復雜航空零件典型特征的五軸銑削加工

孫智源，張承冰，楊巍，倪家強，王曉峰

(沈陽飛機工業(集團)有限公司工程技術中心，遼寧沈陽 110850)

0 前言

隨著航空零件結構復雜性和制造精度要求的不斷提高，其加工難度也不斷增大，對數控加工設備的行程、精度等主要性能要求也越加苛刻。在實際生產中，通常根據零件結構特點、復雜程度及尺寸選擇不同結構形式的數控設備進行加工。一般情況下，對于結構簡單、不存在五軸加工特征的零件可選用三軸數控加工設備；而五軸聯動機床主要用于結構復雜、存在開閉角及復雜曲面特征的大型結構件加工。其中，雙擺軸五軸聯動機床的擺軸結構多樣，如A-B、A-C及B-C等形式。A-B結構擺軸行程較小，介于0～1/2π之間；而A-C擺軸行程相對較大，C軸旋轉角度介于π～2π之間，但仍無法實現模態主軸的整周旋轉[1-2]。因此，存在的主要問題是機床加工范圍受限。在航空零件的制造中，經常出現超出機床行程的現象。

目前，針對雙擺軸五軸聯動機床旋轉角度受限的問題，唐清春等[3-4]針對A-C式雙擺軸五軸機床C軸不能360°自由回轉的問題，研究后置處理旋轉角的優化選擇方法，并對該優化方法進行了試驗驗證；武躍等人[5-6]基于A-C雙轉臺五軸聯動數控機床，運用最短路徑算法，對后置處理中A、C2個軸的旋轉角進行了選擇優化，進而達到優化刀路以及減小機床運動學誤差的目的。但上述研究主要集中在A-C結構機床非模態C軸旋轉角度范圍大于π時的回轉路徑優化選擇及后置處理軟件開發上，而針對A-B雙擺軸結構機床A、B擺軸旋轉范圍較小，應用范圍受限問題的研究較少。

目前，為解決在航空零件制造中，應用A-B雙擺軸五軸聯動機床經常出現超出機床行程的問題，飛機零件生產廠常用的方案有2個：(1)在進行數控編程時考慮機床極限旋轉角度，將零件的特殊結構依據機床行程極限進行區域劃分，超出機床加工范圍的部分由普通銑床加工完成；(2)直接將整個特征結構由普通銑床加工完成，以簡化工序流程。但上述2種方法均需要預先在零件上刻劃待加工形面的投影曲線，再通過刀具逐漸逼近該投影曲線實現加工。因此，加工后零件的尺寸及輪廓精度較低，實際形面誤差較大，表面質量及加工效率較低，且無法實現雙曲面的銑削加工。

本文作者研究基于現有A-B雙擺軸的五軸聯動加工設備，以某機鈦合金傘艙支座為加工對象，通過建立機床運動學模型，分析增大機床旋轉行程的方法，研究機床最大擺角行程及零件允許最大轉動范圍，探究零件快速定位方法。

1 零件結構及加工設備

某機傘艙支座是飛機阻力傘艙的重要連接件，材料為鈦合金TA15(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)，零件數模如圖1所示。零件兩端分別與傘艙外輪緣和垂直隔板相連；外形面為理論外緣變角度曲面，與飛機蒙皮貼合，并通過兩處交點孔與后機身對合，具有傳遞一定載荷和實現飛機各部位連接的作用。

圖1 某機傘艙支座三維結構

該零件腹板及緣條較薄，且毛料余量較大，加工中腹板容易發生翹曲等變形。交點孔孔位及裝配槽口要求嚴格，加工槽口時需嚴重保證槽口尺寸及上下兩側壁厚。零件外形配合精度高，外形公差為-0.3～0 mm，加工后需采用測量機進行精密測量。耳片及緣條曲面切線與腹板所成最大角度分別為64°、119°，且要求表面粗糙度Ra為1.6 μm。

