大型蒙皮零件化铣样板研究

闫亚峰

（航空工业江西洪都航空工业集团有限责任公司，南昌 330024）

大型蒙皮零件是构成飞机气动外形的关键零件，也是飞机结构的重要受力构件，其零件尺寸大，有一些零件内部存在铣切厚度区域，且铣切区域形状复杂。此类大型蒙皮零件（指长度在2 m 以上的零件）一般采用先成型、后化铣的工艺加工。化铣样板是零件化铣过程中不可或缺的工装，化铣样板的精度和周期直接影响蒙皮零件的精度和周期。因此，化铣样板的制作至关重要。本文主要研究化铣样板的加工方法。大型蒙皮零件都是内表面化铣，故本文研究不涉及双面化铣、外表面化铣情况。

1 目前的化铣样板加工方法——模胎加工法

模胎加工法是指利用零件成型模胎成型化铣样板，并将化铣样板用销钉孔定位在成形模胎上进行样板形位线刻型的方法。图1为模胎加工法中模胎、零件和化铣样板的关系。

图1 模胎加工法

1.1 工艺路线

工艺路线：化铣样板（工艺数模）设计—下料—成型—数控刻线—加工化铣窗口。

1.2 设计思路

1.2.1 确定化铣样板材料及尺寸

化铣样板用材料一般选取LY12M-δ0.8～1.2 mm，但因为大尺寸材料稀缺，样板材料也会根据库房现有材料进行调整。

化铣样板毛料尺寸一般与蒙皮零件毛料尺寸相同，应按拉形方式（分横向拉形和纵向拉形）确定。

1.2.2 化铣样板定位方式

每块化铣样板在外缘线之外需设置2 个以上的销钉孔。销钉孔一般位于样板长方向的两端（图2）。销钉孔是化铣样板与化铣零件的定位基准；也是化铣样板与模胎的定位基准。化铣样板上的销钉孔应与标准实样上的销钉孔，模胎上的定位孔协调一致。销钉孔的数量应综合考虑零件尺寸、形状等确定。销钉孔距零件边缘线为20～80 mm。

图2 销钉孔的确定（单位：mm）

1.2.3 样板形位线设计

（1）浸蚀比确定。浸蚀比是材料在化铣过程中横向铣切量与铣切深度的比值，如图3所示。浸蚀比的影响因素有化铣溶液、化铣保护胶和铣切材料。改变以上任何一种因素均需重新测定浸蚀比。

图3 浸蚀比示意图

浸蚀比按公式（1）计算

式中：e 为浸蚀比（0.95～1.05），一般取0.95；b 为横向铣切量，mm；h 为铣切深度，mm。

（2）计算横向铣切量。依据零件铣切深度和浸蚀比，计算横向铣切量。单台阶零件横向铣切量按公式（2）计算，双台阶零件中第二台阶横向铣切量按公式（3）计算，截面图如图4所示。

式中：b 为横向铣切量，mm；e 为浸蚀比；h 为铣切深度，mm。

式中：b2为第二台阶横向铣切量，mm；e 为浸蚀比；h2为第二台阶铣切深度，mm；h1为第二台阶铣切深度，mm。

（3）样板形位线的确定开口。化铣边缘线再加上横向铣切量即为样板形位线。如图4所示。

图4 样板形位线的确定开口

1.2.4 化铣工艺数模设计

化铣工艺数模是化铣样板数控加工的依据。应首先确定样板刻型面。零件周边应留30～50 mm 的工艺余量。销钉孔、样板形位线、零件边缘线、装配余量线及标志孔等所有需要元素都应设计在刻型面上。

1.2.5 样板工艺单设计

样板工艺单上必须用剖面图表示出化铣样板与零件的贴合关系。

1.2.6 下料

下料车间按照样板设计部门提出的公用签（下料交接要求）下出化铣样板毛料。

1.3 化铣样板成型

化铣样板在零件成型模胎上拉形成型，由钣金车间完成。为提高贴膜度，采用紧箍拉形方法。应保证贴膜间隙小于等于0.5 mm（在施加5 kg 力范围内）。化铣样板上的销钉孔应按模胎协调开出。

1.4 化铣样板数控刻型

化铣样板数控刻型由模胎制造车间完成。刻线要求控制在宽0.5 mm，深0.3 mm，刻线应采用五坐标设备进行加工。刻线时，用定位销将化铣样板毛料固定在模胎上，为保证贴膜良好，应在非加工区域用绷带进行固定。

1.5 加工化铣窗口

手工加工化铣窗口由模线样板车间完成。开化铣窗口时，沿样板形位线中间进行剪切。制造完成后,与模胎按销钉孔定位，施加约5 kg 沙袋，保证贴膜间隙小于等于0.5 mm。

2 模胎加工法存在的问题

（1）化铣样板制造路线较长，涉及部门较多（包括模线样板车间、下料车间、钣金车间及模具制造车间），一直存在部门间沟通协调不顺畅等问题，导致交付周期较长（平均每项60 d 左右）。

