飛機大型鋁合金整體壁板高速銑削加工工藝

王文理，邵 坤，羅 銳，閆 偉，常 昌

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

飛機整體壁板不但具有蒙皮的氣動外形，且具有一定的強度和功能，尤其是新型戰(zhàn)機的整體壁板，其機身型面輪廓度和隱身鋸齒邊外形精度要求更高，在新型飛機上的應用越來越廣泛[1]。整體壁板常用鋁合金或鈦合金材料，鋁合金壁板加工方式有兩種：（1）對于能夠采用噴丸成形的壁板，先將壁板數(shù)模的曲面展開成為平面，數(shù)控加工后噴丸成型，其特點是節(jié)省材料，數(shù)控加工較容易。（2）對于噴丸成形工藝還無法完成的較復雜的帶筋壁板，采用整體數(shù)控加工方式，其特點是數(shù)控加工精度及效率高，但需要較厚的板料，材料浪費嚴重，數(shù)控加工難度及工作量大[2–3]。鈦合金整體壁板常采用薄鈦板熱成形，下陷采用化銑方式，筋條采用激光焊或超塑成形，輪廓采用數(shù)控銑削。飛機整體壁板屬大型、薄壁、曲面類零件，對數(shù)控加工來說是一類典型的難加工航空結(jié)構(gòu)件，尤其是無法噴丸的大型鋁合金整體壁板的數(shù)控加工，由于毛坯較厚，壁板型面為雙曲面且大而薄，結(jié)構(gòu)復雜，加工過程中弱剛性壁板極易產(chǎn)生變形及振顫，壁厚及重量公差極難控制[4]。本文針對鋁合金大型復雜結(jié)構(gòu)整體壁板的五坐標高速銑削加工工藝技術(shù)開展了研究，分析了此類厚板整體加工壁板的工藝特點，設(shè)計了數(shù)控加工工藝方案，提出了粗、精加工階段的有效工藝措施，以及精加工工裝設(shè)計方案及編程策略等一整套工藝措施，可有效提高此類飛機整體壁板的數(shù)控加工質(zhì)量。

1 飛機大型鋁合金整體壁板的結(jié)構(gòu)特點及加工工藝分析

飛機大型鋁合金整體壁板（圖1）長度通常達到數(shù)m 甚至十多m，壁厚介于2.5～4 mm，切除率高達98%或更多。壁板外型面為機身復雜雙曲面，有精度要求很高的維修口蓋開口、下陷等結(jié)構(gòu)，內(nèi)型面帶有筋條、凸臺、下陷等結(jié)構(gòu)，外廓有鋸齒邊。此類復雜結(jié)構(gòu)壁板無法采用薄板加工后噴丸成形，常用的毛坯是厚度為100～200 mm 的7050–T7451 預拉伸鋁板。其面積大且壁薄的雙曲面結(jié)構(gòu)決定了其剛性極弱，加工過程中出現(xiàn)大面積的薄壁懸空結(jié)構(gòu)、切削力極易導致零件變形、振顫。因此數(shù)控銑削加工工藝性差，易造成其厚度、重量、輪廓度或粗糙度超差而報廢。

圖1 典型的飛機大型整體壁板Fig.1 Typical aircraft large-scale integral wall panel

2 飛機大型鋁合金整體壁板數(shù)控加工總體工藝設(shè)計

高速加工（High-speed machining，HSM）與常規(guī)銑削相比具有明顯優(yōu)點，加工鋁合金切削速度超過1000 m/min，進給速度達到5～20 m/min，表面粗糙度可達Ra0.8 μm，尤其是其切削力減少約30%的特點，能顯著減小加工變形，特別適合弱剛性類零件的加工[5–6]。由于壁板多為雙曲面結(jié)構(gòu)，法向刀軸銑削曲面能極大提高曲面加工效率及質(zhì)量，很多斜筋及下陷也需要五坐標加工。因此大型鋁合金整體壁板類薄壁零件的最佳加工方式是五坐標高速銑。

