蒙皮镜像铣切系统及制造工艺的应用研究

时间：2024-07-28

郑文雅宋安源

（1.航空工业陕西飞机工业有限责任公司模线厂，汉中 723000；2.航空工业陕西飞机工业有限责任公司试飞厂，汉中 723000）

蒙皮结构质量直接决定飞机的空气动力特性，在一定程度上影响飞机受力结构。飞机承受的气动荷载直接作用于蒙皮结构，并通过蒙皮结构传递至机身骨架。因此，蒙皮结构加工制造是否精良尤为关键。蒙皮结构加工制造要求较高，需注意控制蒙皮厚度，实现减薄减重，同时严谨处理下陷区等特殊区域。为满足飞机蒙皮加工制造要求，可运用镜像铣切系统实现高精度质量控制。

1 蒙皮镜像铣切系统的构成

目前，化学铣切加工工艺已无法满足飞机蒙皮高精度、无污染的加工要求，促使镜像铣切系统应运而生。镜像铣切系统在蒙皮壁厚铣薄、钻孔、切边加工中具有显著优势，可实现对蒙皮厚度的精准控制，辅以高柔性夹具，能够一体化完成蒙皮加工。飞机蒙皮镜像铣切系统由卧式机床、顶撑装置以及柔性夹具构成，其中顶撑装置主要作用于蒙皮工件，使下陷区域铣切处理时更加稳定，用于保障加工精度。具体运行期间，在卧式机床、顶撑装置以及柔性夹具集成协作的基础上，飞机蒙皮镜像铣切系统进一步引入厚度检测和补偿系统，以便及时检查蒙皮厚度。镜像铣切系统主要通过切削铣头完成对蒙皮工件的加工处理。在切削加工期间，顶撑头随切削运动同步顶撑，提高加工稳定性。在顶撑装置内部设置厚度检测和补偿系统，用于实时把控蒙皮厚度，最大限度保障蒙皮加工精度及刚性[1]。

2 蒙皮镜像铣切系统相关技术工艺

2.1 蒙皮减薄技术

减薄是蒙皮加工制造的核心要点。以往的化学铣切工艺借助化学介质溶液腐蚀零件，使零件的尺寸及形状符合技术需求，存在一定的污染且精度不足。由于化学铣切工艺涉及大量化学试剂、污染严重，飞机制造相关行业致力于蒙皮绿色制造工艺研究，经长期钻研后，将多点柔性夹持技术与数控铣切工艺集成整合形成蒙皮精确铣技术。然而加工实践发现，即使设置了夹持点，但蒙皮铣切期间无法避免会出现颤振、弹性形变问题，导致蒙皮表面较为粗糙，且铣切精度未达到预期，因此需进一步革新蒙皮减薄技术。在高精度铣切要求和绿色制造要求下，蒙皮镜像铣切系统应运而生。该系统配备的柔性夹具附有真空吸盘，对蒙皮零件具有优异的固定效果，且加工机床配备支撑装置，用于控制铣切厚度，并规避工件变形问题，控制切削颤振程度，确保蒙皮厚度加工的精细化程度，真正实现蒙皮零件减薄[2]。

2.2 镜像铣支撑技术

蒙皮镜像铣切系统能够实现零部件切边、钻孔、厚度减薄，且可通过对厚度参数的实时监测提高加工精度，属于当代先进的加工技术。在整个蒙皮镜像铣切系统中，镜像铣支撑技术发挥着重要作用。该技术是镜像铣切系统与传统铣切技术最本质的区别，配备支撑系统后，实现了对蒙皮表面质量、尺寸精度以及表面形貌的精准控制。当机床加工头铣切处理蒙皮零件时，支撑头会对蒙皮零件进行支撑并同步运动，使加工头与支撑头之间始终保持固定距离，从而精准铣切蒙皮零件。蒙皮具有薄壁弱刚性，铣切加工期间极易出现弹性形变和颤振问题，而支撑技术的应用可减小弹性形变和颤振。当蒙皮零件被真空吸附或柔性夹持后，虽然可实现对蒙皮零件的初步固定，但是固定点位零散，致使蒙皮各个区域刚度受到夹持影响而出现差异，导致动力学特征发生改变，给支撑技术控制铣切稳定性的保持造成一定难度。针对这种情况，蒙皮镜像铣切系统配备了超声波厚度检测系统，用于实时检测蒙皮铣切厚度，提升支撑技术应用效果。