（2）由于样板材料、工艺方法等局限，目前存在以下问题：①曲率较大零件化铣样板制造过程中会出现贴模度差、定位不准确等问题；②闭角度、陡壁零件化铣样板存在贴模度差、刻线不准确等问题；③大尺寸蒙皮零件因材料不能满足要求而分段设计时存在协调定位不准确、误差较大等。这几类零件化铣样板误差较大，导致此类零件化铣区域加工超差需反复修整，甚至不能满足零件交付要求。

（3）鉴于目前模胎加工法存在周期和精度等问题，经过调研和论证，采用了2 种新的化铣样板加工方法，即玻璃钢化铣样板加工法、镜像铣加工法。

3 改进的加工方法

3.1 玻璃钢化铣样板加工法

玻璃钢化铣样板是指在成型模胎上糊制玻璃布，玻璃布固化成型后，再加工出化铣窗口的一种化铣样板。此模胎不是零件成型模胎，而是化铣样板成型专用模胎，模胎与化铣样板、零件。

3.1.1 工艺路线

工艺路线：化铣工艺数模设计—成型模胎设计—成型模胎制造—化铣样板糊制—化铣样板数控加工—化铣样板的修整。

3.1.2 工艺数模设计

此化铣工艺数模供成型模胎设计、化铣样板数控加工和数控检测使用。化铣工艺数模设计应考虑化铣余量、装配余量，按样板形位线设计化铣窗口，设计出4 个Φ 5.2 mm 销钉孔。

3.1.3 成型模胎制造

为保证底面的平面度，应在平台上用环氧树脂塑制底平面。数控加工后，用环氧树脂或原子灰腻子对型面缺陷进行修复。

3.1.4 化铣样板糊制

糊制玻璃钢时边缘线外应留不小于30 mm 的余量。整个糊制过程实行多次成型，每次糊制（2～3）层后，要待固化高峰过后（即树脂胶液较粘稠时，在20 ℃时，一般60 min 左右），方可进行下一层的糊制。

3.1.5 化铣样板数控加工

由于玻璃钢化铣样板的数控加工在不起模的状态下完成，在数控加工时容易造成玻璃钢脱模飞出，要求玻璃钢固化成形后用规格为4 mm×30 mm 的自攻钉进行固定，自攻钉应符合GB/T 100—1986《开槽沉头木螺钉》的规定。

数控加工前应按照成型模胎基准孔找正模胎，检查模胎变形度，底面变形度应小于等于0.3 mm。当底面变形度大于0.3 mm 时，需要重新塑制底平面。

数控加工玻璃钢边缘时，铣刀要深入成型模胎1～2 mm，保证加工彻底，无毛边剩余。在进行工作边加工时应预留0.2 mm 的精加工余量。

3.2 镜像铣加工法

镜像铣加工法是指化铣样板成型后，直接采用镜像铣机床加工出化铣窗口的加工方法。以下是化铣工艺数模设计。

（1）刻型面确定。化铣样板正面即刻型面。蒙皮零件是内形面化铣，化铣样板外形面即是零件内形面，因镜像铣加工是凹面加工，故刻型面是零件内形面往内偏移1 个化铣样板材料厚度，如图5所示。

图5 镜像铣加工刻型面的确定

（2）镜像铣加工中的化铣工艺数模即是化铣样板实物的数字化模型。工艺数模应设计销钉孔、铣切吊装孔、铣切定位孔和标志孔等工艺孔。吊装孔应设计在零件边缘线外易于吊装的位置，标志孔一般设计在化铣样板边角处。样板上的化铣窗口应在工艺数模中开出通孔。在零件边缘线外长桁轴线方向单边留285 mm铣切余量，供化铣样板上镜像铣机床装夹使用；在垂直于长桁轴线方向单边留80 mm 铣切余量。

4 比较分析

改进的加工方法与模胎加工法相比。

玻璃钢化铣样板加工法，工艺路线缩短。化铣样板制造由原来模线样板车间、下料车间、钣金车间和模具制造车间4 个部门完成，缩短制造周期为在模具制造车间一个部门完成。制造周期由原来的近60 d 缩短至25 d 左右。制造误差由原来的小于等于0.8 mm 提高到小于等于0.3 mm。但需要做专门用于成型的模胎，且玻璃丝布糊制工艺对人员要求很高。

镜像铣加工法，工艺路线较短。化铣样板制造由原来模线样板车间、下料车间、钣金车间和模具制造车间4 个部门完成，缩短制造周期为在下料车间、钣金车间2 个部门完成。制造周期由原来的近60 d 缩短至20 d左右。制造误差由原来的小于等于0.8 mm 提高到小于等于0.5 mm。但需利用镜像铣机床资源。

5 结束语

具体使用哪种加工方法，应从周期、成本、精度及工厂资源等方面综合考虑。后续应从制造专门模胎、配制专用定位销等方面努力，进一步消除化铣样板制造误差。只有通过工程技术人员的不断探索、不断创新，才能创造出更加有效的化铣样板加工方法。