祝小軍，向兵飛，汪洋華，李妍卉

（中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024）

0 引 言

蒙皮零件既是飛機(jī)的外表零件，又是飛機(jī)的重要受力構(gòu)件。傳統(tǒng)加工采用化銑與數(shù)銑相結(jié)合的工藝，存在化學(xué)污染、耗能較高、消耗鋁材無(wú)法回收等弊端。化銑解決蒙皮下陷的加工后，還需要配置大型龍門(mén)銑床完成蒙皮的開(kāi)窗口、切邊和鉆孔工藝。因此，傳統(tǒng)的加工方法無(wú)法一次裝夾完成蒙皮的加工。

飛機(jī)大型蒙皮的綠色制造成為國(guó)外航空制造企業(yè)的發(fā)展方向。飛機(jī)蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)通過(guò)集成化和高柔性化的解決方案，通過(guò)一次裝夾，完成銑下陷工藝和切邊、鉆孔及開(kāi)窗口加工工藝，即等效于化銑和切邊鉆孔兩道工藝，是新一代的綠色制造技術(shù)。

本文針對(duì)應(yīng)用蒙皮鏡像銑設(shè)備加工飛機(jī)大型金屬蒙皮，就鏡像銑切設(shè)備組成、工作原理，以及使用過(guò)程中的加工工藝、后置處理、加工過(guò)程仿真、點(diǎn)位探測(cè)仿真和應(yīng)用實(shí)例等幾個(gè)方面進(jìn)行了探討，可為鏡像銑切技術(shù)在蒙皮綠色制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)是集蒙皮精確銑切邊緣、精確開(kāi)窗口、精確制孔和蒙皮厚度的精確加工于一體的新型多功能先進(jìn)裝備。該系統(tǒng)主要由一臺(tái)臥式TORRESMILL機(jī)床、一臺(tái)臥式TORRESTOOL柔性?shī)A具系統(tǒng)及一個(gè)TORRESHOLDER頂撐裝置及一些輔助裝置組成。TORRESMILL機(jī)床和TORRESHOLDER頂撐裝置位于TORRESTOOL柔性?shī)A具系統(tǒng)兩側(cè)。TORRESHOLDER頂撐裝置能夠在TORRESMILL進(jìn)行蒙皮下陷銑削時(shí)，從背后對(duì)蒙皮工件進(jìn)行頂撐。為了獲得高柔性化，TORRESMILL機(jī)床必須與TORRESTOOL柔性?shī)A具系統(tǒng)裝置以及TORRESHOLDER蒙皮頂撐裝置實(shí)現(xiàn)集成化和協(xié)同工作。TORRESHOLDER集成了超聲波厚度在線控制和補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)可檢測(cè)最終加工完成后的工件厚度，并可實(shí)現(xiàn)蒙皮加工過(guò)程厚度實(shí)時(shí)檢測(cè)和補(bǔ)償功能。圖1為蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)。

圖1 蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)

1.2 工作原理

切削銑頭加工蒙皮零件，5自由度的頂撐頭隨切削銑頭同步運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)蒙皮工件的隨動(dòng)頂撐加工，置于頂撐裝置內(nèi)部的超聲波厚度在線控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)加工厚度并進(jìn)行厚度補(bǔ)償。TORRESHOLDER與加工刀具形成鏡像加工，蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)加工原理圖如圖2所示。

圖2 蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)加工原理

蒙皮切邊和切通窗加工過(guò)程中，為了避免蒙皮顫動(dòng)，在銑頭端部集成了一個(gè)防震顫裝置，目的是避免在蒙皮銑邊工藝過(guò)程中的震顫。防震顫裝置有V軸和U軸兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方式，V軸為主軸推頭的軸向運(yùn)動(dòng)軸，U軸為防震顫裝置繞刀軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸。圖3為蒙皮切邊防震顫支撐裝置。

在蒙皮厚度減薄銑削的加工過(guò)程中，背部TORRESHOLDER頂撐裝置受柔性排架的限制，無(wú)法一次完成蒙皮所有工序的加工。具體工作原理為：通過(guò)設(shè)計(jì)TORRESTOOL柔性?shī)A具多次運(yùn)動(dòng)方案，進(jìn)行數(shù)次組合，得到任一組合方案都能為蒙皮加工區(qū)域背面的頂撐裝置提供一個(gè)開(kāi)放、可接近且無(wú)支撐桿的加工窗口。為了使TORRESHOLDER頂撐裝置從一個(gè)加工窗口移動(dòng)到下一個(gè)窗口，設(shè)計(jì)了位置全回退功能，使其在安全位置能夠橫穿TORRESTOOL柔性?shī)A具的排架。