蒙皮镜像铣切系统中的支撑技术在未来发展中可朝曲面自适应方向发展。在镜像铣切之前，借助专用可视化软件对蒙皮零件结构进行激光扫描，基于蒙皮真实型面规划支撑头运动路径。在具体支撑过程中，支撑头可能出现位姿误差，可依靠曲面自适应功能结构保障其支撑效果[3]。

3 蒙皮镜像铣切加工系统的工艺策略

3.1 选择加工零件

3.1.1 零件结构要求

为保障蒙皮镜像铣切加工制造效果，需按照特定结构特性要求选择加工零件。首先，下陷区轮廓。所选蒙皮加工零件的下陷区转角半径最低值不可低于铣切刀具半径。其次，型面光顺程度。若零件表面存在明显的凹凸状区域，则难以达到预期铣切加工效果。受过大型面曲率影响，蒙皮零件与主轴头会产生相互干扰问题。此外，蒙皮镜像铣切加工系统所用刀具为平面端面，若蒙皮零件结构型面呈凹凸状或曲率过高，则会导致蒙皮零件各个位置与刀具之间无法维持同一距离，使蒙皮表面厚度加工出现偏差，大幅降低蒙皮加工制造质量。最后，零件厚度适宜。较薄蒙皮零件的下陷区厚度要求严格，且厚度补偿系统产生的处理效果存在差异。为保障蒙皮结构制造质量，选用的加工零件厚度不可过薄[4]。

3.1.2 成型工艺选择

飞机蒙皮结构通常规模较大，现阶段常运用拉形成型和滚弯成型两种工艺对蒙皮零件进行成型处理。拉形成型是以拉形模为依据，借助拉伸机对零件毛料进行拉伸处理。滚弯成型采用滚拉形式使零件毛料成型。相较而言，拉形成型工艺精度较高，成型效果优异，所获得的蒙皮变形程度较低，而滚弯成型在应用期间会造成较大应力且精度不佳。因此，运用蒙皮镜像铣切系统进行加工制造时，优先选用拉形成型工艺，控制铣切加工变形，保障制造质量与效率。

3.2 零件装夹工艺

3.2.1 实施流程

完成蒙皮零件选择后，需将其进行装夹处理。首先，取蒙皮零件置于多点柔性夹持工装，采用编程控制方式升起夹持工装立柱，对零件形成支撑。其次，选用激光投影仪，借助其投影功能定位蒙皮零件轮廓线和中心线。再次，移动蒙皮零件，使零件定位孔与激光投影所得定位孔保持重合状态，继而实现零件的精准定位。最后，采用手工操作的方式，使柔性加持工装能够基于零件轮廓夹紧蒙皮零件，继而完成零件装夹处理。

蒙皮镜像铣切加工系统装夹工序的核心在于零件精准定位和夹紧蒙皮零件。为保障蒙皮装夹精准度，可运用激光投影辅助完成定位及装夹工序[5]。

3.2.2 实施要求

在蒙皮镜像铣切加工制造期间，零件装夹是否精准直接影响加工处理质量，因此需严谨控制蒙皮装夹工艺。第一，零件加工位置受支撑位置影响，在支撑工装编程前，需科学确定支撑工装与蒙皮零件之间的距离参数，确保零件加工时可位于机床行进区域内。第二，精确绘制辅助装夹线。基于蒙皮工件宽度、长度方向，根据加持工装距离确定投影点，围绕投影点延伸10 cm，即可得出辅助装夹线。第三，要求蒙皮工件装夹期间保持无应力状态。蒙皮加工处理期间，零件下陷区随着加工程度的深化逐渐被去除，期间若蒙皮零件存在应力状态，应力会时刻变化。若蒙皮装夹应力较大，加工时极易出现形变。若形变超出补偿范围，则会影响蒙皮厚度加工精度，厚度超差后将大幅降低蒙皮质量。因此，蒙皮镜像铣切加工制造过程中，需尽可能做到无应力装夹。结合以往加工处理经验来看，装夹应力出现的基本原因在于未正确调整夹持工装，导致夹持工装与蒙皮零件形状不相匹配造成局部应力。为实现无应力装夹目标，需注意落实夹持工装的调整工序，以免受到装夹应力影响而发生难以处理的形变。

