飛機復雜整體座艙骨架加工工藝優化研究* ＊

曹愛萍 歐陽承 向兵飛 蘭 惠 劉 彤

(江西洪都航空工業股份有限公司，江西 南昌330024)

雙座式飛機活動艙蓋骨架傳統工藝方案采用專用型架組裝前弧框、中弧框、后弧框、左側型材和右側型材這5 大部件，而工件加工后互換協調的準確度難以保證，骨架易產生變形，與透明件裝配關系復雜，同時其剛度也會受到影響［1］。為了提高飛機活動艙蓋骨架的整體結構剛性和裝配互換一致性，在骨架設計上開創性地采用了整體骨架布局方式。該設計方案大大降低座艙蓋骨架的裝配難度，改善透明件與骨架的裝配關系，提高其使用壽命，降低了維護成本。但是整體座艙骨架的精確制造成為了飛機結構件數控制造需要攻克的關鍵技術［2－3］。

整體座艙骨架采用大型模鍛件作為整體座艙骨架毛坯，加工成材料去除率達到96.5%。圖1 為飛機整體座艙骨架結構示意圖。

在零件的制造過程中，其結構和工藝難點為:

(1)工件結構特征復雜

整體座艙骨架結構特征復雜，外形呈多U 型、多角度、變曲率、敞開式布局。大量減輕槽和密封槽導致數控機床需要五軸聯動加工，A角行程±125°，C角行程±220°。與飛機典型結構件相比，整體座艙骨架無可參考的定位基準。其復雜的結構特征增加了數控編程、數控加工和定位裝夾難度［4］。

(2)工件易變形

大型模鍛件作為整體座艙骨架毛坯，其初始殘余應力、裝夾過程和數控加工過程易造成工件變形［5］。工件呈多U 型敞開式的布局方式、且結構復雜、尺寸較大，在數控加工過程中極易產生變形。裝夾結構、裝夾方法、材料去除順序、加工策略、加工余量、加工參數等因素影響工件的裝夾變形和加工變形。

1 復雜整體骨架裝夾方案優化

1.1 優化前裝夾方案

正面加工主要完成U 型弧框外型面、左右兩側型材外型面和上表面。以座艙骨架對稱軸線為中心線裝夾定位，以工件工藝凸臺底面定位，型材內側面減輕槽裝夾。為防止工件變形和減小顫振，在前、中、后弧框增加輔助支撐夾具支撐。在支撐夾具與U 型弧框接觸面上加墊橡膠墊片，防止加工U 型弧框時因顫振引起工件表面碰傷。

反面加工只要完成U 型弧框內外型面、左右兩側型材內型面和下表面。以座艙骨架對稱軸線為中心線裝夾定位。加工型材下表面時的裝夾示意圖如圖2 所示，型材內側面減輕槽裝夾。

加工U 型弧框內外型面、左右兩側型材內型面時，型材工藝凸臺裝夾槽裝夾，為防止加工變形和顫振，在U 型弧框上增加輔助支撐夾具支撐。

上述裝夾結構和裝夾方案在工件加工過程中雖然能控制工件變形，但是無法滿足優質高效的加工需求，其存在的主要問題有:

(1)裝夾穩定性不足:裝夾結構采用分體式布局，其整體剛性不能很好地滿足加工需求;裝夾連接的螺桿過長，降低了裝夾穩定性。由于裝夾穩定性較差，工件易產生變形，需要多次調整工件對稱軸線來消除變形影響。

(2)裝夾方法復雜:分體式布局結構在工件加工過程中需要多次裝夾，降低了加工效率;工件在定位過程中，橫向和縱向定位需要多次移動工裝。

1.2 裝夾方案優化

通過對裝夾方案進行優化研究，在保留U 型弧框增加輔助支撐夾具來控制弧框變形和加工顫振優點的基礎上，設計了既滿足裝夾穩定性和快速裝夾需求，又能較好控制工件變形的裝夾方案。具體裝夾示意圖如圖3 和圖4 所示。

優化后的裝夾結構和裝夾方案在工件加工過程中能有效控制工件變形，滿足優質高效的加工需求。其裝夾優勢體現為:

(1)裝夾穩定性好:裝夾結構采用整體布局，相對于分體式布局，整體剛性得到較大的提升;裝夾結構上端增加了用于螺栓連接的墊板，裝夾連接的螺桿懸長降低，其裝夾剛性得到增強;工件與夾具接觸面增加，增加了工件裝夾穩定性和加工剛性。

(2)裝夾方法快速:整體布局的裝夾結構減少裝夾次數。正面裝夾結構和反面裝夾結構下端均設計了可以調節的連接橫梁，工件在定位過程中，其整體結構可實現橫向快速定位，縱向定位通過可調節的橫梁進行微調，實現工件的快速定位。與分體式布局相比，整體式裝夾結構裝夾方法更優，裝夾效率更高。

2 復雜整體骨架加工工藝優化

整體座艙骨架設計了合理的防變形加工工藝方案［6］，編程策略采用粗加工與下料一起考慮去除恒定體積，粗加工材料去除率為72.3%，大量材料的去除消除了鍛件大量初始殘余應力和加工變形。增加自然時效時間，消除數控加工變形。增加半精加工工序，消除機加應力，控制工件變形。

