摘 要：航空摇臂类零件是航空产品中重要的承力件，多为薄壁、异形的框架结构，加工过程中存在着加工精度难保证、定位基准难选取和数控刀路难安排等问题。采用传统工艺加工零件，往往需要定制多套夹具，经过多种设备的周转才能完成，其加工质量差，成本高，周期长。通过对航空摇臂类零件的加工工艺进行分析和改进，研究了在加工航空摇臂类零件时的夹具设计方案、刀具的选用以及数控程序编制过程中需要注意的事项，对同类型摇臂的加工具有借鉴意义。
关键词：燕尾夹具；振颤；程序优化
近年来，随着控制理论和技术的进步，国内的航空制造水平得到了突飞猛进的发展，处于制造业顶端的企业已经全面完成了从传统制造方式向数字化制造方式的转变。航空摇臂类零件作为航空产品中重要的承力件，加工精度要求越来越高，结构越来越复合化，这给零件的加工带来了很大的难度。本文以航空止动摇臂类零件为例，对其工艺方案设计、夹具设计、数控编程刀路设计和仿真等方面进行了分析研究。
一种航空止动摇臂零件结构示意图如图1所示。零件外形尺寸为167 mm×68 mm×84 mm。摇臂上的轴承孔公差较严，上端的φ26N7孔为轴承孔，圆柱度要求为0.012 mm，表面粗糙度要求为Ra0.8 μm。两侧的悬臂壁厚较单薄，由于零件的结构刚度差，加工中容易产生振颤现象。各拐角处的圆角要求较小(为R3～R5)，精加工只能应用小尺寸刀具，且刀具悬深长，加工中易发生啃刀。
图1 航空止动摇臂零件结构示意图
铝合金仍是飞机结构件中的主要材料，以低密度和高强度为发展方向。空客A380客机上，铝合金材料约占整个机体结构质量的61%，主要采用了7055、7085等新型高强度铝合金和2099、2195等低密度铝锂合金。
图1所示零件材料为7050-T7451，该材料属于高强度可热处理铝合金，具有极高的强度、抗剥落腐蚀和抗应力腐蚀断裂的性能。航空产品多选用预拉伸板材，通过对材料的预拉伸处理，可以提前消除材料的内应力。该材料切削性能较好，不容易发生变形，一般情况下可不安排粗加工。该材料是2A12、LY12等传统铝合金的优秀替代品。
加工设备的选择应保证设备的行程和工作精度能够满足零件的加工需求，本文选用立式加工中心、立卧转换加工中心和数控线切割。
零件的主要加工流程如下。
1)备料。根据零件的外形尺寸和附件留取的位置给定尺寸，一般附加方向多预留10～20 mm，其余方向预留2～3 mm。
2)立加。完成零件附加及定位基准的加工，为后续工序确定基准。
3)立卧转换。一次装夹，完成零件主体加工，主要通过加工顺序的合理安排，以及数控程序刀路的优化，减少零件变形，确保零件质量。
4)线切割。用线切割的方法去除零件附加，变形小，零件质量稳定。
5)钳工。去除棱边毛刺和电腐蚀层。
6)检验。全面检测零件尺寸特性。
定位基准的选择应便于零件定位、装夹和加工，同时应有足够的定位精度和可靠性。
对于航空摇臂类零件，按传统的一面两销定位方式很难满足立卧转换加工中心的要求。针对立卧转换加工中心的定位方式一般有燕尾定位和螺钉反向拉紧定位，这2种定位均可以实现五面加工。2种定位方式均需要在零件的合适位置留取工艺附件和工艺凸台。在确定工艺附加和工艺凸台位置时，应充分考虑去除附加后零件变形对加工质量的影响。燕尾定位适合零件长宽差异小，尺寸规格约为200 mm×200 mm×200 mm及以下零件的加工；而零件长宽差异大，尺寸规格大的零件，可选用螺钉反向拉紧定位方式，以提高定位的可靠性和稳定性。
