角度头在航空结构件数控加工的运用

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摘要：本文详细分析了角度头在复杂结构特征上应用的加工工艺，并给出了角度头初始安装位置确定方法。以铝合金零件缘条和筋条侧面孔为例进行了应用验证，结果表明，角度头加工技术应用为航空结构件空间狭窄区域、高精度侧边孔、难加工深槽结构的加工提供了方法。

关键词：飞机结构件；角度头；加工工艺；数控加工

随着航空制造技术的发展及飞机设计水平的提升，航空结构件的复杂程度大幅提高，且装配精度提升，因此，用于结构件铆接的缘条装配孔和槽腔内部筋条装配孔、关键受载的耳片孔、安装传感器等成套件的安装孔以及侧边槽腔等复杂结构特征数量激增，图1为四种常见难加工结构示意图。受制造空间限制、结构复杂度的影响，此类结构件的制造精度、效率以及质量稳定性在行业内的需求迫切。航空工业成飞的隋少春[1]、周进[2]，航空工业洪都的向兵飞[3]，南京航空航天大学的李海[4]等人采用角度头加工技术解决上述制造难题，并给出了应用案例，受产品结构影响，论文介绍的侧重点不同。相比于使用传统加工方式，角度头加工在航空结构件空间狭窄区域、高精度侧边孔、难加工深槽结构等复杂特征的制造过程中起到关键作用，能有效解决传统工艺方案带来的质量稳定性不足、制造成本高和制造周期长等问题。在JaySnider的论述[5]中，国外某公司在飞机结构件加工中通过采用小型的角度头完成了飞机结构件侧面结构的制造，并针对结构件特征结合先进制造技术对其方案进行优化，使得该结构件的制造效率提高了近40%。本文结合飞机结构件复杂结构特征以及企业实际应用情况，针对采用角度头进行薄壁结构钻孔加工，耳片孔铰孔、镗孔加工，复杂孔、槽铣削加工的工艺及应用过程中的注意事项进行了详细论述，同时，针对不同构型机床和材料对角度头应用的关键技术进行研究及论述，最终给出了应用案例，对角度头在航空结构件空间狭窄区域、高精度侧边孔、难加工深槽结构等复杂特征的制造具有重要意义。

1角度头加工工艺性分析

在航空结构件空间狭窄区域、高精度侧边孔、难加工深槽结构等复杂特征的制造中，角度头加工技术主要应用于薄壁侧面钻孔加工、耳片孔铰孔和镗孔加工、复杂孔和槽的铣削加工，在应用过程中主要考虑空间限制、结构复杂度、制造效率和制造成本等因素，结合图1中的复杂结构对加工工艺进行分析。1.1薄壁侧面钻孔加工。为提高装配效率和装配精度，某机型框类零件需在外缘条及筋条上开出200多处装配铆接孔。如图1（a）所示，由于铆接孔距零件腹板距离过小（最近处约13mm）且孔轴线垂直于筋条、缘条，如使用C-A结构机床摆角加工，将导致机床A摆幅度过大，使主轴与零件发生干涉。传统加工方案中，需要钳工配合定位工装手工钻孔，受操作人员技能影响，制造周期、产品质量稳定性无法满足批产要求。结合制造空间限制以及加工孔精度等因素，选用PARLEC公司生产的FS90系列角度头加工，其刀具轴线与角度头底端尺寸为10mm，能够避免干涉从而完成钻孔加工。由于零件部分缘条为曲面，使得缘条处的法向装配铆接孔的轴向矢量互不相同，因此钻孔时需使用双摆头五轴机床配合角度头，将钻头轴线摆至对应的孔位矢量后进行钻孔加工。图2(a)和图2(b)分别为FS90角度头加工筋条及曲面缘条的示意图。1.2耳片孔铰孔、镗孔加工。航空结构件上的多层耳片孔通常有较高的尺寸精度以及同轴度等形位公差要求，机加制造中需要使用铰孔或镗孔的方式进行加工。如图1(b)所示区域，传统加工方案先使用立式机床加工耳片主体结构后，在卧式机床上进行二次装夹，配合专用夹具和加长刀具保证零件上三组共9处耳片孔之间的同轴度要求。采用角度头加工技术的加工方案如图3所示，在系统刚性、系统安装精度良好的前提下，能在立式机床上通过使用角度头实现耳片孔的分组加工，直接钻、铰、镗到位，避免了零件二次装夹带来的精度影响，同时，节省了工装和刀具成本。1.3复杂孔、槽铣削加工。对于难加工深槽及孔结构，采用角度头加工具有明显优势。以图1（c）中零件为例，该零件内圈直径不足300mm，四个方向上精密阶梯孔结构如图4（a）所示，且阶梯沉孔轴线与环形端面呈一定夹角。零件内圈处空间限制导致机床无法摆角加工四个方向的阶梯孔。如图4（b）所示，传统工艺方案使用定制的装夹工具配合定制的背镗刀具加工阶梯沉孔，加工过程中由于孔径测量和更改加工孔径等原因，需要反复更换背镗刀夹，导致刀具及人工成本居高不下。新方案中，如图4（c）所示，利用零件内圈处空间，使用角度头在不改变零件原始装夹状态的情况下铣削加工出阶梯孔，在提高加工效率的同时减少了操作人员的工作量。对于图1（d）所示零件，其侧壁有一处安装成件的腰形通槽，通槽截面如图5（a）所示，由于零件底面为曲面，使用角度头正常姿态加工槽下侧壁时，如图5（b）所示，角度头底部会与零件腹板干涉。实际加工中，使用正常姿态加工出通槽上侧壁，如图5（c），之后调整角度头姿态至图5（d），摆角铣出通槽下侧壁。

