CN103406725A

CN103406725A - 一种颤振模型梁架加工方法

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Publication number: CN103406725A
Application number: CN2013103313179A
Authority: CN
Inventors: 田平; 左小红; 殷贵刚; 杨鸿健; 于晔
Original assignee: AVIC Chengdu Aircraft Design and Research Institute
Current assignee: AVIC Chengdu Aircraft Design and Research Institute
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-08-01
Also published as: CN103406725B

Abstract

本发明属于航空装配技术领域，特别是涉及到一种颤振模型梁架加工方法。本发明根据梁架类零件的结构特点、加工难点，从提高工艺系统刚度的角度出发，提出一条合理的工艺流程，优化了在UG NX8.0环境下的数控编程方法，设计出一种有效的数控加工工艺方案，为飞机颤振模型梁架零件的加工提供了整体加工的工艺方法。五坐标数控机床的采用，有效的解决了反“Z”腔体结构和内凹腔体结构的加工难题，很好的保证了原来设备无法加工的区域精度，为后续钳工的修型减少了大量的工作量。本发明能有效的缩短颤振模型梁架类零件的加工周期，满足产品苛刻的技术要求（产品材料去除率达97%以上），提高产品的一次成功率。

Description

一种颤振模型梁架加工方法

技术领域

本发明属于航空装配技术领域，特别是涉及到一种颤振模型梁架加工方法。

背景技术

传统颤振模型采用仿形木盒结构，由梁架、木盒构成，外型面为木料材质，由木工修形获得，其梁架结构相对简单，无复杂型面及薄壁结构。该种梁架模型加工简单，生产周期短，模型加工投入少，模型加工合格率高。但是，该种研究手段获得的试验数据分散性大，真实性不高，需多次投入反复试验来获取数据。

对传统的简单结构的内埋金属梁架，无复杂的多次方理论外形型面，只有规则的壁，筋肋。但这些规则的壁，筋肋具有壁薄，刚度差的特点，再加上加工该类梁架没有太多的经验，全按照普通机械加工零件的工艺方法进行处理，在加工的过程中由于零件本体的比刚度差，经常出现拉刀，啃刀，颤刀的现象发生，这就导致了产品超差报废，产品成功率极其低下（试验件合格率约为30%），生产成本极其昂贵，而且其工艺流程较长,加工周期难以控制。采用三坐标数控机床进行加工传统零件，对局部有负角，闭角的地方无法加工，这些区域只有靠钳工进行打磨修型，效率低下且质量保证困难。

随着模型设计能力的提高，该类金属梁架越来越复杂，在设计阶段就采用超薄筋肋加复杂理论外形的复合结构形式，保证了外形的加工精度就使模型仿真度更高，从而后期所获得的实验数据更真实。此方案对加工就提出了更高、更苛刻的要求，就要求探求出一种更能控制变形、减少变形量，提高加工过程中零件的比刚度，采用更先进的设备解决反“Z”腔体结构和内凹腔体结构的加工。

发明内容

发明目的

提供一种颤振模型梁架加工方法，能有效的缩短颤振模型梁架类零件的加工周期，满足产品苛刻的技术要求，提高产品的一次成功率。

技术方案

一种颤振模型梁架加工方法，包括以下步骤：

步骤一：根据颤振模型梁架的理论外型，确定原材料的包容尺寸，包容尺寸要大于理论外型的尺寸；

步骤二：根据颤振模型梁架筋肋分布情况，确定在原材料上钻孔的数量及位置：钻孔的数量与筋肋形成的规则框数量一致，不规则小框则不钻孔，钻孔的位置在规则框中心；

步骤三：先在工装第一区域上钻出与原材料相对应的孔，然后在工装的第二区域钻出对称的孔；

步骤四：将原材料放置到工装第一区域上，所有的孔对应之后，使用螺钉将原材料压紧至工装；

步骤五：粗加工除工艺凸台1及支撑圆台2之外的区域：工艺凸台1的连接耳片3与待成型颤振模型梁架筋肋的连接处4齐平，且筋肋的转角处5不留连接耳片3，所述支撑圆台2位于筋肋的十字交叉区域上，高度与工艺凸台1一致；

步骤六：将原材料翻面，使用螺钉压紧至工装的第二区域，重复步骤五之后，进行48小时的自然时效；

步骤七：采用无应力装夹去除原材料两边工艺凸台1的变形量；

步骤八：重复步骤四，半精加工原材料两面除工艺凸台及支撑圆台2之外的区域，进行48小时的自然时效后，重复步骤七；

步骤九：重复步骤四，然后对原材料进行精加工；

步骤十：去除工艺凸台1及支撑圆台2。

有益效果

本发明根据梁架类零件的结构特点、加工难点，从提高工艺系统刚度的角度出发，巧妙设计了其工艺结构、定位装夹系统，制定出一条合理的工艺流程，优化了在UG NX8.0环境下的数控编程方法，设计出一种有效的数控加工工艺方案，为飞机颤振模型梁架零件的加工提供了整体加工的工艺方法。五坐标数控机床的采用，有效的解决了反“Z”腔体结构和内凹腔体结构的加工难题，很好的保证了原来设备无法加工的区域精度，为后续钳工的修型减少了大量的工作量。本发明能有效的缩短颤振模型梁架类零件的加工周期，满足产品苛刻的技术要求（产品材料去除率达97%以上），提高产品的一次成功率（产品一次交检合格率达95%以上），创造了良好的经济效益。

