摘 要：某一体化结构件将传统的框、梁零件设计为一个整体，是当前飞机一体化设计趋势下诞生的新型结构，目前数控加工领域尚无该类型零件的加工经验。通过对某一体化结构件特征和关键技术的分析研究，指出了制约其加工制造的关键问题，通过角度头、加长刀柄等附件提高了数控加工过程中的刀具可达性；设计多工位基准传递和校验方法，提高了加工过程的稳定性，保证了零件的制造精度。最终实现的某一体化结构件的数控加工填补了相关领域的技术空白，为相似结构的数控加工制造提供参考。
关键词:机械加工; 一体化结构件;半封闭区;十字交叉结构;
NC Machining Technology of Large Integrated Structural Part
Cui Yang Zhao Jun Bu Qingkui Sun Limin Li Yahong
Abstract：An integrated structural part is a new structure type under the trend of integral design of aircraft.It turns the frame and beam parts into a single part, but there is no machining experience of this type of parts in the field of NC machining.Through, the analysis of the characteristics of the integrated structural part and key technologies of its machining and manufacturing, the key problems is pointed out and the tool accessibility is improved in NC machining process through accessories such as angle head and lengthened tool handle.The datum transfer and calibration method is designed to improve the stability of machining process and ensure the manufacturing accuracy of parts.Through the research, the manufacturing of a certain aircraft integrated structure is realized, which fills the technical gap in related fields and lays the foundation for the future numerical control machining and manufacturing of similar structures.
Keyword：NC machining; integrated structural part; semi-closed area; cross structure;
1 引言
质量是飞机的一项重要指标，直接影响飞机的性能、强度、疲劳寿命和成本，有数据显示，飞机结构质量每减轻1%,性能可提高3%～5%。零件的一体化设计能够减少飞机零部件的数量，取消角盒、铆钉和螺栓等连接零件，是降低飞机重量的有效措施[1,2,3]。某一体化结构件是在该设计思路下诞生的新型零件，相对于传统框、梁零件，其在结构形式上进行了大胆创新，首次将钛合金框和梁设计为一个整体。鉴于其特殊的结构特征，国内外鲜有类似结构钛合金零件加工制造的相关经验可供借鉴，使其成为飞机机械加工领域的关键难点问题。因此，进行某一体化结构件的数控加工技术研究，实现该零件的数控加工制造迫在眉睫。
