段雪锋 王新磊
中航飞机股份有限公司 陕西 西安 710089
[摘要]介绍了典型大蒙皮零件的制造工艺及加工难点，对典型大蒙皮零件的拉伸回弹进行了试验及技术问题分析，对典型大蒙皮柔性数控切割工艺的程序编制、工艺准备、数控铣切定位及装夹、铣切零件造成的偏差分析，掌握了飞机大蒙皮柔性数控铣切的相关关键技术，对蒙皮零件的柔性数控铣切工艺参数进行了设计与优化，研究了影响切割精度的因素，验证了典型大蒙皮零件精确拉伸成形及柔性数控铣切制造。
关键词：典型大蒙皮 拉伸 回弹 柔性装夹 激光刻型 数控铣切
蒙皮类零件是覆盖在飞机框、墙、梁、接头等零件之上，构成机身、机翼外形的主要零件［1］。蒙皮零件的数控铣削技术是飞机制造的关键技术之一。蒙皮零件传统的制造过程：零件成形、化铣，单曲度蒙皮依据样板手工切割、钻孔；双曲度蒙皮按拉伸模胎手工划线切割、钻孔，或按切钻样板切割、钻孔。手工切割的蒙皮零件精度低，而且手工切割效率低。
1 典型大蒙皮零件的制造工艺简介
1.1 典型大蒙皮零件特点
典型大蒙皮零件，材料为2024-O，长度均为7.5米，零件毛料最厚的为3.175毫米，零件最薄的下陷处厚度为1.6毫米，零件为双曲面，零件曲率大，零件简图见图1。
.png)
图1 典型大蒙皮零件简图
拉伸成形时零件回弹大，零件化铣区结构特征复杂。典型大蒙皮零件化铣台阶多，需要多次化铣，化铣加工后化铣区的位置会发生偏移导致超差，零件化铣后零件变形大，柔性装夹后，造成零件数控铣切难度大。
1.2 典型大蒙皮零件的拉伸工艺
蒙皮拉形工艺主要用于成形飞机外表双曲蒙皮零件。拉形工艺主要分为两种：包覆拉形和拉包成形。设备如图2所示。美国Cyril-Bath公司VTL型纵横综合拉形机除既可进行横向拉伸成形，又可进行纵向拉伸成形外，还可以通过更换夹钳实现型材的拉弯成形。
.png)
图2 VTL-1000纵横式蒙皮拉伸机
目前大型复杂蒙皮零件拉伸成形工艺技术目前是属于初步应用阶段。工艺技术难点进行研究论证，对于大型复杂蒙皮类零件在成形过程中要贴胎效果好，在成形过程中对于用力均匀且确保贴胎，所以最好是先进行预成形，然后进行拉伸。通过对拉伸进行合理改进，对拉伸工艺方面进行完善。
1.3 典型大蒙皮零件的激光刻型工艺
常用刻型工艺有两种，一种是手工刻型：利用化铣样板，由操作工人用手术刀在保护胶表面按样板进行刻型；第二种是激光刻型。
激光刻型工艺利用激光刻型设备，依托产品模型，采用激光光束对化铣保护胶进行切割，实现了化铣刻型的自动化，解决了使用手工刻型存在的诸多缺点。激光刻型设备的柔性夹具系统采用三轴联动方式，用于放置并准确定位被刻型零件，与五坐标数控龙门机床配合使用，在硬件和软件上配套与兼容，并能进行数据通讯。特别适用于尺寸大、双曲面、刻型复杂、刻线精度要求高的刻型零件。该设备应用后解决了因化铣尖角产生的应力集中，从而解决了化铣过程中的变形问题。
1.4 典型大蒙皮零件的化学铣切工艺
化学铣切是利用化学腐蚀的原理对金属零件进行减重加工，尤其适用于一般机械加工设备难以加工的双曲面铝合金薄壁蒙皮零件。工艺流程为: 除油-- 热水洗-- 冷水洗-- 碱蚀--热水洗-- 冷水洗-- 脱氧--冷水洗-- 涂胶--固化-- 刻型-- 化铣--冷水洗--热水洗--烘干--除胶。
通过在典型大蒙皮零件的激光刻型试验，已经掌握了机床相应的加工参数，整个化铣过程未产生变形现象。在配合轮廓铣设备加工后，所有区域尺寸合格，加工精度显著提高。不再需要化铣工装的成本投入，降低研制成本，减少人力的投入，提高生产效率。
1.5 典型大蒙皮零件的柔性装夹及数控铣切工艺
大蒙皮零件柔性数控铣切的工艺为：钣金轮廓铣设备的柔性托架作为机床的工作台和支撑吸附夹具使用，柔性托架按数控程序运动出蒙皮的型面工装，在柔性托架上装夹好零件，数控机床在线检测两定位孔位置度，计算机自动进行测点数据处理并形成测量报告，误差过大时调整滑动定位器，保证两定位孔位置度在公差范围内。
2典型大蒙皮零件的柔性装夹及数控铣切技术研究
2.1 现在加工中存在的问题
典型蒙皮零件无三维数模，要实现数字化切割，必须建立三维数模。图纸更改次数多，建立三维数模难度大，所建模型的准确性难以保证；为验证零件数字模型的准确性，需绘制明胶图与模胎进行对比，进行首件验证，对比难度大，周期长。