鋁合金整體壁板數(shù)控加工工藝設(shè)計以精確控制壁板的厚度及表面粗糙度為主線。粗加工階段2～3 次翻面快速去除大余量，為精加工做好準備。精加工階段，以能夠精確保持曲面形狀及工件剛性、抵抗切削力為目標，嚴格控制厚度及曲面輪廓度。

因此，設(shè)計的鋁合金整體壁板的數(shù)控工藝總方案為（圖2）：銑平兩面，見光→粗銑A面，留工藝臺→翻面，以工藝臺支撐粗銑B面，留工藝臺→翻面，以工藝臺支撐半精銑A面→翻面，以工藝臺支撐半精銑B面→銑掉外廓工藝臺，精銑外型面，制基準孔→將外型面貼合在真空吸附裝夾上，以基準孔定位→銑掉內(nèi)型面工藝臺→半精銑內(nèi)型面及筋條→留0.3 mm 余量精銑內(nèi)型面→測量壁板厚度→調(diào)整數(shù)控程序→按余量–0.05 mm 精銑內(nèi)型面→精銑外形→銑薄開口。

圖2 鋁合金大型整體壁板數(shù)控加工工藝總方案Fig.2 Processing order of aircraft large-scale aluminum alloy integral wall panel

2.1 粗加工階段工藝支撐臺的設(shè)置

在粗加工階段，采用設(shè)置工藝凸臺的措施，實現(xiàn)支撐及定位。由于壁板面積大、薄壁，加工過程中易出現(xiàn)剛性不足極易振顫的問題，因此工藝臺需要足夠的分布密度，且分布于四周及內(nèi)部，如圖3 所示。所有工藝臺的高度保持一致，便于在工作臺面上裝夾。在分布于外形四周的工藝臺上加工出沉頭螺釘孔，這樣既不容易與刀具干涉，也容易裝夾。在壁板外側(cè)可設(shè)計出2 個耳片（圖1），在其上制孔，可作為后續(xù)在真空平臺夾具上定位的基準。若粗加工階段工件變形大，應考慮設(shè)置修正基準的工序，即重新銑平工藝臺頂面。毛坯厚度100 mm 以下，翻面加工2 次即可；若板料厚度超過100 mm，粗加工應多加一次翻面加工，逐層銑削，以控制變形。

原則上粗加工為精加工留的余量應盡量少，但必須保證能夠抵消掉零件的變形及各種誤差。對于長度3 m以內(nèi)的大中型壁板，粗加工后單面留3 mm 余量較合適。為了保證后續(xù)精加工工序在真空平臺上吸附不漏氣，壁板上的開口在粗加工階段暫不加工，與四周保持光順過渡即可，見圖3。

圖3 粗加工階段工藝臺設(shè)置方案及粗加工后的狀態(tài)Fig.3 Set tech-bosses in roughing operations and state after roughing

2.2 內(nèi)型面精加工采用專用真空吸附工裝

外型面精加工完成后，最終確保壁板厚度的工序是內(nèi)型面的精加工，此工序設(shè)計了專用真空吸附工裝，見圖4。飛機整體壁板通常是內(nèi)型面帶筋，外型面為較平滑的機身面。因此采用真空吸附工裝的型面與壁板外型面貼合的方式，工裝上定位孔與壁板耳片上的定位孔配合，通過插銷子將壁板精確定位于工裝上。真空吸附工裝不但能保形，同時能夠大面積支撐壁板，并極大增加壁板加工過程中的剛性。

圖4 某整體壁板專用真空吸附工裝Fig.4 Vacuum fixture for a certain aircraft integral wall panel

真空平臺的型面應采用鋁合金，型面鋁板粗加工完成后將其背面用螺栓固定在鋼架上。鋼架焊接后需進行去應力退火，消除焊接應力，減小變形。型面鋁板與鋼架裝配完畢后，將鋼架底腳銑平后作為基準，五軸精銑模胎面，型面輪廓度公差（–0.05～0） mm，以保證沒有高點凸起。密封槽五軸法向加工，采用φ6 的橡膠密封圈，密封槽寬6 mm、深（4.7±0.1） mm，沿零件外廓偏置10 mm 左右，以保證最大的吸附面積。工裝型面的凸臺面上也需要進行銑密封槽，以預防最終銑開口時漏氣。若有鋸齒結(jié)構(gòu)或其他易翹起結(jié)構(gòu)，應在其附近設(shè)置螺紋孔，用于設(shè)置輔助壓板。保證加工過程中真空壓力保持在–0.05～ –0.1 MPa。

