航空扭力臂零件数控加工工艺研究
2014-07-08李春刚舒晓君
李春刚,舒晓君
(1.中国人民解放军驻陕西飞机工业(集团)有限公司军事代表室,陕西 汉中723200;2.中航飞机起落架有限公司 燎原分公司,陕西 汉中723200)
0 引 言
起落架的结构主要由受力支柱、活塞杆、扭力臂或摇臂、撑杆、机轮和刹车装置等主要构件组成。扭力臂为飞机起落架上最典型的零件,通常为关键件或重要件。扭力臂的功用就是在飞机起飞和着陆时,将活塞杆上的扭矩传递到缓冲器支柱外筒上,防止减震支柱的活塞杆和外筒出现相对转动,保证减震支柱的扭转刚度。扭力臂的加工精度直接关系到飞机起飞、着陆、滑跑安全,因此研究扭力臂的加工工艺尤为必要。
1 航空扭力臂零件典型加工工艺流程
如图1,我厂加工该扭力臂连杆类零件已逾10 年,这中间借鉴了外商的加工经验并结合我公司现有加工资源,最终形成了如下成熟工艺流程并得到外商批复:005 领料→010 钳工刻号及准备热处理试件→015加工定位孔和基准面→020 单、双耳片孔及两端面→025加工零件单耳头部工艺夹头→030 数控加工零件正面全部外形(工位1)→035 翻面数控加工零件反面全部外形(工位2)→040 钻、铰油嘴孔→045 钳工打磨外形至要求的粗糙度→050 热处理→055 加工定位基准面→060 精加各孔及配合面→065 后续特种工艺→070 检验入库。
2 技术要求
文中所述扭力臂(如图1 所示)为空客AXXX 机型零件,其双耳片孔的同轴度(图中双耳片孔组对其公共轴线的全跳动量)要求达到0.025 mm,单耳片轴线与双耳片轴线的平行度公差值为0.015 mm,且耳片端面与孔中心线垂直度小于0.03 mm。该零件的表面粗糙度精度等级也较高,通常要求为Ra1.6~3.2。在结构方面该类零件含有曲面、型腔、筋板、孔以及不对称结构,工艺难度大,加工过程复杂。
图1 典型起落架扭力臂零件技术要求
3 工艺设计
3.1 工序约束规则
特征加工工步内容最大限度集中,一次装夹定位后,尽可能完成加工中心所能加工的零件大部分或全部特征,这样可以减少不必要的定位误差,生产率高。
3.2 工步约束规则
特征选择,决定工步加工哪些特征如型腔、筋板、曲面;特征排序,确定工步中加工特征的顺序;加工策略,确定走刀路线、顺逆铣、切削参数等等。
3.3 工艺方案
如上文所述,015、020、030 工序为零件后续外形加工工序的定位孔和定位面,应当在精度较高的卧式加工中心上进行,定位面及定位孔一刀完成,孔平行度好且面孔垂直度好,利于保证工件工艺要求,其加工工位如图2所示;030 和035 工序为零件外形加工工序,在立式加工中心上进行,采用图1 中φ120、φ68 孔及其76.25 端面定位,其加工工位及夹具结构如图3 所示。055 工序为零件热后精加工工序,其加工工位类似于图2。
图2 热前卧式加工中心工位示意图
图3 热前立式加工中心工位示意图
3.4 夹具及设备要求
不同扭力臂定位方式均以面孔定位,夹具设计上也异曲同工,如图2 所示为零件热前015 工序加工基准面和定位孔的夹具,图4 示出了零件基准加工的技术要求,图中粗实线尺寸分三个工位加工:在第一工位,铣尺寸521.5 及尺寸102.2 一端,铣、镗φ117 孔一端(即B 孔),及φ65 孔(图4 所示下端尺寸);第二工位,夹具回转台回转180°,保证尺寸521.5 及尺寸102.2,及铣、镗φ117 孔另一端(即A 孔);在第3 工位机床工作台回转90°,加工φ30 工艺夹头符合图纸要求。为了保证尺寸精度符合工艺要求,消除重复定位误差、装夹误差、找正误差,所有尺寸应一次装夹完工,因此要求设备具备B 轴功能,由于镗刀、铣刀悬长的考虑,要求夹具具备回转180°的功能,精度要求±15′,如图2 所示,这样解决了工作台回转180°后刀具悬长的问题,避免了采购昂贵的刀具的可能,大大降低了工件的制造成本。零件热后精加工工序夹具结构类似于热前夹具。
图4 热前卧式加工中心加工基准工位示意图
3.5 加工难点
