摘 要：航空搖臂類零件是航空產品中重要的承力件，多為薄壁、異形的框架結構，加工過程中存在著加工精度難保證、定位基準難選取和數控刀路難安排等問題。采用傳統工藝加工零件，往往需要定制多套夾具，經過多種設備的周轉才能完成，其加工質量差，成本高，周期長。通過對航空搖臂類零件的加工工藝進行分析和改進，研究了在加工航空搖臂類零件時的夾具設計方案、刀具的選用以及數控程序編制過程中需要注意的事項，對同類型搖臂的加工具有借鑒意義。
關鍵詞：燕尾夾具；振顫；程序優化
近年來，隨著控制理論和技術的進步，國內的航空制造水平得到了突飛猛進的發展，處于制造業頂端的企業已經全面完成了從傳統制造方式向數字化制造方式的轉變。航空搖臂類零件作為航空產品中重要的承力件，加工精度要求越來越高，結構越來越復合化，這給零件的加工帶來了很大的難度。本文以航空止動搖臂類零件為例，對其工藝方案設計、夾具設計、數控編程刀路設計和仿真等方面進行了分析研究。
一種航空止動搖臂零件結構示意圖如圖1所示。零件外形尺寸為167 mm×68 mm×84 mm。搖臂上的軸承孔公差較嚴，上端的φ26N7孔為軸承孔，圓柱度要求為0.012 mm，表面粗糙度要求為Ra0.8 μm。兩側的懸臂壁厚較單薄，由于零件的結構剛度差，加工中容易產生振顫現象。各拐角處的圓角要求較小(為R3～R5)，精加工只能應用小尺寸刀具，且刀具懸深長，加工中易發生啃刀。
圖1 航空止動搖臂零件結構示意圖
鋁合金仍是飛機結構件中的主要材料，以低密度和高強度為發展方向?？湛虯380客機上，鋁合金材料約占整個機體結構質量的61%，主要采用了7055、7085等新型高強度鋁合金和2099、2195等低密度鋁鋰合金。
圖1所示零件材料為7050-T7451，該材料屬于高強度可熱處理鋁合金，具有極高的強度、抗剝落腐蝕和抗應力腐蝕斷裂的性能。航空產品多選用預拉伸板材，通過對材料的預拉伸處理，可以提前消除材料的內應力。該材料切削性能較好，不容易發生變形，一般情況下可不安排粗加工。該材料是2A12、LY12等傳統鋁合金的優秀替代品。
加工設備的選擇應保證設備的行程和工作精度能夠滿足零件的加工需求，本文選用立式加工中心、立臥轉換加工中心和數控線切割。
零件的主要加工流程如下。
1)備料。根據零件的外形尺寸和附件留取的位置給定尺寸，一般附加方向多預留10～20 mm，其余方向預留2～3 mm。
2)立加。完成零件附加及定位基準的加工，為后續工序確定基準。
3)立臥轉換。一次裝夾，完成零件主體加工，主要通過加工順序的合理安排，以及數控程序刀路的優化，減少零件變形，確保零件質量。
4)線切割。用線切割的方法去除零件附加，變形小，零件質量穩定。
5)鉗工。去除棱邊毛刺和電腐蝕層。
6)檢驗。全面檢測零件尺寸特性。
定位基準的選擇應便于零件定位、裝夾和加工，同時應有足夠的定位精度和可靠性。
對于航空搖臂類零件，按傳統的一面兩銷定位方式很難滿足立臥轉換加工中心的要求。針對立臥轉換加工中心的定位方式一般有燕尾定位和螺釘反向拉緊定位，這2種定位均可以實現五面加工。2種定位方式均需要在零件的合適位置留取工藝附件和工藝凸臺。在確定工藝附加和工藝凸臺位置時，應充分考慮去除附加后零件變形對加工質量的影響。燕尾定位適合零件長寬差異小，尺寸規格約為200 mm×200 mm×200 mm及以下零件的加工；而零件長寬差異大，尺寸規格大的零件，可選用螺釘反向拉緊定位方式，以提高定位的可靠性和穩定性。