2角度头加工关键技术

2.1角度头初始安装位置确定。角度头作为一种改善机床加工性能的工具，能有效的扩展五轴数控机床的加工范围。初始安装位置决定了角度头能否充分发挥五轴设备的加工灵活性。以C-A双摆头机床为例，如图6（a）所示，在机床零位状态下角度头刀轴安装方向与机床X轴平行，此时机床A摆的转动无法转化为加工刀具的俯仰运动，加工刀具等效于4轴运动；反之，在机床零位状态下角度头刀轴安装方向如果与机床Y轴平行，如图6（b）所示，此时加工刀具的运动类型可等效于5轴运动，提高了侧壁加工的灵活性。在C-B、B-A等双摆头构型的机床上应用角度头加工技术时，必须考虑初始安装方向，否则五轴机床变四轴机床，无法进行后置处理和零件的加工。2.2角度头加工切削参数。由于传动机构尺寸的限制，角度头能传递的最高功率有限，因此角度头加工对转速或切削力有严格的要求。因为角度头粗铣加工中插铣加工对刀具系统的负载最大，为保证角度头的安全使用，要求加工时刀具端的加工扭矩和转速不超过角度头的规定值。由于插铣时刀具按轴向运动，工件对刀具的静态扭矩可按以下经验公式计算：M=Kc•D•fn•(D-Ae)/2000(1)式中：M为刀具端扭矩，N•m；Kc为单位面积上的切削力，N/mm2；D为刀具直径，mm；fn为每钻进给量，mm。Ae为切宽，mm。而式（1）中单位面积上的切削力Kc可用公式（2）计算：Kc=1-0.01•γ0（fz•sink）mc•Kc1.1（2）式中：γ0为刀具的切削前角；Kc为单位面积上的切削力，N/mm2；fz为每钻（齿）进给量，mm；k为刀具主偏角；mc为被加工材料切削指数；Kc1.1为被加工材料1mm切削厚度切削力，单位N/mm2。通过式（1）和式（2）能够计算出插铣加工时不超过角度头允许输出扭矩的最大每钻进给量。同时CNC编程过程中，机床主轴的输出转速可以通过式（3）计算：n=k•1000Vcπ•Dc（3）式中：k为角度头的传动比；n为机床主轴转速，r/min；Vc为切削刀具的线速度，m/min；Dc为加工刀具直径，mm。实际加工中，角度头的最大输出转速及扭矩只作为上限阈值，制约加工效率的瓶颈通常是装夹系统和刀具系统的整体刚性。2.3角度头加工技术应用系统。要实现角度头在企业的应用，需建立仿真模型库及通用后置处理，以满足数据统一、平台通用的要求，也是角度头加工技术推广应用和产品质量控制的关键。1）角度头仿真模型库普通套筒仿真数模建立时，只需要考虑套筒尺寸、装刀点及程序加工原点，装刀矢量方向与机床主轴中心线方向重合，装刀点为套筒上端，程序控制原点为刀尖。角度头与普通刀具不同，仿真模型建立时，不同构型机床，角度头相对机床坐标系矢量方向不同，且程序控制点为刀具旋转中心与机床主轴旋转中心的交点，不同角度头型号外形尺寸差别大，刀库建立时需考虑多个外形参数。为了实现参数化的仿真模型建立，开发了角度头仿真模型库，如图7所示。开发的角度头管理系统和仿真模型库，实现了各型角度头、各构型机床以及多品种、多规格刀具仿真模型的快速建立，解决了仿真模型离散化建立的问题，保证了仿真模型库数据源统一和仿真模型的一致性及角度头应用过程中的加工仿真正确性。2）角度头后置处理系统角度头在五轴数控机床上的后置处理系统是角度头五轴应用的关键系统，需针对机床构型和角度头运动原理，建立五轴加工的角度头空间坐标变换和后置优化方法，以此为理论依据，开发基于角度头五轴加工的后置处理系统，解决角度头在复杂航空结构件中的后置难题。开发的后置处理系统涵盖C-A、C-B、A-B双摆头构型机床以及SIEMENS、FIDIA和HEIDENHAIN数控系统。在企业应用过程中，需开发适用于企业已有各构型机床和各型数控系统的后置处理通用平台才能满足企业的应用需求。开发的通用处理系统如图8所示。

