航空工业西飞 710089
摘要：本文通过对大型灭火水上救援水陆两栖飞机AG600零件经过化学铣切后出现的变形现象进行了全面的分析，详述了零件化铣变形对后续装配的影响，提出结合MBD 技术推广应用，依据MBD数据集，利用数控铣切加工化铣零件外形的方法，提出了二次定位装夹的铣切方案。预防并减少机械加工铣切后，由于板材内部应力释放而造成的零件变形，并最终解决了零件的变形问题；同时，该零件的加工为以后同类零件的铣切积累了经验。
关键词：化铣变形；MBD技术；数控铣切；装夹
Abstract: This thesis, through a thorough analysis on the parts deformation after chemill for the large amphibious fire extinguisher of AG600, gives a detail description to the effect of parts deformation to the later-on assembly, suggests an application combined with MBD technology, based on MBD data base and the method of utilizing NC to mill the outline of the deformed parts, provides mill plan of second locating fixture. Prevent and reduce parts deformation due to material inner stress after machining and chemilling. Finally solved the problem of parts deformation; meanwhile the part machining gives chemill experience for parts of same category.
key words: chemill deformation;MBD technology;NC mill; Fixture
1 引言
随着飞机设计，生产数字化进程的逐渐深入，MBD技术在我国军民机生产中普遍应用，现代飞机生产方式发生翻天覆地的变化，从模拟量传递已经转化为数字量传递，数字化加工使产品质量和精度愈来愈高。
我国自主研制的大型灭火水上救援水陆两栖飞机AG600，在考虑到飞机减重并保证连接部位的结构强度的同时，采用了大量的化铣零件，大大减少平板壁板件的铆接和金属胶接工序，极大的改善飞机结构的整体性和流线性，大大减轻了飞机的重量。
2 传统化铣零件加工过程
化学铣切，简称化铣，它是通过氧化反应来去除部分材料厚度，因而其相对机械铣切，其铣切精度虽没有机械加工精度高，但其制造成本低廉和生产周期较短，因而被广泛地采用。化铣主要用于薄板零部件的表面加工，而这些表面的几何形状如果采用机械加工是难以达到要求的，还有就是用于表面上的凹槽的加工。提到化学铣切，就必须考虑化铣变形。公司的零件生产中，由于零件化学铣切完成后，进行机械加工时，化铣应力释放造成的零件变形，一直是困扰公司科研生产的难题。因此，在零件生产过程中，如何预防和减少化铣零件的变形，并进行分析论证，从而找出解决问题的途径。
传统的化铣零件加工过程主要是利用化铣展开样板，用靠模的方法，进行零件机械加工，其工艺过程为：下料-----钻定位孔-----化学铣切-----机械铣切---钻孔-----钣金工校平，修整-----表面处理----保护移交。其缺点是铣切外形在加工过程中精度较差，断面粗糙，钣金工修复量大；零件加工时必须用定位销与样板相互位置紧密协调，防止化铣区域窜动；在加工过程中，无论是采用钣金铣床还是靠模铣床，铣切工人劳动强度较大；加工过程中，工序相对较多，周转周期长，极易造成零件表面擦划伤现象。同时，在校平，修整工序，工人师傅需用榔头对零件表面进行敲击以达到校平目的，劳动强度大，零件表面质量较差。
3 数字化加工及零件分析
随着航空数控加工的的普及，数字化加工带来的优势已被各企业认可，“中国制造2025”和“工业4.0”以及“智能制造”将成为行业标准。对于化铣零件在化铣后，如何保证在数字化加工过程中，减少化铣应力释放造成的零件变形，还需要进行相关探索，这里选用D5347T01001201来进行讨论。