2.3 嚴控壁厚的測調(diào)一體化自適應加工方式

理論上精加工所用的工裝、刀具、加工原點、機床、毛坯、裝夾、操作等都應準確無誤，而實際情況中卻處處都可能存在誤差，因此精加工工序面臨巨大的挑戰(zhàn)。表1 為采用QW25–80 橋式五坐標高速銑和真空吸附工裝精加工某壁板內(nèi)型面前，對各種誤差進行檢測及分析得到的數(shù)據(jù)。

表1 整體壁板精加工誤差因素Table 1 Error factors of integral panel finishing

壁板厚度δ2.5～4 mm，厚度公差±0.2 mm 相當于δ的±（5%～8%），而壁板重量公差僅為理論重量的±2%。實際加工一般都趨于保守，若僅考慮保證壁厚公差，則會大幅超重。所以為了保證不超重，理論上應大幅壓縮厚度公差帶達60%以上。例如，δ為4 mm公差為±0.2 mm 的腹板，為了保證±2%的重量公差，理論上壁厚應是（4±0.08） mm。而實際加工中，由于±0.08 mm 的公差帶太窄，極難保證。經(jīng)數(shù)件的加工試驗，按（δ–0.05） mm 的壁厚目標去編制數(shù)控程序及加工，最適合保證重量公差。此時，壁厚公差帶理論上位于（–0.15～+0.25） mm，實際加工中仍然要嚴控厚度公差帶，要把厚度公差按±0.1 mm 的目標去控制，這樣才能保持壁厚既不超上差（δ+0.2） mm，又不靠近危險的下差（δ–0.2） mm，又可以保障±2%的重量公差。

因此，壁板加工的關(guān)鍵是將壁厚嚴格控制在（（δ–0.05）±0.1） mm 的預設(shè)范圍。壁板精加工時會有諸多誤差源疊加（表1），尤其是真空工裝平臺的型面輪廓度及壁板與工裝間局部不貼合間隙對壁厚的加工影響很大。此種情況下，按理論數(shù)模編制的數(shù)控程序無法保證預設(shè)的公差，必須采取有效的應對措施，即測調(diào)一體化的自適應加工方式。

測調(diào)一體化的自適應加工方式具體操作方式為：先將加工Z原點偏置+0.3 mm 進行1 遍精加工。然后用具備3D 測量的測頭或測厚儀測量各處厚度，此時壁板的厚度應該是理論厚度δ+0.3 mm。對薄于理論厚度δ+0.15 mm 的區(qū)域務必關(guān)注，因后續(xù)精加工需將壁厚目標設(shè)定為δ–0.05 mm，若此區(qū)域的數(shù)控加工程序不調(diào)整，將因壁厚超–0.2 mm 的下差而導致報廢。如圖5 所示，通過檢測發(fā)現(xiàn)實際厚度比理論厚度薄時，需調(diào)整數(shù)控程序并記錄其厚度。利用CAM 軟件的數(shù)控程序編輯功能，對此區(qū)域的數(shù)控程序進行編輯，按δ+0.3 mm–δ1偏置此區(qū)域的數(shù)控程序的Z坐標（圖6）。然后，把壁板厚度目標設(shè)為δ–0.05 mm，即把加工坐標系的Z向原點偏置–0.05 mm，執(zhí)行調(diào)整后的數(shù)控程序，完成內(nèi)型面的第2 次精加工。這樣，壁板每個部位都有適合自己現(xiàn)有厚度狀況的數(shù)控程序，保證壁厚公差的同時也可以保證嚴苛的重量公差，見圖7。眾所周知，數(shù)控設(shè)備的重復定位精度通常是所有精度指標中較高的一種，即在刀具重復到達同一位置的誤差很小，以第1 次精加工后的壁厚為基礎(chǔ)，調(diào)整程序后進行第2 次精加工，可將壁厚控制在（（δ–0.05）±0.1） mm，并基本消除表1中的各種誤差。

