基于零件結構特征的航空結構件數控銑削裝夾方法研究

田斌　吝鵬

摘 要：本文針對航空結構件普遍存在的自身特異性，結合數控銑削加工的工藝特點，深入分析各類結構特征對零件加工裝夾方式的影響，提出了一種加工過程中利用零件自身結構特征進行裝夾方法設計的指導思想。

關鍵詞：反拉螺栓；腹板減輕孔；輪廓缺口

1 緒論

我國航空工業起步初期，結構件的加工主要依托于普車普銑的“手搖”操作加工模式，加工效率低，產品質量不穩定。二十世紀末期，隨著國內經濟形勢及國家政策傾向的轉變，航空業逐漸迎來發展的轉機。數控車、銑加工設備逐漸引入到航空零部件加工行業。

隨著國內航空制造力的不斷提升，零部件加工的供應需求量也大量提升，傳統數控加工模式已無法滿足其產量需求。一輪以數控柔性化加工為典型特征的工業改造活動正在行業中競相展開，其中裝夾方式的改革占據了重要的地位。

2 航空結構件的結構特征

一種典型航空結構件加工裝夾方法：在零件最小包容尺寸基礎上，長寬方向分別增加裝夾余量確定毛料尺寸，以螺栓、壓板壓緊毛料四周進行數控加工。此加工方法毛料減材量大、壓板裝夾操作繁瑣、效率低。隨著行業的快速發展，該類加工方法的弊端日益凸顯，已不能滿足高效、柔性化加工的零件裝夾需求。隨即，一種基于零件結構特征的裝夾方法被提出。

基于零件結構特征的裝夾方法，即通過對零件自身結構特征進行分析，利用零件本身存在的槽腔、缺口、減輕孔等局部特征，設計出一套與零件結構高度貼合的機床夾具，使其在數控加工時達到快速連接固定，但無需增加多余的裝夾余料的零件裝夾方法。

常見的航空結構件典型結構特征包括：導軌導槽結構、雙面槽腔結構、腹板減輕孔結構、輪廓缺口結構等。

2.1導槽導軌結構

航空結構件典型的導槽導軌，其截面形狀為T型槽口，槽口沿零件長度方向延伸，槽口的相反面為平面或立筋，主要用于飛機座椅導軌、密封導槽等零件。這種結構可采用專用T型螺母進行反拉壓緊，可有效減少零件加工的毛料需求，避免加工過程中裝夾引起的刀具干涉風險。

2.2 雙面槽腔結構

雙面槽腔為飛機結構件典型結構特征之一，其特點為零件上下兩面均為槽腔，中間由腹板連接，分布的零件類型包括飛機吊掛撐桿、滑軌等。這種結構的零件裝夾可借助一面槽腔，增加螺紋孔進行反拉裝夾，可有效減少毛料需求和加工工位數量，提升其加工效率和零件質量。

2.3 腹板減輕孔及輪廓缺口結構

帶有腹板減輕孔或輪廓缺口結構的零件多為大型框類、肋類或隔板類零件，其典型特點為零件輪廓尺寸大，壁厚尺寸較小，零件剛性較差，加工過程中易發生震顫、變形。在這類零件的加工裝夾中，可借助減輕孔、輪廓缺口等設置工藝搭接，用內六方螺栓將其與工裝連接，起到提升加工系統剛性的作用。

3 典型航空結構件裝夾方案設計

3.1 典型零件結構

某飛機內側吊掛前撐桿零件，該類零件為飛機內側吊掛裝配上重要的連接零件。其材料為7050.T7451，零件尺寸為1304mm×112mm×76mm。零件為細長形狀，中段截面為四面槽腔，槽腔區域無裝配需求，起減輕作用，兩端頭分別為叉形雙耳片，表面粗糙度為Ra1.6。該類零件加工的關鍵部位為兩端頭叉形耳片尺寸及表面光度。

3.2 夾緊方式

基于零件結構的裝夾方案設計如下圖。該方法的基本實現形式為通過內六方螺栓反拉零件，將零件固定在專用銑切夾具上，保證零件加工的最小加工余量及定位面的最小接觸面積，使其可加工面積最大化，從而達到了一個工位下完成多個面的加工。

內側吊掛前撐桿零件的裝夾方法設計圖

其方法為設計了一套專用銑切夾具，其構成為基礎體加快換托盤。加工時，夾具的基礎體與機床工作臺連接。夾具托盤與基礎體之間通過JERGENS球鎖進行連接，可同時實現托盤在基礎體上的定位與夾緊，不但節省了裝夾的操作時間，同時提高了工裝定位的精度。

零件槽腔內的預制定位孔位置任選，螺紋孔位置的設計主要考慮到零件受力均勻，避免因裝夾不當引起零件變形、帶應力加工。

3.3 效益分析

3.3.1 加工流程縮短

由于零件銑切時裝夾方法的改進，零件整個加工過程中的裝夾次數由6次減少到3次，加工流程大大縮短，按每次裝夾拉直、找正、壓緊零件用時1小時計算，由于流程縮短所減少的單件裝夾用時為3小時。

3.3.2 原材料需求量減少

按照傳統的螺栓壓板壓緊方法，毛料尺寸為1374mm×182mm×80mm。與之相比，當前方案單件節省毛料20.95kg。

3.3.3 加工質量提升

由于加工方案的優化，零件一次裝夾完成了多面的加工，避免了由于多次裝夾造成工位間誤差積累，零件表面的階差、尺寸超差現象明顯減少，避免了后期鉗工的二次銼修，另外，加工過程中應力得到有效釋放，加工后變形減少，加工過程穩定，零件加工質量一次合格率達到100%。

4 總結

通過以上實例可見，采用基于零件結構特征的零件加工裝夾方法可以有效利用現有資源，對裝夾方法進行優化，零件加工周期的縮短、增強零件銑削加工的穩定性、提高零件加工質量及減少零件加工的原材料需求方面均起到了很好的作用。在批量生產中，結合專用夾具的設計、托盤化生產模式的實施，對于適應當前機械加工行業普遍的柔性線生產模式具有重要的意義，值得借鑒和推廣。

參考文獻：

[1]劉強，李忠群.數控銑削加工過程仿真與優化：建模、算法與工程應用.