3.1 零件简介
D5347T01001201为AG600飞机后机身中较为典型的化铣零件，其特征为四层化铣且整面化铣，化铣时去除原材料较多，形状复杂，零件制造加工困难。零件材料牌号为2024(包铝)-T3，材料规范为AMS-QQ-A- 250/5，原材料厚度为δ4.064，毛料尺寸为2232×666 。零件外形如上页图一。
3.2 存在问题
3.2.1 零件化铣分析
由于该零件为四层化铣加整面化铣，化铣时，原材料由δ4.064 mm化铣到3.3mm--2.4 mm—1.7 mm—1.4mm。 因此，在化铣时如何保持零件平整度为加工难点之一。
在实际生产中，为了消除化铣变形，需要采用了滚弯校平、手工锤击等方法进行校形，但是零件表面产生大量锤痕，背面甚至会出现鼓包，而且手工锤击校平，存在对钣金工技术水平要求高，劳动强度大等问题，直接会影响零件的质量和生产进度，有时甚至要办拒收，形成了生产中的一大难题。
4 分析论证
化铣零件产生的变形，主要是零件原材料内部残余应力经化铣后释放造成，板材内部主要起作用的残余应力主要有两种。一种是出厂的板材，在热处理时，外层材料先冷却收缩。当内层材料冷却收缩时，外层材料给与抵制，于是受到强制压缩，而外层材料受到强制拉伸，如图四所示。
另外一种情况是由于板材轧制过程中，变形不均匀所产生的内应力。这是因为轧制过程中，外层材料的表面温度低于内层，而且材料的表面流动受到轧辊摩擦力的阻滞，变形条件比内层差(如图五)。轧制板材内应力的分布是外层材料受到强制延伸，内层材料受到强制压缩。
图四 板材应变分析 图五 板材应变分析
所以，轧制后的普通板材和淬火后的板材，无论哪一种在经过机械加工或化学铣切去除一部分材料后，都势必要破坏原有残余应力的平衡状态，使其变为不平衡，从而使得板材产生变形，给后续的校平或成形带来困难。解决这个问题，除需增加加工工序，如预拉伸，还会影响产品质量。
所谓预拉伸板，就是淬火后的板材，进行拉伸能使其板材产生少量的塑性变形，这种塑性变形的结果，可以改变或者改善板材内部原有残余应力状态，使板材内应力分布趋向均匀、合理。
5 零件加工
在AG600新机研制中，结合在其他飞机中化铣零件出现的问题，同时基于此零件的典型性，我们将从加工工艺研究上控制并减少零件的化铣变形，进而控制零件的加工质量。因而我们的攻关与零件生产结合在一起，为了尽量减少不必要的浪费，使我们必须在实施工艺设计研究前，尽量地消除可能出现的问题。
5.1 下料
考虑到化铣变形，在留化铣余量的基础上，增加了纤维方向要求，根据理论变形分析，我将纤维方向要求顺零件的长度方向，如下图：
5.2 化学铣切
化学铣切是零件加工的关键工序，化铣变形的产生，是由于化铣时去掉了一部分材料引起材料内应力失衡，导致产生微应变，最终导致零件变形。在一号件化铣时，由于没有采取任何措施而直接化铣，化铣完成后，零件产生了小量变形，表面不平度达到2~4mm， 经过钣金工修整，校平，消除了变形，但零件表面质量不理想。在二号件化铣时，我们吸取了一号件的教训，采用了双面化铣，并在零件的化铣余量四周留20mm加强筋，用来平衡应力释放；经过改进，化铣变形在化铣阶段基本消除，零件交付下道工序。
5.3 机械加工
化铣零件在化铣后，进行外形、内孔加工时，传统的工艺为利用化铣展开样板，用靠模的方法，进行零件机械加工。此方法已与当前MBD环境下的数字化加工不相适应，加工质量也满足不了数字化装配对零件的要求。针对典型零件，我们列出传统铣切流程和数控铣切流程对比图图七(见下页)。
从图中我们可以看出，数控加工相比传统加工减少两道工序，消除了各设备之间传递操作，从而减少了零件的工序中周转周期，避免了由于周转搬运引起的表面擦划伤现象，对零件的表面质量提高打下来基础。
数字化产品定义是实现数字化制造的基础，它以数字量传递对产品进行准确描述。采用MBD技术的零件，可以完整的反映出零部件本身的几何属性、工艺属性、质量检测属性以及管理属性等信息，满足制造过程各阶段对数据的需求，同时保证飞机产品设计过程中的协调性。AG600研制采用MBD技术，为我们将零件加工制造用数控加工提供技术基础，保证完工产品后续装配全生命周期管理。
图七 传统铣切流程和数控铣切流程对比
5.3.1 二次定位协调孔钻制