夹具设计应满足工件定位稳定、可靠，并且有足够的承载或夹紧力度，做到装夹快速、便捷。夹具的种类很多，常用的有液压夹具、真空吸附夹具和磁力夹具等。液压夹具在使用过程中装夹快速，装夹力均匀，定位精度高，特别适合大型薄壁零件，可实现多工位装夹，提高生产效率；真空吸附夹具适用于有较大定位平面和可密封范围的工件，对零件的结构有特殊要求；磁力夹具除了要求零件材料带有磁性外，在使用过程中还需要增加一些“防转”措施，适合零件的精加工。液压夹具和真空吸附夹具制造成本均较高，且制造周期长，磁力夹具成本较低，但使用限制较多。在设计夹具过程中应充分考虑零件的材料、结构、批量和加工成本等因素，综合选用一种既定位可靠、装夹方便，又便于制造、经济实惠的夹具。
目前，对于摇臂的加工主要是以三轴立式加工中心为主，张会珍等[1]设计了一种摇臂加工用的快换回转夹具，利用一套夹具可实现正反两面的加工；但是对于立卧转换加工中心来说，这种夹具不能充分发挥立卧转换加工中心的优势。为此，笔者设计了一套燕尾夹具，是一种带自定心功能的新型虎钳式夹紧装置。该夹具制造简单，定位可靠，可实现快速装夹。该燕尾夹具结构示意图如图2所示，装夹加工示意图如图3所示。
图2 燕尾夹具结构示意图
图3 燕尾夹具装夹加工示意图
该夹具通过定位销限制1个自由度，通过2个燕尾的钳口限制另外5个自由度。零件加工时可以完全避开夹具体，实现前、后、左、右、上这5个面的同时加工。设计时应注意夹具的总高，且满足卧式机床的要求。
根据航空铝合金切削加工性较好的特点，一般情况下采用高速加工技术进行加工。粗加工刀具应具有良好的强度、柔性及排屑性能，可以适应粗加工阶段材料去除率高的特点；精加工刀具应保证刃口锋利，以保证较小的切削径向力，减小零件变形，降低表面粗糙度。
数控加工刀具的选择原则是安装调整方便，刚度好，耐用度和精度高[2]。刀具选择过程中应注意如下几点：1)粗加工阶段尽量选用大尺寸方肩铣刀、波刃铣刀，以提高金属材料去除率；2)尽量选用机夹式刀具，以减少刀具换装、调整时间；3)刀具的悬深应尽可能缩短，以免在加工过程中出现让刀、振刀等现象；4)清角加工时，刀具半径不能超过拐角半径的90%，以减少啃刀的产生；5)一般推荐刀具前角为15°～20°，以有效减少积屑瘤的产生；6)一般推荐刀具后角为10°～15°，以减小加工表面的回弹，降低刀具磨损；7)一般推荐刀具螺旋角为30°～40°，以保证较大的容屑空间和刀具切削刃强度。
加工航空铝合金整体结构件时，切削速度是没有限制的，只取决于机床性能。采用较高的切削速度，可以提高生产效率，减少加工过程中积屑瘤的产生，提高零件的表面加工质量；当然，较高的切削速度会加剧刀具的磨损，降低刀具寿命。在航空摇臂类零件加工过程中，选择较高的切削速度有利于降低切削力，减小零件变形，在切削过程中，切屑会将加工产生的部分热量带走，降低零件表面温度[3]。
该零件的加工选择在立卧转换加工中心DMC60U上进行，工序安排集中，一次装夹完成除附加外所有内容的加工，对工艺人员的编程能力要求较高，需要合理安排刀路的顺序。通常以先粗后精、先外后内、先上后下，先面后孔的原则安排加工顺序。切削参数见表1。
表1 切削参数表
