大蒙皮零件的柔性装夹数控铣切

王新磊 何刚

摘 要：文章分析了大蒙皮零件使用柔性多点支撑工装数控铣切蒙皮内外轮廓及孔的加工特点以及加工过程中存在的一些问题，提出了大蒙皮零件柔性装夹数控铣切的工艺设计、数控编程策略及数控铣切的基本方法，为后续同类产品的研制积累了宝贵的经验。

关键词：大蒙皮；柔性装夹；定位；数控铣切

中图分类号：TG547 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0145-03

Abstract： In this paper， the machining characteristics of inside and outside contours and holes of large skin parts with flexible multi-point support are analyzed， and some problems existing in the process are also analyzed. The process design， CNC programming strategy and basic method of CNC milling for large skin parts with flexible clamping are put forward， which accumulate valuable experience for the subsequent development of similar products.

Keywords： large skin； flexible clamping； positioning； CNC milling

1 概述

蒙皮类零件是覆盖在飞机框、墙、梁、接头等零件之上，构成机身、机翼外形的主要零件[1]。与一般蒙皮类零件一样，大蒙皮一面为光面，即不需要加工，另一面带有下陷、通孔等结构，特殊蒙皮也存在双面带有下陷结构的情况。一般蒙皮类零件数控加工有先切割后成形和先成形后切割两种工艺形式，取决于不同的设计需要，而大蒙皮零件由于成形后材料回弹较大，成形后一般采用手工校形的方式保证成形质量，先切割后成形的工艺方案很难保证零件边缘尺寸，所以大蒙皮零件的数控加工，通常采用成形后数控切割的加工形式。

2 大蒙皮零件柔性装夹数控铣切的特点

2.1 大蒙皮零件的概况

大蒙皮一般指长度尺寸大于等于6m，宽度尺寸接近或大于1m，厚度尺寸大于等于5mm的蒙皮类零件。大蒙皮零件一般先拉伸或滚弯成形，再化铣加工下陷结构，最后数控铣切内外轮廓、孔等结构。铣切工装一般使用专用铣具或通用多点柔性支撑工装，与传统专用铣具相比，通用多点柔性支撑工装省时、省力、适应性广，易于储存、管理，尽管一次性投入较大，却已成为蒙皮铣切的发展趋势。

2.2 大蒙皮零件柔性装夹数控铣切存在的问题

大蒙皮零件柔性数控铣切时使用多点柔性支撑工装，支撑托架的排布方式与零件外形协调，排布位置由程序控制，支撑托架的排布精度较高，但由于支撑托架数量有限，难以对零件覆盖的全部位置吸附固定，造成零件切割时局部因固定支撑不足而发生震颤。尤其是，零件两边缘锐边连接处粗切发生震颤时极易过切。大蒙皮零件柔性数控铣切存在的主要问题还包括蒙皮各个工艺阶段间的协调问题。支撑托架的排布方式、蒙皮成形用的拉伸模、化铣用的化铣样板必须相互协调，这些工装使用的定位基准必须一致，以保证零件边缘与化铣区位置协调。另一个主要问题来自于大蒙皮零件本身，由于其成形后存在较大回弹，定位孔孔间距实际值与理论值存在一定偏差，这就造成较大的定位误差，切割时必须尽可能减小这一定位误差，以保证零件切割质量。

3 大蒙皮零件柔性装夹数控铣切工艺方案

多点柔性工装应用了目前普遍使用的两点一曲面的定位方式。它依据蒙皮零件外形曲面精确排布，同时使用抽真空的方式将蒙皮零件牢牢固定，将实际零件型面与理论型面精确“贴合”，所以多点柔性工装在曲面定位方面较为可靠。多点柔性工装在两点定位方面是采用一端固定一端滑动的定位方式，这样可以弥补蒙皮回弹变形引起的定位孔孔间距误差。但是，大蒙皮零件的较大回弹变形一般会引起定位孔孔间距出现较大误差，一端固定一端滑动的定位方式造成零件与理论数据相比变长或变短，甚至可能发生零件的定位扭轉。因此，在切割前须对两个定位孔进行在线检测，并加以评估，若误差过大，需对滑动定位器加以调整，以保证两定位器位置与理论数据相匹配。