零件化铣后的进行加工，如二次定位协调不好，是影响零件质量重要的一环。二次定位协调不好，一是化铣应力释放也会造成零件变形，再次影响零件铣切后的内、外形。对于化铣零件二次定位协调，主要是用化铣定位孔，在零件化铣前后二次定位。MBD技术下数控程序钻出的化铣定位孔，与传统加工相比，孔的加工精度明显提高。NC程序如下：
;2015-4-3 10:37:00
R90=-3500 ;OFFSET X
R91=0 ;OFFSET Y
R92=10 ;OFFSET Z DRILL
R93=10 ;OFFSET Z CUT
R94=10 ;OFFSET Z CUT TAG
SUPA G0 Z0 D0
N00001 G55
N00002 G64
N00003 M5
N00004 ;DILL5.2
N00005 T5
N00006 M6
N00007 M3S8000
N00008 D1
N00009 CYCLE832(0.01,0)
N00010 G64
N00011 TRANS X=R90 Y=R91 Z=R92
N00012 G00 G40 X488.990Y624.122
N00013 G00Z30
N00014 R95=1
N00015 PRESS_ON
N00016 G0 X488.990Y624.122
N00017 F800
N00018 CYCLE81(30,13,17,13.5,13.5)
N00019 R95=1
N00020 PRESS_OFF
N00021 G00 X1838.762 Y669.182 Z30
N00022 R95=1
N00023 PRESS_ON
N00024 G0 X1838.762Y669.182
N00025 F800
N00026 CYCLE81(30,13,17,13.5,13.5)
N00027 R95=1
N00028 PRESS_OFF
N00029 M5
5.3.2 二次装夹定位
传统化铣零件外形铣切，都是需要将展开样板和化铣半成品零件利用定位销、定位板、弓形夹来定位装夹固定位置，保证化铣区域与展开样板吻合。但对于数控加工零件，此种方法显然不可行，机床上无法固定展开样板进行仿形加工，因此，经过我们观察研究，决定在数控机床的木质垫板上做文章，这样既不损伤机床台面，又可对零件进行二次定位装夹。根据排版程序先在木板上钻出定位孔，然后使用定位销协调木板与零件上已钻的定位孔，再进行装夹。这样相对传统加工，节省了定位板、弓形夹的制作费用，同时由于采取用数字化程序进行二次装夹定位，避免了人工定位的精度不准，零件半成品相对展开样板的唯一偏差。
5.3.3铣切
装夹完成后开始零件铣切，为保证零件质量，铣切分为粗铣和精铣两个工步，粗铣和精铣进刀的速度分别控制在以下速度：粗铣不大于1000毫米/分，精铣不大于600毫米/分。
图八 零件数控加工排样单
粗铣给精铣的余量为0.5mm～1mm，粗铣后决不允许拆卸零件，立即进行精铣，使零件内外形符合工艺文件的要求。图八为零件数控加工排样单，从图中我们可看出，零件外形上有5个定位孔，我们采用了其中3个作为化铣定位孔，既在零件化铣时与化铣样板协调，又在铣切时作为二次装夹使用。
经过以上步骤，铣切出的零件外形与数模相符，把零件放在平台上测量，零件的表面不平度最大为0.8mm，符合公差范围。
5.4 后续加工
在后续加工中，由于前面化学铣切和机械铣切措施得当，消除了因机械铣切后化铣应力释放而造成的变形，后续工序的人工修整校形已完全没有必要，零件表面完全满足公差要求，零件得以顺利交付。
6 结束语
通过对化铣零件加工的质量控制，首先我们完成了零件生产验收交付任务，消除了因机械铣切后化铣应力释放而造成的变形，解决了化铣零件装夹的二次定位问题，减少零件表面由于多工序周转引起的擦化伤，避免了由于校平引起的榔头印凹坑，使得零件加工质量有了质的飞跃，缩短了生产周期，降低了生产成本，提高了经济效益，提高了零件的产品交付质量。
参考文献：
[1]航空制造工程手册,1992年12月第1版,航空工业出版社出版
[2]曾元松主编 航空钣金成形技术2014年出版 航空工业出版社出版
[3]Ben TerreBlanche SIGMANEST编程手册
[4]单辉祖主编材料力学（修订本） 2009年出版国防工业出版社出版
论文作者:田鹏飞
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/27
标签：零件论文; 加工论文; 板材论文; 应力论文; 表面论文; 工序论文; 材料论文; 《基层建设》2017年第10期论文;