（中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈 陽(yáng) 1 10850）

某機(jī)框間上大梁屬雙面長(zhǎng)梁類(lèi)結(jié)構(gòu)件，外廓尺寸為96 mm×158 mm×2 270 mm，采用7050 T7451δ100板材加工，端頭套合區(qū)與油箱連接，起主要承力作用。從工藝性角度分析，零件所具有的雙曲型面和閉角結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化加工的難點(diǎn)，此外，零件腹板厚度薄最小處僅為1.5 mm，也是數(shù)字化加工中難于解決的問(wèn)題之一。

1 工藝流程安排

由于框間上大梁采用板材加工，從節(jié)約加工成本及縮短加工周期等方面考慮不宜使用夾具。通常加工此類(lèi)雙面型腔結(jié)構(gòu)的零件如不使用夾具，則采用一次翻面的加工方式，零件最終通過(guò)連接筋與四周毛料連接固定，加工流程大體上可歸納為：粗、精銑梁軸線面前內(nèi)外形→粗、精銑梁軸線面后內(nèi)外形。而此次為了最大限度的消除零件側(cè)向變形，使零件裝機(jī)后能夠提供準(zhǔn)確的型面位置，特將加工流程安排為：粗銑梁軸線面前內(nèi)外形→粗、精銑梁軸線面后內(nèi)外形→精銑梁軸線面前內(nèi)外形。

2 工藝難點(diǎn)分析

2.1 雙曲型面

零件Z側(cè)外形梁軸線面前為平面，梁軸線面后為曲面如圖1、圖2所示，J側(cè)a~b框間外形為平面，b~c框間外形為曲面，緣條為等厚，與曲面外形部位相對(duì)應(yīng)的內(nèi)形型面均為曲面。出于產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要，零件內(nèi)外形所出現(xiàn)的曲面均為雙曲型面，裝機(jī)時(shí)端頭套合區(qū)與油箱連接，需配合實(shí)現(xiàn)油箱密封，因此對(duì)零件雙曲型面的準(zhǔn)確性提出了較高的要求。雙曲型面較之單曲型面在空間中的曲率變化更為復(fù)雜，如果使用常用的五軸聯(lián)動(dòng)加工方式，刀具側(cè)刃與曲面不貼合，會(huì)在雙曲型面上產(chǎn)生殘留，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的型面。

圖1 梁軸線面后結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 梁軸線面前結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 閉角結(jié)構(gòu)

同樣出于產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要，零件內(nèi)形多處出現(xiàn)了閉角結(jié)構(gòu)，主要由筋條與腹板、緣條與腹板、緣條與筋條連接形成，這些閉角結(jié)構(gòu)屬產(chǎn)品設(shè)計(jì)原因造成，可稱(chēng)為設(shè)計(jì)閉角。此外，零件曲面外形是由梁軸線前、后兩側(cè)加工形成，因此，曲面外形與連接筋也形成了閉角結(jié)構(gòu)，此種閉角結(jié)構(gòu)屬工藝方案原因造成，可稱(chēng)為工藝閉角。凡閉角結(jié)構(gòu)位置在加工后都會(huì)產(chǎn)生閉角殘留，閉角殘留會(huì)直接導(dǎo)致零件增重，設(shè)計(jì)閉角殘留在產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型之初已給定了許用范圍，而工藝閉角殘留則必須完全去除。

在所有設(shè)計(jì)閉角結(jié)構(gòu)中，零件筋條與腹板間閉角角度較大，因此只有筋條與腹板間的閉角殘留容易達(dá)到設(shè)計(jì)許用范圍，而緣條與腹板、緣條與筋條間閉角角度則較小，最小處僅為54°，緣條內(nèi)形加工結(jié)束后腹板仍會(huì)留有較大的殘留物，不能達(dá)到設(shè)計(jì)許用范圍，如圖3所示。

曲面外形與連接筋之間的工藝閉角殘留相當(dāng)于變相增加了連接筋厚度，雖然可以數(shù)控加工結(jié)束后去除，但鉗工加工方式已不能使用，只能通過(guò)常規(guī)銑工方式去除，如此一來(lái)便失去了數(shù)字化加工的意義。