大蒙皮零件柔性数控铣切的流程一般为：在柔性工装上装夹好零件，数控机床在线检测两定位孔位置度，计算机自动进行测点数据处理并形成测量报告[2]，误差过大时调整滑动定位器，保证两定位孔位置度在公差范围内。两定位孔孔位评估合格后，大余量粗切零件内外轮廓及内部开孔，然后检查零件内外轮廓及内部开孔与化铣区是否协调，不协调时，则需要考虑通过调节坐标系的方法进行补救，确保零件外形与化铣区协调；在确保零件外形轮廓与化铣区满足协调公差要求的情况下，完成最终零件的数控铣割。

工艺流程图如图1。

4 大蒙皮柔性装夹数控铣切关键技术

4.1 程编策略

大蒙皮的柔性装夹数控铣切，首先需要选择合适的刀具。使用多点柔性工装切割蒙皮类零件时，蒙皮会发生少许震颤，若采用轴向分层的铣切方式铣切厚蒙皮时，蒙皮边缘会有刀接痕，所以尽管蒙皮较厚，仍然必须使用“一刀切”的切割方式，刀具优先选用φ20R0立铣刀。对于切割较小开口的结构，可以使用钻头钻孔配合立铣刀铣孔的加工方式，铣刀按需选择φ12R0或φ10R0的。走刀方式如果选用逆铣的方式，容易将零件的毛料边缘带起，导致飞出的铝屑划伤零件，所以走刀方式必须选用顺铣的方式。加工参数方面，为保证零件切割边缘质量，进给速度不宜过大，具体铣切参数可通过铣切试验获得。

大蒙皮零件的数控铣切编程并不复杂，但需要注意一些问题。下面以大型客机蒙皮零件为例（图2），提出几点注意事项：

（1）考虑柔性工装排布时，需要将零件按定位孔两点连线与X轴平行的方式放置。在滑动定位器补偿定位公差而滑动时，这种排布方式可以保证零件定位时不扭转。使用零件外表面作为排布柔性工装、切割零件的基准。为达到较好的支撑效果，单个的支撑立柱距离零件边缘不宜过远。

（2）在粗切零件外形之前，将零件长边毛料预切成几段，避免长边切割后整段废料悬空而发生料边震颤，本方法的优点在于高效解决飞机蒙皮（在柔性夹具上）数控铣切轮廓振颤及飞边打刀的问题[3]。粗切时留至少10mm的余量，且单边单条程序编写，避免所有边使用一条程序切割，防止刀具切割到零件边角处出现震颤而造成零件边角过切。

（3）程序编制完成后，必须经过数控机床模拟仿真，验证程序走刀轨迹的正确性，进一步完善程序，确保程序正确无误后，才得以使用。

4.2 加工过程控制

大蒙皮的成形、化铣到数控铣切，所用工装的定位孔是一致的，但定位面不一致，用于蒙皮成形的拉伸模，多数使用蒙皮的内表面定位，而数控多点支撑工装必须用蒙皮的外表面定位（内表面已化铣）；而且，大蒙皮属于非刚性结构，成形后回弹变形较大，数控多点支撑工装与零件之间的间隙（真空吸附）难以控制。这些不利于切割的因素存在于加工过程中，所以，大蒙皮数控铣切需要一些调整和验证。现对一些调整、验证的方法作如下总结：

（1）装夹可靠：装夹定位时，采取由中间到边缘的调整顺序轻压蒙皮，确保蒙皮按照支撑工装排布出的曲面外形被牢靠吸附，以减少曲面定位误差。

（2）适当法向落刀：部分回弹变形过大的蒙皮，在粗切時可能发生在耳片处切不透的现象，此时可采用重新粗切并法向落刀的方式，去除未切掉的废料，但要控制落刀量，防止误铣定位器。

（3）偏移起刀点：粗切后，按照化铣区距离零件边缘的部分典型尺寸检查切割质量，并根据检查情况按需将精切程序起刀点的X、Y值设定偏移量后完成零件的精切。

大蒙皮零件表面在周转过程中易被划伤，生产中常使用喷涂保护胶的方法对零件进行保护。由于零件外表面被用作编程基准，外表面胶层必须均匀，厚度不超过0.3mm，表面不允许有疤痕，以免影响零件的真空吸附，造成零件