某一体化结构件有左、中、右三段，经线性摩擦焊形成一个整体，两条焊缝分布在框板上，梁结构整体保留。线性摩擦焊是由惯性摩擦焊衍生出的一种新型固相连接技术，主要用于航空发动机叶盘的焊接和修复，在飞机结构件上的应用相对较少[4],该结构件是国内首次应用该项技术进行飞机大型结构件的焊接。零件在结构上呈十字交叉状，将传统飞机零件由近似二维平面拉伸至三维体结构，立式机床中只有具备极高Z向行程的机床才能实现该零件的数控加工，该难加工零件的交叉半封闭区见图1。
2 关键技术分析
2.1 数控加工刀具可达性
刀具可达性差是制约未来飞机零件数控加工制造的瓶颈问题[5]。采用常规方法加工该零件时，受限于刀具的旋转体结构，只能实现垂直于主轴和沿主轴两个方向的有效切削，导致在零件交叉区域有残留，这部分无法直接加工的区域被称为不具备刀具可达性区域。该结构件交叉区域的半封闭槽腔是典型难加工结构，仅依靠机床主轴的自由度会存在较大的刀具不可达区域(见图2)。三维尺寸接近和交叉区域半封闭结构是该零件的典型难加工特征，实现某一体化结构件全区域的刀具可达是该零件数控加工技术的关键。
2.2 保证制造精度
零件的制造公差直接关系到零件加工的难易程度和加工效率[6]。某一体化结构件的制造精度相较之前有了明显提升，同时由于零件结构复杂以及焊接热的影响，加工过程中存在一定程度的变形，需要在工艺流程设置上进行更为合理的安排才能保证最终的尺寸和形位精度。此外，零件加工涉及多工位，工位转换时产生的偏差极易导致零件最终尺寸超差，需要设置精准可靠、可操作性强的基准传递和校验方法。在保证加工效率的前提下实现工程的制造精度是该结构件数控加工的另一项关键技术。
2.3 控制碰撞风险
切削加工时，一体化结构件占据了机床Z向的全部行程，所以在加工过程中机床主轴无法跨越零件进行加工，机床、主轴和刀具组成的加工系统在零件内部进退刀和空走刀。同时，在进行零件交叉半封闭区域的加工时，机床需要经常变化主轴角度来提高刀具可达范围。这使得零件在数控加工时机床与零件的碰撞风险相对于普通零件上升了一个数量级。规避和控制零件加工过程中的碰撞风险，是数控加工一体化结构件过程中需要重点关注的问题。
3 数控加工技术方案
3.1 实现数控加工全域可达
角度头是一种能够在不改变机床结构的前提下拓展机床加工能力的机床附件，其结构类似于能够转换主轴方向并连接刀具的特殊刀柄，通过内部的涡轮蜗杆传动实现主轴反转和角度变换[7]。利用角度头可以实现主轴方向的转换，增加刀具可达角度，使之前无法加工的部位实现刀具可达。同时，经角度头转换后，能够增加机床主轴与零件的距离，减少机床与零件的相互干涉所带来的可达性损失(见图3)。但角度头也存在一定的局限性，对所夹持刀具的直径范围和下刀深度有所限制，局部区域内角度头亦不具备良好的可达性。针对这些区域，加长刀柄和刀杆能够进行良好的补充，覆盖其不可达区域。可见，角度头和加长刀柄的使用能够显著提高一体化结构件数控加工刀具的可达性，解决该结构件数控加工技术中最为关键的可达性问题。
3.2 控制制造精度
(1)多工位间基准的精准传递
零件结构复杂，需要四工位才能实现其加工制造，协调统一4个工位的加工基准是保证零件制造精度的基本要求。在零件的四工位转换的轴线两侧分别设置两处T型工艺凸台，利用凸台的4个表面和2个基准孔实现多工位的基准传递(见图4)。
在基准校验层面设置基准校验程序，用于多工位转换后定位精度的验证和评判(见图5)。转换基准后运行校验程序，在零件4个方向的余量上进行铣削，加工后利用其与前一工位已加工表面的阶差来判定基准传递的准确性，精度应不低于0.1mm。零件利用T形基准转换台实现基准传递，利用校验程序进行基准验证，彻底消除了多工位间基准传递偏差导致两侧筋条不等厚的质量隐患，为零件精准制造奠定基础。
(2)合理设置线性摩擦焊机械加工补偿余量
焊接和热处理等热过程通常会伴随变形，某一体化结构件使用了线性摩擦焊的连接方法。线性摩擦焊是一种固相焊接方法，相对于熔焊具有变形量小的明显优势，理论上可以将某一体化结构件的三部分全部加工至最终尺寸再进行焊接，最大化规避零件交叉结构带来的刀具可达性降低。
