大蒙皮零件的柔性裝夾數控銑切

王新磊 何剛

摘 要：文章分析了大蒙皮零件使用柔性多點支撐工裝數控銑切蒙皮內外輪廓及孔的加工特點以及加工過程中存在的一些問題，提出了大蒙皮零件柔性裝夾數控銑切的工藝設計、數控編程策略及數控銑切的基本方法，為后續同類產品的研制積累了寶貴的經驗。

關鍵詞：大蒙皮；柔性裝夾；定位；數控銑切

中圖分類號：TG547 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0145-03

Abstract： In this paper， the machining characteristics of inside and outside contours and holes of large skin parts with flexible multi-point support are analyzed， and some problems existing in the process are also analyzed. The process design， CNC programming strategy and basic method of CNC milling for large skin parts with flexible clamping are put forward， which accumulate valuable experience for the subsequent development of similar products.

Keywords： large skin； flexible clamping； positioning； CNC milling

1 概述

蒙皮類零件是覆蓋在飛機框、墻、梁、接頭等零件之上，構成機身、機翼外形的主要零件[1]。與一般蒙皮類零件一樣，大蒙皮一面為光面，即不需要加工，另一面帶有下陷、通孔等結構，特殊蒙皮也存在雙面帶有下陷結構的情況。一般蒙皮類零件數控加工有先切割后成形和先成形后切割兩種工藝形式，取決于不同的設計需要，而大蒙皮零件由于成形后材料回彈較大，成形后一般采用手工校形的方式保證成形質量，先切割后成形的工藝方案很難保證零件邊緣尺寸，所以大蒙皮零件的數控加工，通常采用成形后數控切割的加工形式。

2 大蒙皮零件柔性裝夾數控銑切的特點

2.1 大蒙皮零件的概況

大蒙皮一般指長度尺寸大于等于6m，寬度尺寸接近或大于1m，厚度尺寸大于等于5mm的蒙皮類零件。大蒙皮零件一般先拉伸或滾彎成形，再化銑加工下陷結構，最后數控銑切內外輪廓、孔等結構。銑切工裝一般使用專用銑具或通用多點柔性支撐工裝，與傳統專用銑具相比，通用多點柔性支撐工裝省時、省力、適應性廣，易于儲存、管理，盡管一次性投入較大，卻已成為蒙皮銑切的發展趨勢。

2.2 大蒙皮零件柔性裝夾數控銑切存在的問題

大蒙皮零件柔性數控銑切時使用多點柔性支撐工裝，支撐托架的排布方式與零件外形協調，排布位置由程序控制，支撐托架的排布精度較高，但由于支撐托架數量有限，難以對零件覆蓋的全部位置吸附固定，造成零件切割時局部因固定支撐不足而發生震顫。尤其是，零件兩邊緣銳邊連接處粗切發生震顫時極易過切。大蒙皮零件柔性數控銑切存在的主要問題還包括蒙皮各個工藝階段間的協調問題。支撐托架的排布方式、蒙皮成形用的拉伸模、化銑用的化銑樣板必須相互協調，這些工裝使用的定位基準必須一致，以保證零件邊緣與化銑區位置協調。另一個主要問題來自于大蒙皮零件本身，由于其成形后存在較大回彈，定位孔孔間距實際值與理論值存在一定偏差，這就造成較大的定位誤差，切割時必須盡可能減小這一定位誤差，以保證零件切割質量。

3 大蒙皮零件柔性裝夾數控銑切工藝方案

多點柔性工裝應用了目前普遍使用的兩點一曲面的定位方式。它依據蒙皮零件外形曲面精確排布，同時使用抽真空的方式將蒙皮零件牢牢固定，將實際零件型面與理論型面精確“貼合”，所以多點柔性工裝在曲面定位方面較為可靠。多點柔性工裝在兩點定位方面是采用一端固定一端滑動的定位方式，這樣可以彌補蒙皮回彈變形引起的定位孔孔間距誤差。但是，大蒙皮零件的較大回彈變形一般會引起定位孔孔間距出現較大誤差，一端固定一端滑動的定位方式造成零件與理論數據相比變長或變短，甚至可能發生零件的定位扭轉。因此，在切割前須對兩個定位孔進行在線檢測，并加以評估，若誤差過大，需對滑動定位器加以調整，以保證兩定位器位置與理論數據相匹配。