3.3 选择专用刀具

刀具是完成蒙皮镜像铣切加工制造的关键装备。为保障铣切处理质量，通常需结合蒙皮加工制造需求选择专用刀具，用于削弱铣切颤振现象，提高铣切稳定性。一般情况下，飞机结构的材料以合金材料为主。为控制铣切加工成本，顺利排出铣切产生的碎屑，在蒙皮镜像铣切系统运行期间可选用硬质合金铣刀。这就要求铣刀具备大螺旋角特征。但是，为控制蒙皮厚度加工精度，使铣切过程尽可能平稳，需优先选用小螺旋角铣刀用于控制轴向力，避免蒙皮零件在铣切期间受力干扰发生移动而降低切削补偿效果。因此，在蒙皮镜像铣切加工制造前，应结合实际加工需求选择合适的铣刀螺旋角度。此外，铣刀锋利程度必须达标，选用大前角切削刃用于控制切削力。结合以往加工制造经验展开分析，为控制刀具成本，减少刀具更换数量，需选择高性能铣刀，如聚晶金刚石（Polycrystalline Diamond，PCD）刀具，其具有优异的切削效果。完成加工处理后，蒙皮零件表面光顺程度较高，且铣切过程平稳，符合蒙皮镜像铣切加工要求。

铣刀规格的选择，直接影响蒙皮零件的处理。在选择专用铣切刀具时，应科学选择铣刀直径。结合实际铣切过程来看，机床支撑头配备厚度检测系统，用于实时了解蒙皮厚度参数，并依据厚度检测结果进行补偿。蒙皮镜像铣切系统厚度检测采用超声波。为避免影响超声波测厚精度，要求选用的铣刀直径最小值需大于超声波探头直径。

3.4 特殊区域处理

蒙皮镜像铣切时存在两个主要的特殊区域，即下陷区和开口边缘区。在加工制造过程中，需对这两个区域特别处理。

3.4.1 下陷区处理

第一，借助激光扫描功能扫描非下陷区加工外表面，用于采集蒙皮零件外表面点云数据。第二，借助点云数据处理软件进行分析，剔除无效数据点及噪点，以点云数据为依据重构曲面，构建蒙皮模型。第三，以构建的几何模型为依据确定工件设计模型、蒙皮零部件之间的对应关系。第四，观察与确定蒙皮构件下陷区理论刀路，基于此匹配特征补偿刀路，继而获得下陷区真实加工刀路。第五，校验下陷区加工刀路，确认符合要求后实施加工工序。

相较于常规区域，下陷区应按照“由中至边”的顺序进行加工。一方面，当蒙皮结构夹持固定后，蒙皮构件边缘装夹时表现出优异的支撑效果，而蒙皮构件中间支撑刚性相对较弱。如果下陷区边缘位置加工先于中间位置，边缘处进一步被加工技术减薄，刚性降低，此时会对中间位置产生影响，大幅削弱蒙皮构件中间位置的支撑刚性。为规避上述问题，需按照“由中至边”的顺序加工制造。另一方面，“由中至边”的加工顺序能够在一定程度上控制蒙皮构件的形变程度，使蒙皮构件四边能够维持受力平衡状态。即使出现形变问题，所表现出的形变程度大致均匀。若不按照此顺序加工，则会引发受力不均现象，形变问题严重，不利于飞机蒙皮结构整体加工制造效果。

3.4.2 开口及边缘加工

与下陷区域一致，开口及边缘加工均需按照“由中至边”的顺序加工处理。首先，加工处理期间对蒙皮开口及边缘区域型面进行扫描，获取真实信息；其次，以理论刀路为依据补偿刀路，得出适宜开口及边缘区域加工的实际刀路；最后，按照获得的实际刀路进行加工。

开口及边缘区域进行加工时，需按照“由中至边”的顺序，由零件中部区域开始加工，随后逐渐向外延伸，继而完成整个开口及边缘区域的加工处理。切割该区域轮廓过程中，需做好毛料及零部件的对接，在夹爪位置增设连接筋，用于提升装夹强度，同时起到控制零部件形变的作用。需要注意，应一次完成边缘及开口等轮廓位置的切割，并将边界余量控制在0.5 mm 左右，以提升轮廓位置的铣切精度。