為滿足精度要求，本文作者采用A-B雙擺軸RAMMATIC五坐標立式銑床對該零件進行整體加工。利用專用工裝，采用兩孔一面及壓板定位壓緊方式固定零件。

以加工緣條形面為例，按照常規方式，以零件腹板上的2個交點孔為基準孔建立零件坐標系OwXwYwZw，如圖2所示。此時，緣條形面直母線與OwXw平行，則該處形面與Zw成29°夾角。在銑削時，可通過A軸旋轉29°實現零件緣條加工。但文中所采用的五坐標立式銑床為非模態主軸類機床，A、B擺軸無法進行整周回轉，僅具有±25°的旋轉行程。所需的A軸理論旋轉角度已超出機床行程，無法單純地通過A軸旋轉實現零件緣條及耳片處外形的大角度曲面加工。

圖2 常規坐標系下所需擺軸旋轉角度

2 機床最大復合擺角

在圖2所示的基礎上，將零件在OwXwYw平面內繞Zw軸轉動一個角度β，建立新零件坐標系OwXβYβZβ，如圖3所示。此時刀具軸線由處于OwYwZw平面內變為與Zw形成了空間角度，即在新坐標系下，A、B擺軸同時旋轉，使刀具軸線同時與Xβ及Yβ形成一定大小的夾角，刀具主軸與Zw構成復合角度φ。若此復合角度φ大于A、B擺軸的擺角行程，且滿足所需加工擺角大小，則可通過轉動零件，使刀具軸線與Zw形成復合擺角，由此擴大刀具擺角范圍，實現大角度外形的五軸加工。因此，首先需要確定機床復合擺角與A、B軸旋轉行程的對應關系及其最大值。

圖3 零件位置變換后刀軸擺角示意

2.1 機床運動學模型

以機床擺軸的回轉中心為原點，建立機床固定坐標系OXYZ。由于該機床結構為B軸基于A軸轉動，在構成復合擺角時，A軸于初始位置繞機床固定坐標系X軸旋轉角度a后，形成坐標系OXaYaZa，此時Za為刀具主軸的實際位置方向，與Z軸所成角度為a；B軸基于坐標系OXaYaZa，繞Ya軸旋轉角度b后形成坐標系OXbYbZb，此時Zb軸為最終刀具主軸方向，OXbYbZb為刀軸坐標系，與Za軸所成角度為b。機床固定坐標系、刀軸坐標系與工件坐標系各軸方向均相同，從而得到零件轉動后的機床運動學模型，如圖4所示。

圖4 零件旋轉后機床運動學模型

基于多體系統理論，針對機床結構將切削運動系統分為2個子運動鏈，分別為由機床床身到刀具構成的運動鏈及由機床床身到工件構成的運動鏈[7-8]，如圖5所示。

圖5 切削系統運動鏈

2.2 機床最大復合擺角范圍

在由機床床身到刀具構成的運動鏈中，設刀具端部中心到原點O的長度為T，端部中心在機床坐標系OXYZ內坐標為x,y,z、在坐標系OXbYbZb內的坐標為xb,yb,zb。基于多體系統理論，通過坐標變換有：

(1)

式中：z=-Tcosφ；zb=-T；yb=0；xb=0。

因此可以求得：

cosφ=cosa·cosb

(2)

公式(2)即為刀具軸線與機床固定坐標系OXYZ中Z軸所形成的空間復合角度φ及a、b角度之間的對應關系。由此可知，當機床A、B軸均旋轉至25°極限位置時，復合角度φ為34.8°，即刀具置于空間的角度范圍由25°擴大至34.8°。故在利用刀具側刃進行曲面加工時，當所需刀具擺角介于25°～34.8°之間時，可將零件在OwXwYw平面內繞Zw軸旋轉一定角度，使單一軸回轉變換為兩軸配合回轉，從而形成復合擺角，實現零件的大角度曲面加工。

3 零件的轉動范圍

根據上述論證，可通過調整零件空間位置，使它轉動一定角度來控制機床復合擺角。因此，需確定零件轉動角度β與最大復合擺角φ之間的對應關系，僅當零件在一定角度范圍內轉動時，才可保證刀軸置于空間的復合擺角在機床固有最大復合擺角范圍之內。