双曲面复杂薄蒙皮零件铣切时，难于装夹；双曲面复杂薄蒙皮上定位时位置精度难于保证；双曲面复杂薄蒙皮零件铣切时，由于零件厚度薄，易振颤，难于铣切［2］。
2.2.总体思路
针对零件的特性，充分考虑高效率、经济性以及保证生产质量这些要求，通过详细的零件工艺分析，制定最优工艺路线，通过方案论证，采用最适宜的方案，最终确定其工艺过程。
2.3解决方案与措施
2.3.1通过测绘及模拟量传递，建立零件数模
根据图纸及更改单及理论曲面，建立零件数模。通过测绘模胎上的零件尺寸线，建立零件工艺数模。绘制明胶图与模胎进行对比，进行验证。
2.3.2机床、夹具的选择依据
机床的选择首先以保证各工序的尺寸精度和位置精度为主，同时考虑工厂用机床设备，类型的原则。夹具、量具的选择，主要为保证加工精度，提高生产率，降低废品率，使各批零件质量稳定，同时考虑工人的劳动强度，测量的方便和测量的精度。
装夹双曲度蒙皮零件时，普通装夹方式需要使用专用工装进行装夹，考虑到航空器蒙皮零件的小批量特性，专用工装生产成本过高，适用性低，故使用多点柔性工装装夹方案［3］。
2.3.3柔性装夹数控铣切工艺方案
大蒙皮零件柔性数控铣切的流程一般为：在柔性工装上装夹好零件，数控机床在线检测两定位孔位置度，计算机自动进行测点数据处理并形成测量报告，误差过大时调整滑动定位器，保证两定位孔位置度在公差范围内。两定位孔孔位评估合格后，大余量粗切零件内外轮廓及内部开孔，然后检查零件内外轮廓及内部开孔与化铣区是否协调，不协调时，则需要考虑通过调节坐标系的方法进行补救，确保零件外形与化铣区协调；在确保零件外形轮廓与化铣区满足协调公差要求的情况下，完成最终零件的数控铣切。
2.3.4 装夹方案
合理布置定位器在柔性夹具上，实现稳定装夹、测绘单柱，双柱，三柱定位器的实际精度，让定位器与编程系统中数据一致，分析加工中的实际偏差。
2.3.5 程编策略
蒙皮的柔性装夹数控铣切，首先需要选择合适的刀具。使用多点柔性工装切割蒙皮类零件时，蒙皮会发生少许震颤，若采用轴向分层的铣切方式铣切厚蒙皮时，蒙皮边缘会有刀接痕，所以尽管蒙皮较厚，仍然必须使用“一刀切”的切割方式，刀具优先选用φ20R0立铣刀。对于切割较小开口，铣刀按需选择φ12R0或φ10R0的。走刀方式如果选用逆铣的方式，容易将零件的毛料边缘带起，导致飞出的铝屑划伤零件，所以走刀方式必须选用顺铣的方式。加工参数方面，为保证零件切割边缘质量，进给速度不宜过大，具体铣切参数可通过铣切试验获得。
2.3.6 加工过程控制
大蒙皮的成形、化铣到数控铣切，所用工装的定位孔是一致的，但定位面不一致，用于蒙皮成形的拉伸模，多数使用蒙皮的内表面定位，而数控多点支撑工装必须用蒙皮的外表面定位（内表面已化铣）；而且，大蒙皮属于非刚性结构，成形后回弹变形较大，数控多点支撑工装与零件之间的间隙（真空吸附）难以控制。
由于零件外表面被用作编程基准，外表面胶层必须均匀，厚度不超过0.3mm，表面不允许有疤痕，以免影响零件的真空吸附，造成零件的质量问题，并且为避免影响定位孔的测量精度，在装夹零件前，必须撕掉定位孔附近的保护胶。图3典型大蒙皮零件在轮廓铣设备上的数控铣切加工过程。
.png)
图3 典型大蒙皮零件在轮廓铣设备上的数控铣切加工过程
3 结论
通过测绘及模拟量传递，建立了零件的数字模型。采用柔性夹具，与传统装夹方法相比，节省了铣切工装设计、制造的中间环节，极大的缩短了大蒙皮类零件的制造周期。采用合理的定位方式，减小蒙皮成形误差对蒙皮轮廓数控加工的影响。在零件研制过程中不断试验，改进方案，获得了相关最优切削参数，减少了震动，成功实现了零件的数控铣切。
大型双曲蒙皮的精确制造在行业内尚处起步阶段，本零件加工方法对同类型的形面复杂、高精度大型蒙皮零件的加工具有普遍参考作用，同时也为以后制定此类零件标准化工艺流程。
参 考 文 献
［1］郑联语,汪叔淳. 薄壁零件数控加工工艺质量改进方法.航空学报,2001(09).
［2］甄瑞,周亮,高栋.飞机蒙皮加工柔性夹具系统的研制.机械制造, 2009(11).
［3］张彤.飞机蒙皮厚度精确加工的最新技术—以数铣替代化铣的绿色加工工艺.教练
机,2011(04).