附图说明

图1是本发明实施例一待成型颤振模型梁架结构示意图；

图2是本发明实施例一原材料的包容尺寸示意图；

图3是本发明实施例一钻孔之后原材料示意图；

图4是本发明实施例一钻孔之后的工装示意图；

图5是本发明实施例一经过粗加工之后原材料结构示意图。

图6是本发明实施例一经过粗加工之后原材料结构局部放大示意图

其中，1-工艺凸台，2-支撑圆台，3-连接耳片，4-连接处，5-筋肋的转角处。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，请参阅图1至图6。

如图1所示，为待成型颤振模型梁架结构示意图。梁架主支撑结构由竖直方向的四方筋条排列而成，在此筋条基础上向水平方向上下各伸出辐板，使之成为反“Z”字形结构。辐板的外形与理论外形一致，内形由外形按等厚度偏置形成，故同样为复杂自由曲面。梁架材料为铝合金7050-T7451，筋条厚度为1.5～4mm不等，辐板厚度为1.5～5mm不等，属于薄壁结构。

就此可以看出，该梁架具有内外多型面，几何形状复杂，存在三轴死角，刚度很差，加工变形大。而其加工精度要求高（内外型面公差±0.1mm，筋条宽度公差±0.1mm），工艺难度大。

筋条厚度较薄，局部位置较深，加工中弹性形变大，影响最终尺寸精度。在加工深腔处时，由于刀具长径比大，刀具刚度降低，加工时易出现振动现象，发生啃刀、带刀情况，在筋条侧面形成厚薄不均的振纹，严重损伤筋条表面的加工质量，很难保证筋条厚度几何尺寸精度及表面粗糙度。

该梁架的上下两端均有三轴机床无法加工的“凹”形内腔，中间各筋条相交处均有三轴机床无法加工的内腔，且多达30余处。

本发明依据梁架的结构特点，设计出科学的工艺系统、定位装夹方式及详细的工艺流程，来解决材料去除率大、零件加工残余应力大导致的变形问题。

详细设计出机床、刀具的选择以及切削参数的设定，数控编程方法的制定及其优化来解决薄壁质量控制及三轴死角的加工难题。

根据本发明加工颤振模型梁架加工方法，包括以下步骤：

步骤九：重复步骤四，然后对原材料进行精加工；

步骤十：去除工艺凸台1及支撑圆台2。

如图2所示，为原材料的包容尺寸示意图。该梁架数控毛坯为整块板料排料后下料而成，毛坯质量为190.6kg，最终加工完后梁架质量为4.5kg，材料去除率超过97%。常规加工下零件本身刚性很差，极易出现拱翘、扭曲变形，且变形量大，远远超出公差要求。

如图3所示，为钻孔之后原材料示意图。根据颤振模型梁架筋肋分布情况，确定在原材料上钻孔的数量及位置：钻孔的数量与筋肋形成的规则框数量一致，不规则小框则不钻孔，钻孔的位置在规则框中心，方便压持工件，并保持在加工过程中不与加工刀具产生干涉。

如图4所示，为钻孔之后的工装示意图。先在工装第一区域上钻出与原材料相对应的孔，然后在工装的第二区域钻出对称的孔；在区域2上钻孔时兼顾零件在加工工艺过程中要翻面加工，为减小工装面积，可充分利用公用区域。

如图5所示，为经过粗加工之后原材料结构示意图。粗加工除工艺凸台1及支撑圆台2之外的区域：工艺凸台1的连接耳片3与待成型颤振模型梁架筋肋的连接处4齐平，且筋肋的转角处5不留连接耳片3，所述支撑圆台2位于筋肋的十字交叉区域上，高度与工艺凸台1一致；

将反“Z”字辐板延伸出来与同一块突出的工艺凸台1相连，同一个框中四边均采用此种方式，同时留出加工区域，并且该加工区域尽量小，以提高刚度，减少切削材料量，提高加工效率。

沿梁架周边拉出一圈等宽的工艺台，作为周边压持处。在筋条相交处设置Ф8支撑圆台2，用于在精加工筋条侧壁、五轴加工内腔时提高工艺系统刚度。并将加工基准设置在直角边上。