圖5 區(qū)域數(shù)控程序調(diào)整圖Fig.5 Area CNC program adjustment chart

圖6 調(diào)整此區(qū)域的數(shù)控程序，將刀具軌跡Z 坐標偏置了若干Fig.6 Adjust CNC program in this area, offset tool path Z coordinate

圖7 數(shù)控程序調(diào)整后所加工的厚度Fig.7 Thickness after adjusting CNC program

五坐標數(shù)控加工在曲面類零件的壁厚上留余量通常有2 種方法，較科學的方法是通過刀長補償，尤其適用于曲率半徑較小的零件。對于曲率半徑較大的零件，采用偏置加工坐標原點的方法較簡便。由于壁板曲率半徑很大，在加工時可以視為平板類，采用加工坐標系原點偏移的方法。

壁板在專用檢具上檢驗其型面輪廓度時允許局部壓一定重量的砂袋，自適應加工數(shù)控程序調(diào)整的幅度通常在0.2 mm 以內(nèi)，其輪廓度通常要求為0.5 mm，因此數(shù)控程序調(diào)整對壁板輪廓度的影響在可接受的范圍內(nèi)。

3 整體壁板高速銑削數(shù)控編程策略

高速銑削加工壁板采用分層加工，每層的切深及切寬要小，尤其是精加工階段，切深要小于1 mm，可以顯著減小切削力，減小加工變形。刀具軌跡要保持連續(xù)光順，曲面內(nèi)宜采用螺旋下刀或圓弧下刀，行切的端點采用切向圓弧進刀方式，應盡量采用等負荷切削[7]。

普通曲面的精加工方式是采用球頭刀密集行切。針對壁板面積大、曲率半徑大的現(xiàn)狀，為了提高加工效率，精銑采用帶圓角的立銑刀，加工刀軸垂直于零件面的五坐標行切，行距1 mm，比采用球頭刀加工的表面質(zhì)量和加工效率有顯著的提升。因程序之間容易產(chǎn)生接刀痕，應注意刀具軌跡的銜接，最好是刀具軌跡從零件一端連續(xù)加工到另一端。

筋條的頂面應在側(cè)面還有余量時加工到位，此時筋條剛性好。筋條通常不太高，精加工筋條側(cè)面時，最好采用側(cè)面分層的走刀方式（圖8），此方式能避免深度方向進刀產(chǎn)生的刀痕。斜筋頂面應采用行切方式加工（圖9）。

圖8 采用五軸徑向分層刀軌銑筋側(cè)壁Fig.8 Variable contour milling rib by multiple side passes swarf method

圖9 采用行切方式加工斜筋頂面Fig.9 Use zig-zag tool-path milling top surface of tilt rib

對外廓的精銑應采用較小直徑的刀具五軸加工，可降低切削力，避免壁板被拉起。整體壁板內(nèi)型面有很多減重下陷，下陷四周輪廓最好切一刀以消除其他加工導致的波紋或刀痕。待其他所有部位都加工完畢后，再銑薄開口的廓銑，底面留0.2 mm 余量，使開口的輪廓保持不漏氣的狀態(tài)，以免銑漏造成真空失壓[8–9]。

4 結(jié)論

通過歸納總結(jié)某大型鋁合金整體壁板高速數(shù)控銑削加工工藝，本文提出了一套有效控制采用厚板作為毛坯的整體壁板的壁厚精度的工藝技術(shù)及編程策略，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細闡述，有力地保證了某新型號飛機整體壁板的研制。粗加工階段設(shè)置工藝臺，精加工階段采用真空吸附夾具，預調(diào)壁厚目標及公差帶，采用測調(diào)一體化自適應加工方式進行兩次精加工，充分利用數(shù)控設(shè)備重復定位精度通常比較高的特點，達到嚴格控制壁厚的目的，這些工藝措施對于其他大型薄壁類零件的加工也極具參考價值。