由于该零件尺寸较大，经过焊接试验摸索和三坐标测量，零件左右段在焊接后存在一定偏移，最大偏离量为1～2mm, 但中段梁身结构尺寸和位置未见明显变化。因此，在试验中，机加余量设为零件中段无余量，左右段整体预留3mm余量进行焊接，焊后再以中段为基准进行整体加工，不仅可利用机加余量补偿焊接热处理变形，保证零件最终的形位精度，同时将焊后余量限制在最小范围内，降低焊后整体加工工作量，提高零件加工效率。
3.3 控制碰撞风险
数控加工中，NC程序错误或操作人员误操作等会导致机床组件与被加工零件、工装夹具等环境设备之间发生碰撞，进而导致设备损坏和零件报废[8]。模拟仿真分析能够对零件的实际加工工况进行预演，避免该类问题的发生。VERICUT数控加工仿真软件能够实现数控加工程序的验证、检查机床运动过程中的干涉、优化刀具切削速度等功能。
进行实物的精确测量和建模，提高模拟仿真的置信度。由于该零件加工过程中与机床各部件距离极为贴近，只有对全要素进行精确建模才能模拟实际工况，避免碰撞发生。在仿真建模过程中，包括机床排风口等结构细节、角度头止转销的位置等都需要纳入其中。以角度头模型中止转销的位置调整为例，模型导入后默认位置见图6a, 而实际加工时止转销则在图6b所示位置，故仿真时需将角度头模型依照实际状态进行调整，以模拟实际加工的真实工况。刀具模型也需要保证与实际状态完全一致，才能充分信任模拟仿真结果，实际测量后建立的部分刀具模型见图6c。
进行全要素碰撞检测，避免产生碰撞。普通框、梁零件模拟仿真过程中，一般只针对机床B轴摆角机构创建碰撞条件。某一体化结构件的数控加工过程中，整个机床的悬臂结构(包括C轴、Z轴滑移机构)与零件的距离均非常贴近，最小距离仅有2mm, 这些结构都需要在仿真过程的碰撞检测中添加并合理设置碰撞的间隙值(见图7)。
4 结语
针对某一体化结构件的数控加工技术研究突破了该零件实现加工制造的若干核心问题，主要研究成果如下。
(1)角度头配合加长刀柄是增加刀具可达范围的有效方法，能够实现某一体化结构件的全区域刀具可达。数控加工过程中，由悬臂+加长刀柄/角度头组成的刀具加工系统稳定性对零件加工效率、表面质量和刀具寿命影响较大，编程时需要注意控制其整体刚性并合理设置切削参数。
(2)全要素模拟仿真对于某一体化结构件的数控加工至关重要。相对于其他零件，某一体化结构件在数控加工过程中的碰撞风险呈指数级增加，包括主轴角度调整、机床悬臂大幅伸出和主轴探入零件内部等，这在实际加工过程中无法依靠操作者人为观察规避。所以，在软件模拟仿真加工时，需要对加工环境所有因素进行精确建模和分析，提高仿真的置信度，利用全要素仿真控制碰撞风险。
(3)合理预留余量补偿变形。由于无法精确控制该尺寸结构件的焊后变形，特别是焊接过程的振动部分，采用线性摩擦焊将结构件的三部分焊接为一个整体。相较于熔焊，线性摩擦焊的变形量能够限制在相对较小的范围内且无须设置较大的余量包容焊接变形，提高了焊后加工效率，余量的设置需要依据工艺方法和零件结构合理安排。
(4)四工位加工基准统一有利于实现精准制造。零件数控加工过程中涉及4个工位，同时还存在焊接变形，一旦数控加工过程基准传递出现问题，会严重影响零件的加工效率甚至产生尺寸超差。本次研究应用T型基准传递台进行基准传递并设置校验程序，实现了零件多工位加工过程的基准统一。
[1] 夏发令.飞机结构设计中的重量控制[J].军民两用技术与产品，2015(18):16.
[2] 陈新华.结构轻量化设计与拓扑优化技术简介[J].中国高新技术企业，2013(19):29-30.
[3] 贾晓.飞机一体化设计技术与标准化[J].航空标准化与质量，2014(1):3-6.
[4] 张传臣，张田仓，季亚娟.线性摩擦焊接头形成过程及机理[J].材料工程，2015,43(11):39-43.
[5] 杨建勇，汤立民，楚王伟.大型航空结构件精确制造技术研究及应用[J].航空精密制造术，2009,45(2):94-95.
[6] 务卫涛，张玉忠，卢波.尺寸公差与几何公差之间的关系[J].内燃机与配件，2018(22):58-60.
[7] 韩玲国.角度头刀具在数控加工中的应用[J].制造技术与机床，2007(11):83.
[8] 刘海燕.数控机床的碰撞检测算法的研究[D].天津：天津大学，2009.