在整個切削運動系統運動鏈中，設刀具端部中心點在坐標系OwXβYβZβ中的坐標為(xβ,yβ,zβ)，在坐標系OwXwYwZw中的坐標為(xw,yw,zw)。基于多體系統理論，通過坐標變換有：

(3)

式中:zw=Tcosφ;yw=-Tsinφ；xw=0。

由公式(1)—(3)可得：

sinβ=sinb/sinφ

(4)

cosβ=sinacosb/sinφ

(5)

由公式(4)(5)，且a≤25°、b≤25°，0°≤β≤90°、0°≤φ≤34.8°可知：

當0°≤φ≤25°時有：

0°≤β≤90°

(6)

當25°<φ≤34.8°時有：

(7)

因此，由公式(6)(7)可知，當所需主軸擺角小于25°時，可利用單一軸旋轉或將零件在OwXwYw平面內介于0°～90°之間任意轉動形成復合擺角以實現外形的五軸加工。當所需主軸擺角達到極限值34.8°時，零件繞Zw軸轉動角度唯一，即47.8°。當所需主軸擺角介于25°～34.8°之間時，零件繞Yw軸旋轉角度范圍較大，僅需滿足公式(7)即可。

經計算，在銑削某機傘艙支座時，令零件在XY平面內轉動44.248°，此時A軸旋轉19.1°、B軸轉動22.9°，可實現其緣條及外形的精密加工，很好地解決了在RAMMATIC五坐標立式銑床上加工該零件的超程問題。

4 專用快速定位工裝設計

在實際生產中，零件轉動角度的測量需要采用角度測量儀，操作比較繁瑣，影響生產效率。從圖4可以看出，零件旋轉角度β和刀具軸線在OwXβYβ平面內的投影與Yβ軸夾角相同。而零件轉動角度β可通過零件轉動后兩基準孔之間的階差計算得出。設兩基準孔直線距離為L，階差為L0，則L、L0與β之間的對應關系為

β=arcsin(L0/L)

(8)

結合公式(9)，可以得到L、L0與φ之間的對應關系：

(9)

因此，若無需使用專用工裝時，在裝夾零件過程中，可以直接通過調節2個基準孔之間的階差L0，使零件處于合理位置，得到相應的機床復合擺角，以滿足實現需求。這樣可避免采用角度測量儀測量工件旋轉角度，能提高效率。

若零件數量較多，存在同批次相同零件需要同時加工的情況時，無論是通過調整每個零件的旋轉角度還是調節基準孔階差使其處于合適位置，繁瑣的調整過程均會大大降低加工效率。因此，為方便快速確定零件的合理位置，可將此轉動角度β投影至裝夾工裝，如圖6所示。工裝2個定位銷之間的連線與兩個找正原件連線的夾角為零件旋轉角度β。零件置于工裝上后，可利用工裝找正元件快速拉直找正工裝，此時零件自然處于合適位置，可有效保證零件緣條的順利加工，縮短工藝準備時間。

圖6 快速定位專用工裝

5 結論

本文作者針對現有機床擺軸行程無法滿足飛機復雜結構件大角度開角或閉角緣條及外形加工的問題，提出了基于零件空間位置變化的擴大機床擺角行程方法。

(1)通過變換零件空間位置，可改變加工過程的機床擺軸旋轉模式，從而有效增大機床行程。

(2)通過建立機床最大復合擺角與A、B擺軸旋轉角度的對應關系，研究了機床復合擺角范圍。結果表明：當機床擺軸行程為±25°時，最大復合擺角為34.8°。

(3)建立加工動態坐標系，在建立機床運動學模型的基礎上，研究了零件轉動角度與機床復合擺角之間的對應關系以及零件在加工平面內允許旋轉的最大角度。結果表明：當所需機床擺角介于25°～34.8°時，零件可轉動角度范圍隨所需擺角的增大而減小，由0°～90°的范圍逐漸縮小，直至所需擺角為極限值34.8°時，轉動角度范圍縮小至唯一值47.8°。

(4)完成了專用快速定位工裝設計，實現了零件合適位置的快速找正，避免了反復調節零件位置，提高了生產效率。