3应用案例

得益于机床设备和CAM技术的发展，角度头在航空结构件制造领域的应用日益广泛，文中介绍角度头加工复杂特征区域的工艺方法已在生产加工中得到了成熟的使用。图9为角度头在铝合金、钛合金结构件孔、槽等特征上的典型应用案例。孔的现场加工图片，零件缘条为五轴型面，定制钻模板手动钻孔无法保障产品质量，采用角度头加工技术在一次装夹状态下完成200-φ2.6mm缘条孔的加工。图9（b）为TA15钛合金精密耳片孔零件图片，精密孔尺寸和精度为φ17H8，公差为0~+0.027mm，同轴度0.02，该组耳片孔使用FR90-16角度头通过钻孔-镗孔的加工流程加工到位，加工完成后精密孔φ17H8（0，+0.027）测得尺寸为φ17.01～17.02mm，圆度误差为0.01mm，满足制造精度要求。图9（c）为角度头加工的零件侧面深槽图片，此处结构为通槽，槽深125mm，槽宽15mm，受结构弧度影响，传统方案需采用D12R0H140的铣刀加工，刀具长径比超过了10倍，加工效率低，加工稳定性差，深槽容易震刀导致加工尺寸超差。采用角度头两侧对接加工完成深槽加工，深槽结构分粗加工和精加工，粗加工留余量1~1.5mm，精加工机床转速S=4500~5500r/min，刀具每齿进给量f=0.035~0.045，切深Ap≤1.5mm，采用斜线下刀或螺旋下刀，下刀角度A=2~5°，加工结果显示，采用角度头加工技术能有效解决该类结构的加工，加工效率和加工精度得到有效保证，无需订制专用工装。图9（d）为角度头加工图1（c）所示零件内侧阶梯沉孔示意图，4处台阶精密孔4-φ35M7，公差-0.025~0mm，传统方案装夹和校准困难、加工效率低且产品质量无保障。通过角度头加工技术在一次装夹状态下完成4处精密台阶孔加工，无需专用工装和专用刀具，且加工效率得到较大提升，整体加工效率提升3倍。

4结语

本文重点分析了角度头加工工艺及应用关键技术，并结合4个案例进行了应用验证。形成的研究结论为：1）角度头应用加工工艺分析为薄壁侧面钻孔加工、耳片孔铰孔和镗孔加工、复杂孔和槽的铣削加工提供了工艺基础。2）给出了角度头初始安装位置以及加工参数的确定方法并开发了仿真模型库和通用后置处理平台，并通过缘条侧面孔、钛合金精密耳片孔、缘条深槽以及精密台阶孔的实际应用对角度头加工技术进行了应用验证，其结果表明，角度头加工技术解决了航空结构件空间狭窄区域、高精度侧边孔、难加工深槽结构等复杂特征的制造难题。

参考文献

[1]隋少春,汤立民,楚王伟,陈清良,李卫东.飞机复杂结构件数控分度头加工技术的应用研究[J].制造技术与机床,2012.

[2]周进,王鹏程.角度头在飞机结构件五轴数控加工中的应用[J].制造技术与机床,2016.

[3]胡敏,向兵飞.角度头加工技术在航空结构件上的应用研究[J].教练机,2016.

[4]李海.飞机复杂结构件角度头加工技术[D].南京:南京航空航天大学,2012.

[5]JaySnider,RichardGuiler.飞机结构件加工的可行性技术分析[J].现代制造,2007.

作者:祝小军 危震坤 向兵飞 熊勇 单位:航空工业洪都