基于镜像铣的某型飞机厚蒙皮铣边优化

周继广，孔庆猛，熊 旭，常 伟

（1.海装驻南昌地区军事代表室，江西 南昌，330024；2.航空工业洪都，江西 南昌，330095）

0 引言

飞机蒙皮的镜像铣切能够精简其加工工艺流程，显著提高工件的生产效率和铣切质量，成为目前飞机大型蒙皮数字化制造的关键技术，也是一种发展趋势。为了满足某型飞机蒙皮生产的需求，某飞机制造公司引进了一整套完善的五轴数控蒙皮镜像铣系统，如图1所示，其高速铣切和柔性夹持系统为铣切蒙皮外形提供了良好的硬件条件。该系统的优势是其五轴加工中心配备了高速铣刀，铣切力较小且具备自冷却功能，在铣切过程中工件因受力产生的变形较小，有利于提高铣切精度和质量。

图1 五轴数控蒙皮镜像铣系统

蒙皮件可视为一种弱刚性构件。某型飞机厚蒙皮的原材料厚度≥3mm，毛坯尺寸较大且为双曲率型面,需要通过蒙皮镜像铣设备的立式柔性装夹装置定位装夹后，再进行三维空间的铣切加工,蒙皮会因自身重力对夹持的精度产生较大的影响，边缘铣切精度的控制和边缘铣切余量设计成为亟待解决的问题。因此，需要针对性地开展技术研究，探寻影响铣边精度的诸多因素，提出控制方法，优化工艺参数，从而实现蒙皮精确铣边。

1 蒙皮镜像铣铣边原理

蒙皮铣边具体工作原理：铣边时无顶撑装置支撑，需合理设计布局柔性夹具及其上支撑杆真空吸盘的数量和间距位置，以保证铣边时的刚度。同时，应当注意避开铣刀与柔性夹具或真空吸盘的干涉，力求明确划分有效区域和非有效区域，即设计好铣边轮廓线，得到理想方案，为蒙皮铣边创造一个开放、可接近零件边缘的环境。

此外，由于蒙皮镜像铣铣边时，加工件难免会产生颤动，为此，该设备的铣切系统配备了一套防震颤装置，如图2所示。该装置有2个运动轴，分别是沿主轴推头的V轴和绕刀轴旋转的U轴，以适应不同厚度的蒙皮毛坯，实现精确铣边。

图2 蒙皮铣边防震支撑装置

2 飞机厚蒙皮镜像铣铣边优化方案

2.1 调整蒙皮件预成形状态

一般而言，蒙皮毛坯在蒙皮拉伸机或蒙皮滚弯机成形后，型面能够紧贴检验模具便认为是较佳状态。但是，考虑到镜像铣切后的蒙皮件因应力释放引起回弹变形，结合实际生产摸索出的经验：蒙皮预成形时，使蒙皮毛坯两端适当欠拉伸或者处于欠滚弯的状态（如图3所示），有利于弥补和抵消后续数控铣产生的回弹变形量，从而更有利于改善铣切质量。

图3 蒙皮预成形理想状态

2.2 加强蒙皮装夹刚度

针对蒙皮零件这类弱刚性零件，考虑多点吸附力耦合作用下的弹性变形与吸附位置、吸附顺序、吸附力和工件本身的几何参数存在的复杂非线性关系，掌握其变形量分布的精确计算方法和确定铣边余量十分关键。

在编制蒙皮件铣边程序时，根据蒙皮工艺数模制定初步的装夹方案和装夹参数，应用变形优化方法设计装夹方案和实际参数，判断优化后的工件变形量是否在合理的范围内。本文提出变形最小优化方法，其主要体现在合理布局排架位置和数量，以及真空吸盘的数量、位置、吸附顺序和吸附力等工艺参数。通过调节相应工艺参数和布局，以便使蒙皮件吸附受力均匀，装夹牢靠。

此外，在实际生产中，为克服初步装夹的蒙皮件受重力作用影响，减小零件下沉和装夹误差，在蒙皮四角加装辅助支撑，有时还需增加顶升装置，配合机床的柔性装夹系统，更好地固定零件，从而有利于蒙皮件的精确铣边。

2.3 蒙皮铣边优化策略

针对毛坯厚度≥3mm的蒙皮件，由于铣切蒙皮边缘时，不能使用零件背部的顶撑装置作支撑，从而很难保证加工时零件的刚度。此外，为了便于后续零件的吊装，在起初制定的蒙皮外形铣切工艺决策中，采取了预留氧化耳片的技术方案。但是，铣边质量不理想，同时，由于原材料较厚，给后续钳工去除耳片提出了较高要求。