大蒙皮零件柔性數控銑切的流程一般為：在柔性工裝上裝夾好零件，數控機床在線檢測兩定位孔位置度，計算機自動進行測點數據處理并形成測量報告[2]，誤差過大時調整滑動定位器，保證兩定位孔位置度在公差范圍內。兩定位孔孔位評估合格后，大余量粗切零件內外輪廓及內部開孔，然后檢查零件內外輪廓及內部開孔與化銑區是否協調，不協調時，則需要考慮通過調節坐標系的方法進行補救，確保零件外形與化銑區協調；在確保零件外形輪廓與化銑區滿足協調公差要求的情況下，完成最終零件的數控銑割。

工藝流程圖如圖1。

4 大蒙皮柔性裝夾數控銑切關鍵技術

4.1 程編策略

大蒙皮的柔性裝夾數控銑切，首先需要選擇合適的刀具。使用多點柔性工裝切割蒙皮類零件時，蒙皮會發生少許震顫，若采用軸向分層的銑切方式銑切厚蒙皮時，蒙皮邊緣會有刀接痕，所以盡管蒙皮較厚，仍然必須使用“一刀切”的切割方式，刀具優先選用φ20R0立銑刀。對于切割較小開口的結構，可以使用鉆頭鉆孔配合立銑刀銑孔的加工方式，銑刀按需選擇φ12R0或φ10R0的。走刀方式如果選用逆銑的方式，容易將零件的毛料邊緣帶起，導致飛出的鋁屑劃傷零件，所以走刀方式必須選用順銑的方式。加工參數方面，為保證零件切割邊緣質量，進給速度不宜過大，具體銑切參數可通過銑切試驗獲得。

大蒙皮零件的數控銑切編程并不復雜，但需要注意一些問題。下面以大型客機蒙皮零件為例（圖2），提出幾點注意事項：

（1）考慮柔性工裝排布時，需要將零件按定位孔兩點連線與X軸平行的方式放置。在滑動定位器補償定位公差而滑動時，這種排布方式可以保證零件定位時不扭轉。使用零件外表面作為排布柔性工裝、切割零件的基準。為達到較好的支撐效果，單個的支撐立柱距離零件邊緣不宜過遠。

（2）在粗切零件外形之前，將零件長邊毛料預切成幾段，避免長邊切割后整段廢料懸空而發生料邊震顫，本方法的優點在于高效解決飛機蒙皮（在柔性夾具上）數控銑切輪廓振顫及飛邊打刀的問題[3]。粗切時留至少10mm的余量，且單邊單條程序編寫，避免所有邊使用一條程序切割，防止刀具切割到零件邊角處出現震顫而造成零件邊角過切。

（3）程序編制完成后，必須經過數控機床模擬仿真，驗證程序走刀軌跡的正確性，進一步完善程序，確保程序正確無誤后，才得以使用。

4.2 加工過程控制

大蒙皮的成形、化銑到數控銑切，所用工裝的定位孔是一致的，但定位面不一致，用于蒙皮成形的拉伸模，多數使用蒙皮的內表面定位，而數控多點支撐工裝必須用蒙皮的外表面定位（內表面已化銑）；而且，大蒙皮屬于非剛性結構，成形后回彈變形較大，數控多點支撐工裝與零件之間的間隙（真空吸附）難以控制。這些不利于切割的因素存在于加工過程中，所以，大蒙皮數控銑切需要一些調整和驗證。現對一些調整、驗證的方法作如下總結：

（1）裝夾可靠：裝夾定位時，采取由中間到邊緣的調整順序輕壓蒙皮，確保蒙皮按照支撐工裝排布出的曲面外形被牢靠吸附，以減少曲面定位誤差。

（2）適當法向落刀：部分回彈變形過大的蒙皮，在粗切時可能發生在耳片處切不透的現象，此時可采用重新粗切并法向落刀的方式，去除未切掉的廢料，但要控制落刀量，防止誤銑定位器。

（3）偏移起刀點：粗切后，按照化銑區距離零件邊緣的部分典型尺寸檢查切割質量，并根據檢查情況按需將精切程序起刀點的X、Y值設定偏移量后完成零件的精切。

大蒙皮零件表面在周轉過程中易被劃傷，生產中常使用噴涂保護膠的方法對零件進行保護。由于零件外表面被用作編程基準，外表面膠層必須均勻，厚度不超過0.3mm，表面不允許有疤痕，以免影響零件的真空吸附，造成零件