圖3 閉角結(jié)構(gòu)效果圖

2.3 腹板厚度薄

從加工流程的安排可以看出，零件腹板厚度是在“精銑梁軸線面前內(nèi)外形”中加工得到的，此時(shí)零件梁軸線面后內(nèi)外形已加工完，腹板處于懸空狀態(tài)，腹板的最小厚度僅為1.5 mm，在加工中勢(shì)必會(huì)發(fā)生顫動(dòng)，此顫動(dòng)可分為兩個(gè)階段：第一階段為刀具由材料外切入材料時(shí)所產(chǎn)生的顫動(dòng)，即切入顫動(dòng)；第二階段為刀具切入材料后至切削結(jié)束過(guò)程中所產(chǎn)生的顫動(dòng)，即過(guò)程顫動(dòng)，顫動(dòng)的結(jié)果是直接導(dǎo)致腹板厚度不合格。

3 工藝方法的制定

3.1 雙曲型面加工的工藝方法

由于雙曲型面無(wú)法采用五軸聯(lián)動(dòng)加工，因此，只能采用定主軸行切加工。行切加工是利用刀刃底部圓角切削，要采用行切方式將曲面全部加工到位，必須在刀具行至曲面最底端時(shí)為刀刃底部圓角留出足夠的躲避空間。

零件Z側(cè)梁軸線面前外形為平面，梁軸線面后外形為曲面，行切加工選用刀具的刀刃底部圓角半徑為R3，為使曲面全部行切加工到位，將該側(cè)的4處連接筋向梁軸線面前方向偏置3 mm留取，如圖4所示。

零件J側(cè)a~b框間外形為平面，b~c框間外形為曲面，該側(cè)的4處連接筋如果與Z側(cè)的連接筋按同一平面留取，則梁軸線面后連接筋位置的曲面無(wú)法加工到位，伴隨產(chǎn)生較大的工藝閉角殘留。為使該側(cè)曲面完全加工到位，消除工藝閉角殘留，將該側(cè)曲面區(qū)域的2處連接筋在梁軸線后方向的曲面邊緣留取，如圖5所示。

圖4 Z側(cè)連接筋留取效果圖

圖5 J側(cè)連接筋留取效果圖

與外形曲面部位相對(duì)應(yīng)的內(nèi)形曲面采用主軸定擺角行切加工，為確保所獲得的雙曲型面準(zhǔn)確，加工后采用測(cè)量機(jī)對(duì)零件雙曲型面進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 閉角結(jié)構(gòu)加工的工藝方法

閉角結(jié)構(gòu)加工的重點(diǎn)在于刀具直徑和規(guī)格的選擇，刀具直徑越大，產(chǎn)生的閉角殘留越大，反之則越小。

筋條與腹板間閉角角度較大，選擇帶有底刃的Φ12R4銑刀就可以將閉角殘留去除至許用范圍內(nèi)。

緣條與腹板間閉角角度較小且二者高度差較大，此類(lèi)閉角殘留量大，如果直接選擇Φ12R4銑刀去除容易造成刀具折斷，因此，對(duì)此類(lèi)閉角殘留先選擇Φ16R4銑刀作過(guò)渡去除，再選擇Φ12R4銑刀最終去除至許用范圍內(nèi)。

緣條與筋條間閉角角度較小且二者高度差較小，此類(lèi)閉角殘留量小，但普通規(guī)格的刀具無(wú)法實(shí)現(xiàn)去除，因此對(duì)此類(lèi)閉角殘留選用Φ6R球頭銑刀，可完全去除。

3.3 腹板加工的工藝方法

加工腹板的關(guān)鍵在于減輕腹板在加工中產(chǎn)生的顫動(dòng)，從工藝方法角度考慮，首先想到的便是增加腹板在加工中的剛性。

通常加工單面型腔結(jié)構(gòu)零件或腹板厚度較大的雙面型腔結(jié)構(gòu)零件時(shí)，在精加工腹板前僅預(yù)留1 mm余量，用以消除各方面誤差，由操作者根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整去除。而此次為了增加腹板在加工中的剛性，特將精加工腹板前預(yù)留的余量調(diào)整為3 mm，并要求在實(shí)際加工中不做調(diào)整一次去除，以此來(lái)減輕腹板顫動(dòng)。