序号刀具名称加工部位加工策略主轴转速/r·min-1进给速度/mm·min-1切深/mm切宽/mm1ϕ50面铣刀粗加工外形外形铣800030003252ϕ20R3方肩铣刀粗加工外形等高降层80003000363ϕ20R2波刃铣刀粗加工外形外形铣800030002104ϕ10R2波刃铣刀粗加工外形外形铣600030001015ϕ6R3整硬球头铣刀铣斜面等高铣60003000残料高0.01—6ϕ6R3整硬球头铣刀清角加工外形铣6000300030.57ϕ6R2整硬铣刀挖槽挖槽加工40001500128ϕ20R2整硬铣刀精铣外形外形铣80003000259ϕ10R3整硬铣刀精铣外形外形铣6000300030.510ϕ6R2整硬铣刀精铣外形外形铣500030005511ϕ6R2整硬铣刀精铣斜面导引切削50003000残料高0.01—12ϕ4R1整硬铣刀精铣槽外形铣350015003413ϕ20R0整硬铣刀螺旋铣孔螺旋铣8000300031014ϕ26镗刀镗孔镗孔4000300——
编程及仿真过程中应注意如下几点：1)因机床带有刀尖随动功能，加工前燕尾夹具可在工作台上任意放置，不需要将夹具放置于机床回转中心；2)粗加工用大尺寸刀具开粗后，应安排清角加工，使精加工余量尽量留取均匀，以免因余量不均匀引起精加工过程出现啃刀、断刀现象；3)清角加工应安排分层铣削，以有效减轻振刀现象；4)合理设置拐角降速，因零件转接部位多，刀具在拐角处应将进给速度降至原来的30%～50%，以减小拐角处出现振动、啃刀现象。
为了保证数控程序的正确性与高效性，通过CATIA前置与后置处理输出的数控程序在实际加工前，采用VERICUT软件对数控程序进行虚拟加工与优化。VERICUT软件采用CATV数据接口与CATIA数控加工模块无缝对接，通过接口可以将零件、毛坯、刀具一次性全部导入VERICUT仿真环境，也可以在VERICUT软件中手动选择添加。VERICUT数控程序仿真的流程如图4所示。
图4 数控程序仿真流程图
利用VERICUT软件可以实现机床、刀具、夹具、零件(含毛坯)以及切削参数与现场加工完全一致的状态[4]。在虚拟仿真的过程中，通过可视化窗口可以直观地观测到机床的运动状态以及零件的实时加工情况。软件还提供了加工后模型与理论模型的对比功能，程序员可以通过修改精度等级来确定零件是否过切或者存在残余。与CATIA前置不同的是，为了限定切削过程中刀具与机床的受力，VERICUT软件可以显示每一次下刀的去除余量，去除余量不均匀，就会导致加工过程中发生振动与冲击，在零件结合面或凸起处发生啃伤的现象。
针对去除余量不均匀的现象，应用VERICUT软件优化数控程序的功能实现数控程序的优化。优化的原理是刀具的加工路径保持不变，以恒定切削厚度或恒定体积去除率这2种方法为基础来改变每一段切削的进给率。VERICUT软件数控程序优化是基于对刀具切削参数的设置。根据刀具样本给出的线速度vc、转速n和每齿进给量fz等参数，并结合加工现场实际经验，添加刀具的优化信息。为了避免加工过程中快速进退刀造成的碰撞，还可以在刀具优化中添加刀具运动参数的极限信息。设定完成后运行程序，在刀具切削的同时完成数控程序优化。数控程序经过优化，一方面可以合理地选择刀具悬长，提高刀具刚度，进而提高加工效率和零件表面质量；另一方面可以通过采用调整顺逆铣、上下坡、进退刀、转弯降速、重切削以及轻切削等方法提高加工效率。
本文对航空止动摇臂零件的特点进行了分析，通过选用合理的加工设备、适宜的工艺方案、先进的编程和仿真思路，同时通过一种燕尾式夹具的使用，优化了航空止动摇臂的加工工艺方案，缩短了零件的加工流程，使得零件的加工质量稳定，加工效率得到明显提升，取得了可观的经济效益，为航空摇臂类零件的加工提供了很好的借鉴。