圖3 蒙皮切邊或切通窗防震支撐裝置

2 蒙皮壁板鏡像銑切

2.1 鏡像銑切加工工藝

蒙皮鏡像銑切加工主要包含：蒙皮加工區(qū)域劃分、加工順序決策、銑削軌跡設(shè)計(jì)、鏡像銑切程序編制。編制的程序經(jīng)后置處理和加工仿真驗(yàn)證合格后加載至機(jī)床，進(jìn)行鏡像銑切加工，完成蒙皮工件加工。

1）加工區(qū)域劃分。加工區(qū)域劃分是在保證蒙皮的加工剛性的同時(shí)避免排架和蒙皮鏡像銑機(jī)床后面的頂撐裝置干涉碰撞，并考慮加工剛性和裝夾穩(wěn)定性，以及變形控制，將整張蒙皮根據(jù)區(qū)域劃分規(guī)則分成幾塊區(qū)域分工步加工。

2）加工順序決策。銑面和鉆孔分區(qū)域加工，不同區(qū)域間按照銑面→銑下陷→鉆孔→切通窗→切邊分步進(jìn)行。同一加工區(qū)域的下陷面按照由厚到薄、自下而上的原則進(jìn)行加工。

3）銑削軌跡設(shè)計(jì)。背部頂撐裝置帶有超聲波探測(cè)裝置，能對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行厚度探測(cè)和補(bǔ)償，行進(jìn)刀軌必須滿足無(wú)交叉、無(wú)抬刀、等步距的基本原則。

4）鏡像銑切程序編制。程序的編制包含柔性排架運(yùn)動(dòng)程序和鏡像銑切程序，與典型聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工設(shè)備的CAM編程最大的區(qū)別在于蒙皮工件的所有運(yùn)動(dòng)串聯(lián)為一個(gè)程序，完成機(jī)床本體、頂撐裝置和柔性?shī)A具之間協(xié)同運(yùn)動(dòng)。在程序編制過(guò)程中，需要插入大量控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的PP指令，部分指令名稱及含義見(jiàn)表1所示。

表1 蒙皮鏡像銑編程指令

2.2 鏡像銑切編程后置處理算法

鏡像銑切機(jī)床由于刀具與頂撐裝置的位置和姿態(tài)成鏡像關(guān)系，加工坐標(biāo)系中刀軸矢量與頂撐裝置矢量成反比，系數(shù)為-1。圖4所示為蒙皮鏡像銑切坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖，圖中為前置刀具位置，為前置刀軸矢量，為頂撐裝置矢量，為頂撐裝置頂撐位置，δ表示蒙皮加工目標(biāo)壁厚，Om為機(jī)床回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中心，Oh為頂撐裝置回轉(zhuǎn)中心，Ow為刀具坐標(biāo)系中心。

圖4 蒙皮鏡像銑切坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

頂撐裝置與加工刀具隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，滿足如下公式：

鏡像銑切設(shè)備機(jī)床本體為C-A雙擺頭結(jié)構(gòu)，頂撐裝置為B-A雙擺頭結(jié)構(gòu)。根據(jù)前置輸出的刀尖點(diǎn)位置和刀軸矢量通過(guò)平移和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的齊次坐標(biāo)變換[6-7]，得到機(jī)床本體回轉(zhuǎn)軸A、C相對(duì)于初始狀態(tài)的角度θA和θC，頂撐裝置回轉(zhuǎn)軸A、B相對(duì)于機(jī)床本體初始狀態(tài)的角度θA和θB。角度逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，在刀具坐?biāo)系中，刀具初始位置和刀軸初始矢量分別為[0 0 0]T和[0 0 1]T。

由機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行坐標(biāo)變換，可得機(jī)床本體和頂撐裝置：

式中T和R分別為平移和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的齊次坐標(biāo)變換矩陣，其中T1為機(jī)床回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系相對(duì)于加工坐標(biāo)系的平移坐標(biāo)變換，T2為刀具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)床回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的平移坐標(biāo)變換，rs為機(jī)床平動(dòng)軸相對(duì)于初始狀態(tài)的位置矢量，rm為機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)于刀具坐標(biāo)系的位置矢量。

