一种加工悬空零件的积木式柔性工装研究



一种加工悬空零件的积木式柔性工装研究

随着我国航空技术的快速发展，飞机研制周期越来越短，零件加工表面质量要求越来越高。而航空机械加工零件中的大量数控悬空零件在加工过程中常出现弹刀铣伤零件的现象，容易造成零件超差或报废，且零件出现弹刀现象后，需要经钳工打磨锉修来保证零件表面质量，大大增加了制造成本。

针对上述问题，常用解决方案为定制专用工装来解决悬空零件的加工弹刀问题；但飞机零件生产批量小，悬空零件只占机械加工零件中的极小部分，且零件结构更改频繁，采用该方法大大增加了数控悬空零件的制造成本。另外，飞机零件生产周期短，定制专用工装需要一定的订货、设计和制造周期，不能满足航空研制飞机快速生产的进度要求和较高的表面质量。

为满足航空研制飞机零件生产批量小、构型更改频繁、生产周期短和加工质量高等要求，某航空制造企业提出研制一套柔性工装，用于解决航空研制飞机零件生产所面临的问题。柔性工装在飞机装配、钣金零件切割加工等方面应用较广，但在结构件加工中应用较少，也无可用方案借鉴。

1 探索结构件悬空零件加工的新方案

悬空零件为零件加工部位大面积的区域出现悬空现象的机械加工零件，且零件悬空区域加工厚度尺寸小、强度低等特征决定了零件加工中将发生弹刀现象。悬空结构件示例如图1所示。

图1 悬空结构件示例

为了保证悬空零件加工中不出现弹刀现象，既要保证支承上表面与零件下表面贴合，又要保证支承下表面与垫板贴合(见图2)，这也是悬空机械加工零件工装设计中最关键的问题。合理解决了该问题，就解决了悬空零件工装设计问题。

图2 悬空零件简易工艺装夹模型

1.1 支承不可调解决方案

在结构件悬空零件加工中，支承不可调解决方案使用最多，用于解决悬空机械加工零件加工弹刀问题(如图3)。该方案为定制专用工装，需要工装设计人员根据具体零件工艺结构，设计一套适合于该零件工艺方法的专用工装，再由制造人员按工装设计要求制造完成零件专用工装制造，才能实现结构件悬空零件的机械加工。采用该方案，大大增加了结构件悬空零件的加工周期和制造成本。

图3 专用工装解决方案

1.2 支承可调解决方案

支承可调解决方案为设计一种可以随零件阶差自动调节的支承装置，在钣金切割加工中即使用该方法，如柔性工装数控系统[1]的设计(见图4)。但该柔性工装在结构件零件加工中应用存在较大困难，结构件零件结构复杂多变，加工精度高，定位要求高，切削力大，该柔性工装无装夹定位、点接触和较高悬空加工方式，不能满足悬空结构件零件的加工要求。若使用该方法，则应重新设计工装。采用该方案，将消耗不少人力物力，大大增加制造成本。通过设计一套如此复杂的柔性工装来加工较小占比的悬空机械加工零件和消耗大量的维修保养费用是不符合低成本制造要求的。

图4 柔性工装数控系统解决方案

1.3 积木式支承块解决方案

在积木式支承块解决方案中，支承块高度固定，根据支承块高度来设计零件加工方案。为了满足大多数悬空结构件零件的机械加工，固定支承块采用积木式支承块组合而成(见图5)。该解决方案为可调支承块解决方案与不可调支承块解决方案的融合，既有可调支承块解决方案的特点，又有不可调支承块解决方案的特点；既解决了结构件悬空零件的加工问题，又减小了工装设计和制造难度。在该解决方案中，工装部件为简单部件，使用性能好，降低了工装维修等方面的消耗。该解决方案能满足大多数结构件悬空零件的加工，属于柔性工装，可为结构件悬空零件柔性工装设计提供经验。

图5 积木式支承块解决方案原理图

2 验证积木式支承块解决方案的可行性

为验证积木式支承块解决方案的可行性，选取一个悬空零件进行现场试验加工验证。试验方法为：选取悬空零件→根据悬空高度加工支承块→制定悬空零件加工工艺方案→悬空零件工艺准备→现场加工试验→零件表面质量检查。悬空零件工艺方案、加工试验过程和加工结果如图6所示。结果表明，零件加工中无弹刀现象发生，零件表面质量好，达到了零件制造要求。由此可知，利用积木式支承块来加工悬空零件的方案是可行的。

图6 工艺试验

3 基于积木式支承块的柔性工装设计

基于积木式支承块的柔性工装设计包括积木式支承块、基础垫板及工装附件的设计。基础垫板的作用是支承零件和积木式支承块，固定积木式支承块，零件定位及零件压紧；积木式支承块的作用是支承零件悬空部位、固定积木式支承块和固定零件；工装附件包括螺钉、定位销、压板和支承等部件，作用为安装固定可调支承块、基础垫板和悬空零件。