为保证加工过程中应力释放均匀、充分，在该工艺系统的基础上，采用三轴加工中心加工辐板内外型面、筋条两侧面，采用五轴加工中心加工凹形内腔、筋条相交处内腔。考虑到零件去除材料量大，加工残留内应力大，在粗加工后安排48h自然时效工序，以释放残留内应力，减小精加工后的变形。

由于零件较大，三轴加工采用龙门数控加工中心，完成粗加工、精加工内外型面和平面、精加工筋条厚度及去除中间工艺头工序。五轴加工采用FIDIA T20五轴数控加工中心，完成各种内腔、安装孔加工工序。最后在龙门数控加工中心上完成去除Ф8压点、周边工艺头工序。详细内容见表1。

表1机床、刀具选择及切削参数设定

由于零件非常复杂，编程采用自动编程方法，软件环境为UG NX8.0版本。编程方法是和工艺系统密切关联的，在进行工艺系统设计时即需详细考虑编程方法的实现。当工艺系统设计完成后，编程方法即可初步确定。详细内容见表2。

表2编程方法制定

工序	机床选择	刀具大小	编程方法	余量设置(mm)
					粗加工	龙门铣	Ф20R1	Cavity_mill	底：0.8，侧：0.3
半精外型面	龙门铣	Ф20R1	Contour_area	0.3
					精加工外型面	龙门铣	Ф10R5	Contour_area	0.05
清角	龙门铣	Ф10	Cavity_mill	0.3
					精加工平面	龙门铣	Ф10	Face_milling	0
精加工筋条	龙门铣	Ф10	Contour_area	底：0.3，侧：0
					清角	龙门铣	Ф6	Zlever_profile	底：0.3，侧：0.05
精加工内型面	龙门铣	Ф6R3	Contour_area	0.05
					去中间工艺头	龙门铣	Ф10	Cavity_mill	0.3
五轴粗加工	FIDIA T20	Ф8	Cavity_mill	0.3
					五轴精加工	FIDIA T20	Ф10R5	Contour_area	0.1
五轴精清根	FIDIA T20	Ф6R3	Contour_area	0.1
					粗去Ф8压点	龙门铣	Ф10	Cavity_mill	0.3
精压点处型面	龙门铣	Ф10R5	Contour_area	0.15
					粗周边工艺头	龙门铣	Ф10	Profile_3D	0.2
精加工周轮廓	龙门铣	Ф10	Finish_walls	0

经加工验证，在单面粗加工后，零件厚度方向变形量在0.8mm左右，双面粗加工后，零件厚度方向变形量恢复到0.2mm，侧壁变形可忽略不计，故粗加工底面留0.8mm，侧面留0.3mm是合适的。

自然时效后的半精加工用Ф20R1刀具采用contour_area方法中的区域铣削方式铣削，切削深度0.5，可大大提高半精加工效率。

精加工筋条前必须用与精加工（Ф10、Ф6R3）同样直径的刀具清角，避免出现因使用大直径刀具（Ф20R1、Ф10）粗加工时转角处材料残留过多造成出现撞刀等不良现象。

精加工筋条厚度用Ф10平底刀采用contour_area方法中的清根（单刀路）方式铣削，在加工Z值不断变化的侧壁时效果很好。同时进给速度给的较低（200mmpm）有利于切削平稳，获得良好的表面质量。

Ф6R3精加工内型面时，其加工较深，刀具刚度不好，颤动较大，需将筋条侧壁设为干涉（干涉距离0.3mm），防止出现啃刀现象啃伤已精加工好的筋条侧壁。

去中间工艺台采用profile_3D方法，可沿空间变Z值切削，仅切削工艺台与零件相连部分，提高了加工效率。

小直径刀具加工时，切削余量不能大，以免出现切削瘤，颤刀，过切等现象，编程时必须遵循小余量、小切深、快进给加工原则。

在零件装夹过程中，需尽量保证夹紧力均匀。精加工筋条侧壁时，需在筋条附近增加压板装夹。非加工时间零件需水平放置在零件台上，减少自重变形。搬运过程中注意不要碰撞，防止碰伤。

Claims

1.一种颤振模型梁架加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤五：粗加工除工艺凸台[1]及支撑圆台[2]之外的区域：工艺凸台[1]的连接耳片[3]与待成型颤振模型梁架筋肋的连接处[4]齐平，且筋肋的转角处[5]不留连接耳片[3]，所述支撑圆台[2]位于筋肋的十字交叉区域上，高度与工艺凸台[1]一致；

步骤七：采用无应力装夹去除原材料两边工艺凸台[1]的变形量；

步骤八：重复步骤四，半精加工原材料两面除工艺凸台及支撑圆台[2]之外的区域，进行48小时的自然时效后，重复步骤七；

步骤九：重复步骤四，然后对原材料进行精加工；

步骤十：去除工艺凸台[1]及支撑圆台[2]。