聯(lián)立公式（2）~（7）求解，可得C-A機(jī)床本體的旋轉(zhuǎn)角度：

得B-A頂撐裝置的旋轉(zhuǎn)角度：

由上可知，C-A雙擺頭結(jié)構(gòu)和B-A雙擺頭結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)角度θA和θC或θA和θB的解都不唯一，按照θC和θB最近原則進(jìn)行配合，計(jì)算出刀具和頂撐裝置運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.3 鏡像銑切加工過(guò)程仿真

蒙皮鏡像銑設(shè)備仿真模型由含U、V、W運(yùn)動(dòng)的C-A雙擺頭8軸機(jī)床本體模型，B-A雙擺頭5軸頂撐裝置模型和多點(diǎn)柔性裝夾的3軸柔性?shī)A具模型組成。而每排POGO柱上共7根帶吸盤(pán)的立柱，實(shí)現(xiàn)Y和Z方向運(yùn)動(dòng)。蒙皮鏡像銑切設(shè)備共含135項(xiàng)組件，而一般C-A雙擺頭5軸機(jī)床仿真模型共7項(xiàng)組件[8-10]，因此多組件下各運(yùn)動(dòng)軸關(guān)系比較復(fù)雜，需要在詳細(xì)了解機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上配置機(jī)床模型樹(shù)。

機(jī)床各部件定義完成之后，需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行初始化，由于復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，其各軸的優(yōu)先順序、碰撞檢查及行程等定義相對(duì)復(fù)雜。完成機(jī)床部件定義和工作參數(shù)配置之后，進(jìn)行控制系統(tǒng)配置。裝配完成的蒙皮鏡像銑機(jī)床模型如圖5所示。

圖5 蒙皮鏡像銑切機(jī)床仿真模型

將編制的蒙皮鏡像加工程序經(jīng)后置處理轉(zhuǎn)換得到機(jī)床可識(shí)別的NC代碼，加載到VERICUT仿真模型進(jìn)行仿真。仿真前需定義毛坯、創(chuàng)建刀具、設(shè)定加工坐標(biāo)系。仿真過(guò)程需檢查機(jī)床主軸、頂撐裝置是否與工件發(fā)生碰撞、柔性?shī)A具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)是否干涉、是否過(guò)切和殘余等信息。加工過(guò)程仿真通過(guò)后的程序可用于實(shí)際加工。仿真過(guò)程如圖6所示。

考慮到蒙皮毛坯因成形誤差、裝夾誤差等變形引起實(shí)際型面與理論型面不符，產(chǎn)生偏差。因此采用探頭進(jìn)行實(shí)際型面點(diǎn)位探測(cè)，形成具有一定數(shù)量的點(diǎn)集合，通過(guò)逆向成形生成實(shí)際型面，重新生成加工程序。需要建立探頭仿真模型進(jìn)行點(diǎn)位探測(cè)過(guò)程仿真。圖7為點(diǎn)位仿真和探頭仿真模型。

圖6 蒙皮鏡像銑切仿真示意

圖7 蒙皮鏡像銑切仿真示意

3 蒙皮壁板鏡像銑切技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

將蒙皮壁板鏡像銑切技術(shù)的研究成果應(yīng)用于蒙皮工件的實(shí)際加工中，解決蒙皮工件面特征、下陷特征、通窗特征、孔特征以及邊緣特征的加工，實(shí)現(xiàn)一次裝夾狀態(tài)下蒙皮工件的綠色制造。圖8所示為蒙皮下陷和通窗特征加工示意。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在分析蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)特點(diǎn)、組成及工作原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)蒙皮鏡像銑切加工工藝、鏡像隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)后置處理算法、加工過(guò)程仿真和檢測(cè)過(guò)程仿真方面技術(shù)的分析，提出了蒙皮鏡像銑切加工方法和工藝路線?？蓪?shí)現(xiàn)一次裝夾狀態(tài)下的蒙皮精確銑切邊緣、精確開(kāi)窗口、精確制孔和蒙皮厚度的精確加工，避免化學(xué)污染，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)蒙皮零件的綠色制造。

圖8 鏡像銑切蒙皮下陷和通窗加工示意

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