基于零件结构特征的航空结构件数控铣削装夹方法研究

田斌　吝鹏

摘 要：本文针对航空结构件普遍存在的自身特异性，结合数控铣削加工的工艺特点，深入分析各类结构特征对零件加工装夹方式的影响，提出了一种加工过程中利用零件自身结构特征进行装夹方法设计的指导思想。

关键词：反拉螺栓；腹板减轻孔；轮廓缺口

1 绪论

我国航空工业起步初期，结构件的加工主要依托于普车普铣的“手摇”操作加工模式，加工效率低，产品质量不稳定。二十世纪末期，随着国内经济形势及国家政策倾向的转变，航空业逐渐迎来发展的转机。数控车、铣加工设备逐渐引入到航空零部件加工行业。

随着国内航空制造力的不断提升，零部件加工的供应需求量也大量提升，传统数控加工模式已无法满足其产量需求。一轮以数控柔性化加工为典型特征的工业改造活动正在行业中竞相展开，其中装夹方式的改革占据了重要的地位。

2 航空结构件的结构特征

一种典型航空结构件加工装夹方法：在零件最小包容尺寸基础上，长宽方向分别增加装夹余量确定毛料尺寸，以螺栓、压板压紧毛料四周进行数控加工。此加工方法毛料减材量大、压板装夹操作繁琐、效率低。随着行业的快速发展，该类加工方法的弊端日益凸显，已不能满足高效、柔性化加工的零件装夹需求。随即，一种基于零件结构特征的装夹方法被提出。

基于零件结构特征的装夹方法，即通过对零件自身結构特征进行分析，利用零件本身存在的槽腔、缺口、减轻孔等局部特征，设计出一套与零件结构高度贴合的机床夹具，使其在数控加工时达到快速连接固定，但无需增加多余的装夹余料的零件装夹方法。

常见的航空结构件典型结构特征包括：导轨导槽结构、双面槽腔结构、腹板减轻孔结构、轮廓缺口结构等。

2.1导槽导轨结构

航空结构件典型的导槽导轨，其截面形状为T型槽口，槽口沿零件长度方向延伸，槽口的相反面为平面或立筋，主要用于飞机座椅导轨、密封导槽等零件。这种结构可采用专用T型螺母进行反拉压紧，可有效减少零件加工的毛料需求，避免加工过程中装夹引起的刀具干涉风险。

2.2 双面槽腔结构

双面槽腔为飞机结构件典型结构特征之一，其特点为零件上下两面均为槽腔，中间由腹板连接，分布的零件类型包括飞机吊挂撑杆、滑轨等。这种结构的零件装夹可借助一面槽腔，增加螺纹孔进行反拉装夹，可有效减少毛料需求和加工工位数量，提升其加工效率和零件质量。

2.3 腹板减轻孔及轮廓缺口结构

带有腹板减轻孔或轮廓缺口结构的零件多为大型框类、肋类或隔板类零件，其典型特点为零件轮廓尺寸大，壁厚尺寸较小，零件刚性较差，加工过程中易发生震颤、变形。在这类零件的加工装夹中，可借助减轻孔、轮廓缺口等设置工艺搭接，用内六方螺栓将其与工装连接，起到提升加工系统刚性的作用。

3 典型航空结构件装夹方案设计

3.1 典型零件结构

某飞机内侧吊挂前撑杆零件，该类零件为飞机内侧吊挂装配上重要的连接零件。其材料为7050.T7451，零件尺寸为1304mm×112mm×76mm。零件为细长形状，中段截面为四面槽腔，槽腔区域无装配需求，起减轻作用，两端头分别为叉形双耳片，表面粗糙度为Ra1.6。该类零件加工的关键部位为两端头叉形耳片尺寸及表面光度。

3.2 夹紧方式

基于零件结构的装夹方案设计如下图。该方法的基本实现形式为通过内六方螺栓反拉零件，将零件固定在专用铣切夹具上，保证零件加工的最小加工余量及定位面的最小接触面积，使其可加工面积最大化，从而达到了一个工位下完成多个面的加工。

内侧吊挂前撑杆零件的装夹方法设计图

其方法为设计了一套专用铣切夹具，其构成为基础体加快换托盘。加工时，夹具的基础体与机床工作台连接。夹具托盘与基础体之间通过JERGENS球锁进行连接，可同时实现托盘在基础体上的定位与夹紧，不但节省了装夹的操作时间，同时提高了工装定位的精度。

零件槽腔内的预制定位孔位置任选，螺纹孔位置的设计主要考虑到零件受力均匀，避免因装夹不当引起零件变形、带应力加工。

3.3 效益分析

3.3.1 加工流程缩短

由于零件铣切时装夹方法的改进，零件整个加工过程中的装夹次数由6次减少到3次，加工流程大大缩短，按每次装夹拉直、找正、压紧零件用时1小时计算，由于流程缩短所减少的单件装夹用时为3小时。

3.3.2 原材料需求量减少

按照传统的螺栓压板压紧方法，毛料尺寸为1374mm×182mm×80mm。与之相比，当前方案单件节省毛料20.95kg。

3.3.3 加工质量提升

由于加工方案的优化，零件一次装夹完成了多面的加工，避免了由于多次装夹造成工位间误差积累，零件表面的阶差、尺寸超差现象明显减少，避免了后期钳工的二次锉修，另外，加工过程中应力得到有效释放，加工后变形减少，加工过程稳定，零件加工质量一次合格率达到100%。

4 总结

通过以上实例可见，采用基于零件结构特征的零件加工装夹方法可以有效利用现有资源，对装夹方法进行优化，零件加工周期的缩短、增强零件铣削加工的稳定性、提高零件加工质量及减少零件加工的原材料需求方面均起到了很好的作用。在批量生产中，结合专用夹具的设计、托盘化生产模式的实施，对于适应当前机械加工行业普遍的柔性线生产模式具有重要的意义，值得借鉴和推广。

参考文献：

[1]刘强，李忠群.数控铣削加工过程仿真与优化：建模、算法与工程应用.