夾具設計應滿足工件定位穩定、可靠，并且有足夠的承載或夾緊力度，做到裝夾快速、便捷。夾具的種類很多，常用的有液壓夾具、真空吸附夾具和磁力夾具等。液壓夾具在使用過程中裝夾快速，裝夾力均勻，定位精度高，特別適合大型薄壁零件，可實現多工位裝夾，提高生產效率；真空吸附夾具適用于有較大定位平面和可密封范圍的工件，對零件的結構有特殊要求；磁力夾具除了要求零件材料帶有磁性外，在使用過程中還需要增加一些“防轉”措施，適合零件的精加工。液壓夾具和真空吸附夾具制造成本均較高，且制造周期長，磁力夾具成本較低，但使用限制較多。在設計夾具過程中應充分考慮零件的材料、結構、批量和加工成本等因素，綜合選用一種既定位可靠、裝夾方便，又便于制造、經濟實惠的夾具。
目前，對于搖臂的加工主要是以三軸立式加工中心為主，張會珍等[1]設計了一種搖臂加工用的快換回轉夾具，利用一套夾具可實現正反兩面的加工；但是對于立臥轉換加工中心來說，這種夾具不能充分發揮立臥轉換加工中心的優勢。為此，筆者設計了一套燕尾夾具，是一種帶自定心功能的新型虎鉗式夾緊裝置。該夾具制造簡單，定位可靠，可實現快速裝夾。該燕尾夾具結構示意圖如圖2所示，裝夾加工示意圖如圖3所示。
圖2 燕尾夾具結構示意圖
圖3 燕尾夾具裝夾加工示意圖
該夾具通過定位銷限制1個自由度，通過2個燕尾的鉗口限制另外5個自由度。零件加工時可以完全避開夾具體，實現前、后、左、右、上這5個面的同時加工。設計時應注意夾具的總高，且滿足臥式機床的要求。
根據航空鋁合金切削加工性較好的特點，一般情況下采用高速加工技術進行加工。粗加工刀具應具有良好的強度、柔性及排屑性能，可以適應粗加工階段材料去除率高的特點；精加工刀具應保證刃口鋒利，以保證較小的切削徑向力，減小零件變形，降低表面粗糙度。
數控加工刀具的選擇原則是安裝調整方便，剛度好，耐用度和精度高[2]。刀具選擇過程中應注意如下幾點：1)粗加工階段盡量選用大尺寸方肩銑刀、波刃銑刀，以提高金屬材料去除率；2)盡量選用機夾式刀具，以減少刀具換裝、調整時間；3)刀具的懸深應盡可能縮短，以免在加工過程中出現讓刀、振刀等現象；4)清角加工時，刀具半徑不能超過拐角半徑的90%，以減少啃刀的產生；5)一般推薦刀具前角為15°～20°，以有效減少積屑瘤的產生；6)一般推薦刀具后角為10°～15°，以減小加工表面的回彈，降低刀具磨損；7)一般推薦刀具螺旋角為30°～40°，以保證較大的容屑空間和刀具切削刃強度。
加工航空鋁合金整體結構件時，切削速度是沒有限制的，只取決于機床性能。采用較高的切削速度，可以提高生產效率，減少加工過程中積屑瘤的產生，提高零件的表面加工質量；當然，較高的切削速度會加劇刀具的磨損，降低刀具壽命。在航空搖臂類零件加工過程中，選擇較高的切削速度有利于降低切削力，減小零件變形，在切削過程中，切屑會將加工產生的部分熱量帶走，降低零件表面溫度[3]。
該零件的加工選擇在立臥轉換加工中心DMC60U上進行，工序安排集中，一次裝夾完成除附加外所有內容的加工，對工藝人員的編程能力要求較高，需要合理安排刀路的順序。通常以先粗后精、先外后內、先上后下，先面后孔的原則安排加工順序。切削參數見表1。
表1 切削參數表
