng）方式與第一麵相同。然後（hòu）對T型槽區域進行加工，T型槽的加工一（yī）共分兩步（bù），首先選用8R0立銑（xǐ）刀加工T型槽口，為後續的T型刀加工清除障礙。然後（hòu）使用專用T型刀具，進行T型槽寬度的加工，寬度加工共（gòng）需要3刀，第一刀從T型（xíng）槽的正中間通過，左右兩側（cè）均勻留有餘量，然（rán）後在左（zuǒ）右兩側各（gè）補銑一刀，均采用順銑的方（fāng）式，完成整個（gè）T型槽的加工。最後，對零件進行切斷加工，選取12R0立銑刀（dāo）去除外形餘量（liàng），隻在（zài）零件2個端麵處留有2個連接筋，厚度與零件厚度一致（zhì），待全部加工完成後，由鉗工從板材毛坯上去（qù）除2個連接（jiē）筋，卸下零（líng）件。

3、數控編程

在現代化（huà）製造領域中，數（shù）控編程（chéng）的軟件眾多（duō），優勢各有不同，怎樣發揮一個軟件的優勢是考驗（yàn）一個編程人員的基本素質。在本次加工中，選用CATIA V5作為編程軟件CATIA V5是（shì）航空製造（zào）業常用的一款CAM軟件，其編程簡單方便，數據處理能力強，針（zhēn）對不同（tóng）的零件結構特征，可以靈活地選（xuǎn）用不同的編程指（zhǐ）令，完成加工。此外，該軟件還具（jù）有獨特的產品 (Product)/過程 (Process)/資源(Resource)模型[3]，可以提供真正的協同環境，共享流程信息，是實現人員、工具、方法和資源真（zhēn）正集成的（de）基礎。

3.1 編（biān）程方法

在本次加工（gōng）過程中，使用五坐（zuò）標數控高速銑床，高速銑（xǐ）削不（bú）同於普通的數控加工，在許多方麵都需特殊注意，在本次數控編程中使（shǐ）用了如下方法（fǎ）[4]：1)粗加工時，采用（yòng）軸向分層（céng）的（de）方式；2) 針對複雜曲麵，采用定角度行切（qiē）加工；3)刀具切（qiē）入材料時采用斜向（xiàng）下刀；4)保（bǎo）證刀具（jù）軌跡平穩，避免機床功率突變；5) 避免加工過（guò）程中走刀方向突變；6)粗加工後設置半精加工，保證精加工時餘量均勻。

3.2 T型槽區域加工（gōng）程序的編製

在CATIA V5中，有專用的T型槽加工（gōng）指令GrooveMilling，但其隻針對簡單直槽，對於複雜雙曲率T型槽則（zé）束手無策。常用的方式是（shì）使用多軸輪（lún）廓加工指令Multi-Axis Flank Contouring來進行替代編程，但該指令也存在一定弊端，即在編程過程中無法使用T型刀具，隻（zhī）能使用立銑刀（dāo）。這就使得編程人員在編程過程中使用立銑刀來近似編製刀軌，而在實際過程中使用T型刀具（jù）來加工。這種方（fāng）式不（bú）但增加了編程人員（yuán）的工作（zuò）難度，也使得實際加（jiā）工出的零件與理論（lùn）存在一定偏差，極易造成質量事故（gù）。

在本（běn）次編程過程中，嚐試了（le）多種不同（tóng）的編程方式，經過多方比較，最終決定使用多軸參數線加（jiā）工指令Isoparametric Machining來進行T型槽（cáo）加工程序的編（biān）製[5]。不同於以往選擇（zé）槽側麵（miàn）對刀具軌（guǐ）跡進行驅動，使用該指令可以（yǐ）選擇T型槽底麵，再輔以若幹引導點，實現對刀（dāo）具軌跡（jì）的編製。刀軸的運動方式則選擇Lead and tilt，使刀軸在加工（gōng）過程中隨形變化，始終保持（chí）刀具軸線與所接觸曲麵的法向保持一致。這種五軸聯動的加工方式，可以精確（què）地控製刀具軌跡，隨形加工出整個T型槽，保持產品質量，刀具軌跡示意圖（tú）如圖5所示。

4、仿真（zhēn）檢（jiǎn）查

VERICUT是一款專為製造業設計的（de）數控加工仿（fǎng）真和優（yōu）化軟件[6]，采用虛擬現實技術，對加工過程進行模擬，具有真實的三維實體顯示效果，比傳統意義上的刀路軌跡（jì）仿真更接近於實際加工情況。它可以取代傳統的切削試驗，真實模擬加工（gōng）過程中零件、夾具、工作台、機（jī）床（chuáng）及刀具切削的實際情況（kuàng），不僅可以對機床運動狀（zhuàng）態進行仿真，還能夠對數控加工程序進行驗證、優（yōu）化（huà），幫助編程人員修正編程錯誤（wù），該軟件已經（jīng）成為（wéi）提高數控加工質量的高效工具。VERICUT係統環境下實現（xiàn）數（shù）控加工過程的仿（fǎng）真，通過以下幾個步驟（zhòu）實（shí）現[7]：1)建立數（shù）控機床（chuáng）模型（xíng），配置控（kòng）製係統；2)建立刀具庫，定義刀具類型及參數屬性；3)調入（rù）毛（máo）坯模型、零（líng）件模型（xíng）；4)調入（rù）NC數控程序；5)虛擬加工仿真，使用自動比對模塊檢查。

按照上述步驟（zhòu）對（duì）零件加工過程進行（háng）仿真，對數控（kòng）加工程序進行切傷及殘餘檢（jiǎn）驗，通過軟件參數的設定，切傷及殘餘可以用不同顏色顯示（shì）出來（lái）。VERICUT仿真可以使用（yòng）前置（zhì）程序，也可（kě）以使用後置程序，在（zài）本次仿真時使用後置程序，保證仿真程序與最終加工程（chéng）序一致，避免（miǎn）中間環節錯誤導（dǎo）致（zhì）意外情況發生。依據仿真結果，不斷修改完善數控加工程序（xù），直至沒（méi）有切傷及（jí）殘餘發生。

5、結論（lùn）

在本文工作中，設計了一種典型的C係列飛機固定器類零件的數控加工工藝。選取（qǔ）典型零件，針對其複雜雙曲率T型槽結構，設計製造（zào）了專用刀具，完成特（tè）殊區域（yù）的加工。借助CATIA V5軟件，巧妙運用各種指令，編製數控加工程序，生成數（shù）控機床專用NC代碼。通過VERICUT軟件對NC代碼進行仿（fǎng）真（zhēn），避免加工（gōng）過程中意外（wài）情況（kuàng）的發生。最後，使用五坐標高速數控加工中心對典型零件進行了實際加（jiā）工，零件的尺寸精度及外形精度均符合設計（jì）圖樣要（yào）求。切削結果表明，該工藝方案可以完成典型零件的數控加工，加工效果良好。考慮到固定器類零件結構相似，該類零件均（jun1）可以使用此種（zhǒng）數控加工方案完（wán）成加工。

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