图1 所示φ120 孔轴线对基准A-B 公共轴线的跳动量为0.025 mm,对于这类要求极高的孔系加工应在一次安装后,找正拉直三孔(A、B、C)后铣面镗孔,通过先加工基准A 孔(铣外端面→粗精镗A 孔→反锪A 孔内端面保证尺寸76.25 mm),再加工C 孔保证空间尺寸(两孔面高差)188.925~189.075 mm,然后夹具回转180°,拉直找正A 孔、C 孔跳动量0.01 mm 以内,再加工B 孔的工艺方法来提高φ120 孔系的同轴度和平行度要求。
4 工艺知识
起落架扭力臂零件通常采用整体锻件毛坯,零件外形结构相当复杂,分布着各种形状特征凸台、筋、腔槽等,截面复杂、外表圆滑无突变等结构特征,作为起落架主要承力构件,常采用超高强度钢制造,以满足高强度、高韧性、高抗疲劳性和耐腐蚀等性能要求。材料去除率高。因此,对于零件的粗加工,其金属去除率尤显突出,提高加工效率十分必要。
4.1 刀具的选择
目前我分厂加工扭力臂的常用设备如表1 所示,根据机床的加工能力,工件材料的性能,加工工序、切削用量以及其它相关因素,刀具选择的总原则是:便于安装调整,刚性好,耐用度和去除效率高,在满足加工要求的前提下,尽量选择较短的刀柄,以提高刀具加工的刚性。平端面,常采用端铣刀(牛鼻刀),如粗铣图4 中尺寸521.5,选用山特维克D80R6,留0.2 mm 余量精铣,切削参数为主轴转速600 r/min,走刀量900 mm/min,切深1 mm,铣孔时,如粗铣图4 中φ117 孔,选用伊斯卡D63R8,留1 mm 余量精镗,切削参数为主轴转速700 r/min,走刀量1 200 mm/min,切深1 mm,如对型面和轮廓外形的加工,常采用球头铣刀,在对零件两头耳片外形圆弧面的加工时,选用山特维克D50R25,留1 mm 余量精加工,切削参数为主轴转速1 000 r/min,走刀量1 500 mm/min,由于球刀的端部切削速度为零,因此,为保证加工精度,切削步距一般取得很密,精加工最后1 mm 时,切削步距通常为刀具直径的5%。零件热后的精加工,通常选用尼肯精镗刀和山特维克的盘铣刀。
表1 设备厂家及选型
4.2 CAM 算法策率
当前对航空零件进行数控编程通常利用主机厂给定数模(或者工艺用图纸建模),使用UG、CATIA 等三维工程软件从它的CAD 系统获取产品几何模型,通过交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块,计算产生曲面轮廓上所有机床步进点(或刀具铣削点)相对于坐标原点的坐标,产生加工刀路进行加工。
在UG、CATIA 等三维工程软件中,进行数控编程流程和主要操作流程为:读取产品数模→进入加工应用模块选择加工环境→分析数模→确定加工特征→平面/外型加工、粗/精加工→创建加工操作组→创建刀具→配置加工算法→生成刀轨→输出NC 文件→导入Vericut 进行切削仿真优化。由前文所述,扭力臂主要由孔、型腔、侧壁、型面、圆弧面、螺纹、回转曲面、斜面、加强筋、槽、倒角、凸台等非回转特征组成,需要用到工程软件的等高加工、固定轴加工、钻孔、镗孔、平面铣、型腔铣、清根铣等操作算法模块生成加工刀轨。
4.3 NC 刀轨及切削参数优化主要工艺原则
1)粗加工。刀具总是以5°~9°倾角,以螺旋或斜向方式进行工件表面加工,要避免突然改变走刀方向,即使在减少进给量或刀具停止时也要避免,因操作工很难反应采取应急措施。为了平稳地加工硬化了的材料,刀具切深最大不超过1.5 mm,考虑到刀片寿命以及起落架零件材质,切深一般设为1 mm。
2)半精加工。避免急剧的铣切运动,为了避免过切,刀具直接进刀到下一个切削层(由于层间距较小1 mm,刀具不可能采用螺旋或斜向进刀,即使设定也无法完成)。
3)精加工。避免急剧的铣切运动,避免在工件外形或轮廓上进刀或退刀,轮廓分层铣削时,层间进刀方式应当采用螺旋或斜向进刀,刀具每齿横向走刀量fz要与径向进刀量相当,采用真实的粗糙度铣切,用刀具的粗糙度值计算步距。
5 结 语
航空工业的快速发展一直引领着数控加工技术的发展,和其它行业相比,飞机起落架零部件的数控编程有其显著的特点和难点,正确、全面、合理的数控加工工艺是产品实现高精度、高质量、高效率、高效益的有效保证,并已经成为行业共识。伴随着大飞机研制的重大历史机遇,怎样运用现有的宝贵实践经验,解决数控应用中存在的问题已成为当务之急。
[1] 郦雪云.数控加工工艺知识管理系统的研究与实现[D].南京:南京航空航天大学,2008.