为解决以上问题，对蒙皮铣边方案进行了优化。在编制铣切路径时，引导铣刀从蒙皮毛坯刚度较好处（距离定位装置或者吸盘近处）开始铣切，经多次实验对比确定合适的进给量和铣刀转速，轴向和径向分层、多次铣切，逐步深入，直至切通零件，使得铣切产生的应力逐渐释放。

在编制蒙皮铣边程序时，增加工艺补块以增加铣切时的刚度，经过多次试验确定工艺补块的间距和尺寸，注意工艺补块避开零件拐角，在其附近增加工艺补块以防止铣边时颤动，具体为：拐角处应无障碍，自然铣切成形，避免给后续钳工裁剪操作造成困难；将工艺补块根部及关键孔耳片、装配孔耳片和氧化耳片的端部(有效区域与余料的连接处)铣薄至2.0mm,蒙皮有效区域周边预留铣切余量0.1mm，铣切应力能够得到更好释放和控制,如图4所示。这就方便了后续操作，钳工裁剪工艺补块和氧化耳片时界限格外分明，大幅降低了钳工的劳动强度和工作量，从而更有利于保证蒙皮件的轮廓精度。

图4 蒙皮铣边优化策略示意图

3 厚蒙皮自适应加工技术[5]

鉴于厚蒙皮预成形存在误差，夹持力和工件重力作用也会引起变形,故刚装夹完毕后的蒙皮内型面必然与理论型面不符。此时，若仍以理论型面加工，就难以保证蒙皮件的形状精度和位置精度，甚至铣切超出允许范围，导致蒙皮报废。为此，需要运用逆向工程原理，探测实际型面，得到一系列数据，进而修正理论加工编程数据。

关于探测方式，蒙皮镜像铣设备采用了触发式探测，这是一种较成熟的测量方法,具备重复性好和数字化程度高、不受测量对象表面光泽度所影响的优点；但是，该测量方法仅能单点非连续探测，对于蒙皮这种大型曲面零件，耗时较长，大大影响了设备的使用效率。如今，非接触光学测量中的点线激光扫描测量适用于曲面零件，该方法测量效率很高，但是容易受到被测表面粗糙度、光泽度等条件的影响，从而影响其测量精度。

为了改变现状，攻关团队探索出一种适用于镜像铣的蒙皮自适应加工技术，即利用线激光扫描仪器对装夹好的蒙皮件内型面进行探测，再依据点云数据拟合成实际型面，最后，将依据理论型面设计的加工路径映射到实际型面上，从而得到最终的加工轨迹，如图5所示。

图5 厚蒙皮自适应加工技术示意图

4 加工过程仿真

将在CATIA软件编制完成的蒙皮铣边镜像加工程序，经后置处理，得到机床可识别的NC代码，导入到VERICUT软件进行仿真分析，仿真过程需检查是否过切和残余等信息。依据仿真分析，研究铣切工艺参数和铣切路径对工件变形的影响，以及由此造成的对铣边余量的影响规律，优化和确定铣切工艺参数，直至加工过程仿真合格，再将NC代码传输至镜像铣机床开始实际零件的加工生产。研究基于影响铣边质量的工艺余量设计和优化方法，积累经验知识数据，有利于控制数控铣边质量和提高工艺技术应用水平。

5 试切验证

厚蒙皮设计要求为在许用压力下,蒙皮零件和检验模上外形刻线偏差小于0.1mm。为此，选取典型的厚蒙皮镜像铣零件，利用研究取得的技术成果，进行蒙皮零件铣边的验证，如图6所示。生产实践证明，采用优化的蒙皮铣边工艺优化方案，在满足零件刚度和强度的同时，也保证了零件的形位公差，满足了设计要求，提升了蒙皮零件的生产和交付效率。

图6 典型的厚蒙皮镜像铣零件

6 结语

本文针对某型飞机厚蒙皮，进行铣边技术包括厚蒙皮自适应加工技术研究，仿真与实际生产相结合，相辅相成，所取得的成果缩短了蒙皮镜像铣铣边生产周期，大幅提高了铣边质量，大大减少了钳工的劳动量和劳动强度，报废率降低了20%，无形中创造了经济效益。最终，形成了数控铣边工艺技术规范，为后续指导实际生产提供了参考依据。