4 編程處理

4.1 雙曲型面的編程處理

在CATIA V5中選用Isoparametric Machining加工策略進(jìn)行行切加工編程，加工外形曲面刀軸矢量使用默認(rèn)值，加工內(nèi)形曲面刀軸矢量按緣條與腹板間夾角角度近似給出。此外，將刀具路徑間距設(shè)置為0.3 mm，以獲得精確的雙曲型面及良好的表面粗糙度；將切削方向設(shè)置為沿刀具徑向，刀具路徑形式選擇Zig zag，以此來(lái)縮短切削時(shí)間。

4.2 閉角結(jié)構(gòu)的編程處理

筋條與腹板均為平面，因此，在去除筋條與腹板間閉角殘留編程中，僅選用CATIA V5中的Multi-Axsi Flank Contouring加工策略即可。

在去除緣條與腹板間閉角殘留編程中，先選用Multi-Axsi Flank Contouring加工策略作過(guò)渡去除編程，在閉角角度較大的區(qū)域增加徑向路徑數(shù)量以減小切削力。在最終去除編程中可選用Multi-Axsi Fla nk Contouring或Isoparametric Machining加工策略，兩種加工策略編程都可以實(shí)現(xiàn)最終去除。比較而言，選用Isoparametric Machining加工策略需設(shè)定加工區(qū)域及刀軸矢量，加工區(qū)域的設(shè)定較為復(fù)雜，需先提取各腹板面為幾何平面，再按照緣條最大輪廓作出掃略曲面，各腹板幾何平面被掃略曲面截?cái)嗪笫Ｏ碌牟攀窃O(shè)定加工區(qū)域所需的部分，刀軸矢量近似按緣條與腹板夾角角度設(shè)定為恒定值，不能隨緣條曲面變化，達(dá)不到最大化去除殘留的目的。而選用Multi-Axsi Flank Contouring加工策略，刀軸矢量可隨曲面變化，刀軸在達(dá)到最近似緣條與腹板間夾角角度的同時(shí)又不會(huì)對(duì)緣條產(chǎn)生切削，設(shè)置徑向路徑數(shù)量即可控制切削范圍，路徑間距設(shè)置為0.2 mm，可獲得與Isoparametric Machining加工策略同等的表面粗糙度。

去除緣條與筋條間閉角殘留所選擇的刀具規(guī)格較特殊，在CATIA V5編程中選用Isoparametric Machining加工策略，刀軸矢量按緣條與筋條間夾角角度近似給出，選擇緣條與筋條間轉(zhuǎn)接圓角作為切削區(qū)域，在始端延伸和終端延伸中設(shè)置正值。

4.3 腹板的編程處理

工藝方法雖然已使腹板在加工中的剛性得以增加，但對(duì)于減輕腹板兩個(gè)階段的顫動(dòng)在編程中仍需細(xì)致考慮。首先，程序進(jìn)刀點(diǎn)需選在腹板剛性最大的位置，以此來(lái)減輕切入顫動(dòng)；其次，因?yàn)楦拱鍎傂詴?huì)隨著切削逐漸減小，所以程序切削需從腹板剛性最小的位置開(kāi)始，在剛性最大的位置結(jié)束，以此來(lái)減輕過(guò)程顫動(dòng)，反之會(huì)使腹板剛性大的位置剛性變小，剛性小的位置剛性更小，加劇顫動(dòng)。

結(jié)合以上兩點(diǎn)，在使用CATIA V5編程中選用Pocketing加工策略，通過(guò)進(jìn)刀宏指令將程序進(jìn)刀點(diǎn)設(shè)置在腹板剛性最大的近緣條位置，刀具路徑形式選擇Outward helical，從腹板剛性最小的中心區(qū)域向剛性最大的近緣條區(qū)域完成切削。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化加工意味著采用數(shù)控機(jī)床加工，完全摒棄傳統(tǒng)的銑床加工，同時(shí)在最大程度上減少鉗工加工。某機(jī)框間上大梁所有形狀均在數(shù)控機(jī)床上加工完成，所有厚度尺寸均在數(shù)控機(jī)床上加工保證，數(shù)控加工后僅需鉗工去除8處厚度為3 mm的連接筋，表面無(wú)需拋光，所有型面、筋條位置、孔位置由測(cè)量機(jī)一次測(cè)量合格，腹板、緣條、筋條厚度按公差中值對(duì)稱(chēng)分布，在獲得合格零件的同時(shí)詮釋了數(shù)字化加工的意義。

[1]胡翔云.機(jī)械制造基礎(chǔ)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

[2]詹熙達(dá).CATIA V5數(shù)控加工教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.