序號刀具名稱加工部位加工策略主軸轉速/r·min-1進給速度/mm·min-1切深/mm切寬/mm1?50面銑刀粗加工外形外形銑800030003252?20R3方肩銑刀粗加工外形等高降層80003000363?20R2波刃銑刀粗加工外形外形銑800030002104?10R2波刃銑刀粗加工外形外形銑600030001015?6R3整硬球頭銑刀銑斜面等高銑60003000殘料高0.01—6?6R3整硬球頭銑刀清角加工外形銑6000300030.57?6R2整硬銑刀挖槽挖槽加工40001500128?20R2整硬銑刀精銑外形外形銑80003000259?10R3整硬銑刀精銑外形外形銑6000300030.510?6R2整硬銑刀精銑外形外形銑500030005511?6R2整硬銑刀精銑斜面導引切削50003000殘料高0.01—12?4R1整硬銑刀精銑槽外形銑350015003413?20R0整硬銑刀螺旋銑孔螺旋銑8000300031014?26鏜刀鏜孔鏜孔4000300——
編程及仿真過程中應注意如下幾點：1)因機床帶有刀尖隨動功能，加工前燕尾夾具可在工作臺上任意放置，不需要將夾具放置于機床回轉中心；2)粗加工用大尺寸刀具開粗后，應安排清角加工，使精加工余量盡量留取均勻，以免因余量不均勻引起精加工過程出現啃刀、斷刀現象；3)清角加工應安排分層銑削，以有效減輕振刀現象；4)合理設置拐角降速，因零件轉接部位多，刀具在拐角處應將進給速度降至原來的30%～50%，以減小拐角處出現振動、啃刀現象。
為了保證數控程序的正確性與高效性，通過CATIA前置與后置處理輸出的數控程序在實際加工前，采用VERICUT軟件對數控程序進行虛擬加工與優化。VERICUT軟件采用CATV數據接口與CATIA數控加工模塊無縫對接，通過接口可以將零件、毛坯、刀具一次性全部導入VERICUT仿真環境，也可以在VERICUT軟件中手動選擇添加。VERICUT數控程序仿真的流程如圖4所示。
圖4 數控程序仿真流程圖
利用VERICUT軟件可以實現機床、刀具、夾具、零件(含毛坯)以及切削參數與現場加工完全一致的狀態[4]。在虛擬仿真的過程中，通過可視化窗口可以直觀地觀測到機床的運動狀態以及零件的實時加工情況。軟件還提供了加工后模型與理論模型的對比功能，程序員可以通過修改精度等級來確定零件是否過切或者存在殘余。與CATIA前置不同的是，為了限定切削過程中刀具與機床的受力，VERICUT軟件可以顯示每一次下刀的去除余量，去除余量不均勻，就會導致加工過程中發生振動與沖擊，在零件結合面或凸起處發生啃傷的現象。
針對去除余量不均勻的現象，應用VERICUT軟件優化數控程序的功能實現數控程序的優化。優化的原理是刀具的加工路徑保持不變，以恒定切削厚度或恒定體積去除率這2種方法為基礎來改變每一段切削的進給率。VERICUT軟件數控程序優化是基于對刀具切削參數的設置。根據刀具樣本給出的線速度vc、轉速n和每齒進給量fz等參數，并結合加工現場實際經驗，添加刀具的優化信息。為了避免加工過程中快速進退刀造成的碰撞，還可以在刀具優化中添加刀具運動參數的極限信息。設定完成后運行程序，在刀具切削的同時完成數控程序優化。數控程序經過優化，一方面可以合理地選擇刀具懸長，提高刀具剛度，進而提高加工效率和零件表面質量；另一方面可以通過采用調整順逆銑、上下坡、進退刀、轉彎降速、重切削以及輕切削等方法提高加工效率。
本文對航空止動搖臂零件的特點進行了分析，通過選用合理的加工設備、適宜的工藝方案、先進的編程和仿真思路，同時通過一種燕尾式夾具的使用，優化了航空止動搖臂的加工工藝方案，縮短了零件的加工流程，使得零件的加工質量穩定，加工效率得到明顯提升，取得了可觀的經濟效益，為航空搖臂類零件的加工提供了很好的借鑒。