3.1 积木式支承块设计

积木式支承块分为固定支承块和垫高支承块(见图7)，固定支承块用于将积木式支承块固定在基础板上和将零件固定在积木式支承块上，其特征是固定支承块上有沉头孔和螺纹压紧孔；垫高支承块用于根据零件悬空高度来调整积木式支承块高度，其特征是垫高支承块上有螺钉通孔。积木式支承块的设计应满足不同悬空零件支承高度不一致的使用要求，其厚度分别设计为2、3、5、10、20和25 mm，通过组合可以满足大多数悬空零件的加工使用要求。固定支承块上设置螺钉压紧孔，必要时可压紧零件中间部位工艺凸台，以提高零件加工强度。

图7 积木式支承块结构模型

3.2 基础垫板设计

基础垫板的设计主要考虑支承块、加工零件和基础垫板在机床上的定位和安装。为提高基础垫板的通用性，零件定位采用1个定位孔和1个定位槽的方式，装夹压紧孔的间距设置为50 mm×50 mm(见图8)。

图8 基础垫板结构图

4 基于积木式支承块的柔性工装应用实例

4.1 基于积木式支承块的柔性工装工艺方案设计

基于积木式支承块的柔性工装工艺设计，首先应根据零件悬空高度选择合适的支承块组合，以满足悬空零件加工的垫高要求，一般按从大到小的顺序选择(见图9)；其次，应根据零件结构、支承块结构和基础垫板压紧孔设置来确定支承块相对于零件的摆放位置(见图10)；最后，应根据零件、工艺凸台、支承块和基础垫板三者的协调关系确定零件定位孔(见图11)。

图9 积木式支承块组合模型

图10 积木式支承块安装协调位置图

图11 积木式工装安装零件模型示意图

4.2 基于积木式支承块的柔性工装工艺程编

基于积木式支承块的柔性工装工艺程编应注意，加工第1面时控制工艺凸台与零件腹板之间的阶差，防止零件在装夹压紧时产生应力。可采用同一把刀具且一次对刀来加工工艺凸台和零件腹板，以控制阶差(见图12)。当零件腹板上有孔时，应在第1面加工时钻出，防止第2面加工时钻孔铣伤工装支承块或基础板(见图12)。由于柔性工装需多次使用，因此应防止零件加工时刀具铣伤工装，可在加工时留0.05 mm余量，来保证不铣伤柔性工装(见图13)。

图12 积木式支承块程编示意图

图13 积木式支承块程编示意图

4.3 基于积木式支承块的柔性工装工艺文件编制

基于积木式支承块的柔性工装工艺文件编制，应在工艺规程中明确组合柔性工装支承块的组成和支承块与基础垫板之间的装配关系，以便于操作工人按工艺规程装配工装(见图14)。

图14 柔性工装安装图

5 结语

基于积木式支承块的柔性工装能满足大多数悬空结构件零件的加工需求，尤其在航空装备的研制生产中具有一定优势。基于积木式支承块的柔性工装与零件专用工装相比，提高了零件生产效率，降低了零件制造成本；与数控柔性工装系统相比，工装成本更低，使用和维修更方便。

[1] 靳阳，郇极.飞机制造数控柔性工装伺服驱动组件和控制系统[J].航空制造技术，2014(8):48-51,82.

欧映鸿，周良明，唐 林，蒲昌兰，于海涛

(中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司 结构件厂，四川 成都 610092)

通过对悬空零件加工中弹刀现象的分析，探索悬空零件加工的新方法，提出利用积木式柔性工装来消除悬空零件加工中的弹刀现象，解决定制专用工装加工悬空零件时生产周期长且制造成本高的问题，从而提高零件加工表面质量，缩短零件生产周期，降低制造成本。

悬空零件；柔性工装；积木式垫块

Research on a Flexible Building-blocks Fixture for Milling Hanging-parts

OU Yinghong, ZHOU Liangming, TANG Lin, PU Changlan, YU Haitao

(AVIC Chengdu Aircraft Industrial(Group) Co., Ltd., Structural Parts Factory, Chengdu 610092, China)

Through analysis of the shaking cutting tool phenomenon of milling the hanging-parts, explore the new method of milling the hanging-parts, propose using the flexible building-blocks fixture instead of the special fixture to mill hanging-parts for solving the long production cycle and the high manufacturing cost of the hanging-parts, and solve the shaking cutting tool problem, so as to improve the surface quality of the hanging-parts. The results shorten the production cycle and reduce the manufacturing cost of the hanging-parts.

hanging-parts, flexible fixture, building-blocks

欧映鸿(1988-)，男，助理工程师，大学本科，主要从事航空结构件数控加工技术及飞机零件管理技术等方面的研究。

2016-03-29

责任编辑 郑练

TG 754

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