2.1 加工策略優化

對實際加工過程工件變形情況進行統計分析，為了有效控制工件變形，對工件氣密槽加工策略、中弧框和型材的對接區域加工順序進行了優化。

(1)氣密槽加工策略優化

優化前整個氣密槽采用一個五軸聯動程序加工完成，機床在加工過程中不斷聯動，影響機床使用性能;實際加工過程中，一個程序無法解決前后弧框變形不一致的問題，氣密槽壁厚和深度難以保證。

優化后，氣密槽的加工分4 個程序完成，機床A角和C角擺動量均為優化前的一半，降低了機床的擺動頻率。同時，解決了前后弧框變形不一致的問題，有效保證了氣密槽的壁厚和深度尺寸。

(2)對接區域加工順序優化

在加工中弧框和型材對接區域時，優化前加工順序為:先完成中弧框右半位置的加工，然后加工前弧框右半位置、型材外型面和后弧框右半位置。由于加工過程的變形，在中弧框與型材的對接區域易形成0.1～0.3 mm 階差。變換加工順序之后，對接區域階差控制在0.05 ～0.1 mm 之內。

2.2 加工參數優化

為避免刀具懸伸過長產生振動，盡可能選擇懸伸短直徑大的刀具，為保證工件加工質量，精加工時采用小直徑刀具加工，減小切削力。

為了避免切除余量大、損壞刀具和機床，來用仿真加工軟件優化切深、切寬和進給速度，得到安全高效的數控程序［7］，保證工件加工質量和提高加工效率。

半精加工和精加工采用順銑方式恒定切除材料厚度，保證加工余量均勻。為了消除毛坯殘余應力、裝夾變形及數控加工引起的加工變形，設計了合理的加工余量，有效消除工件變形。

整體座艙骨架加工過程中典型加工工藝參數，見表1 所示。

3 加個結果分析

優化前，整體座艙骨架加工周期為34.5 天，優化后，加工周期縮短為23 天，說明優化的裝夾方案及加工工藝提高了工件加工效率。

在工件變形控制方面，對反映工件變形的相關尺寸進行了測量，主要測量前弧框、中弧框和后弧框開檔尺寸，前弧框和后弧框平面度及左右側型材平面度，優化前后工件變形相關尺寸測量結果見表2。

表2 數據結果表明:中弧框開檔尺寸變形量最大，優化后整體座艙骨架前弧框、中弧框和后弧框開檔尺寸變形量均減小，前弧框和后弧框平面度及左右側型材平面度較優化前均由明顯提升。

通過對飛機整體座艙骨架加工工藝及裝夾方案進行優化，并通過實際加工驗證，證明優化后的方案在控制工件變形方面具有一定的優勢，前、中、后弧框開檔尺寸的變形量平均減小42.9%，前、后弧框平面度平均提高了12. 5%，左右側型材平面度平均提高了14.3%。優化后工件加工周期縮短了33.3%，工件加工效率得到提高。

表1 整體座艙骨架典型加工工藝參數

表2 優化前后工件變形相關尺寸測量結果 mm

4 結語

通過對飛機復雜整體座艙骨架裝夾方案、加工策略和加工參數進行優化，設計了防變形加工工藝方案，并進行實際應用驗證，實現了整體座艙骨架的優質高效加工。形成的研究結論為:

(1)裝夾方案由分體式改進為整體式布局，提升了裝夾穩定性和加工剛性，減小工件變形。結合局部結構的優化，其裝夾方法得到改善，能快速實現座艙骨架的橫向和縱向定位。

(2)對加工策略、加工順序和加工參數進行優化，提升程序質量和加工效率。制定防變形加工工藝方案、加工參數和程序編制策略，減小整體座艙骨架變形量，提高加工質量。

(3)制定了防變形加工工藝方案，結合裝夾方案和工藝優化，解決了飛機復雜整體座艙骨架制造工藝技術難題，實現了整體骨架的高效優質加工。

［1］王玉石. C919 上半框零件的數控加工［J］. 航空制造技術，2011，12(23):72 -74.

［2］宋衛國，李占鋒. 一種薄壁叉架零件的數控加工工藝研究［J］. 機床與液壓，2012，40(4):47 -48.

［3］歐陽承. Vericut 仿真技術在整體座艙骨架加工中的應用［J］. 航空制造技術，2005，12(12):38 -40.

［4］Wei Kun. Typical components of the NC machining［J］. Information Science and Management Engineering，2014.46(1):187 -193.

［5］吳軍，鄭小軍. 高速銑削工藝優化研究在數控加工中的應用［J］.機械設計與制造，2012，34 (7):90 -92.

［6］梅中義，王運巧，范玉青.飛機結構件數控加工變形控制研究與仿真［J］. 航空學報，2005，26(2):234 -239.

［7］李文杰.飛機結構件數控加工典型工藝及切削參數研究［J］. 制造業自動化，2011，34 (1):139 -141.