角度头在航空结构件数控加工中的应用

郭书壹 秦杰 王宇

摘要：在科技的引领下，角度头得以高质量发展，应用范围逐渐扩大，角度头在复杂结构中呈现出的特征鲜明，加工工艺日益完善，在这样的背景下，角度头初始安装位置相对理想。本文会围绕航空结构件数控加工，探讨角度头的使用，并以某钢制件为例，进行应用验证，在此基础上得出角度头加工技术应用优势，该技术的应用，可以为高难度结构的加工夯实基础。

关键词：航空结构;角度头;数控加工

引言：研究发现，通过比对传统加工方式，目前广泛推广的角度头加工，应用效果十分突出。在航空结构件加工中，由于空间狭窄，甚至还有涉及高精度侧边孔，提高了制造的复杂性，传统工艺方案下，制造质量难以保证。为了规避质量稳定性不足，合理解决制造成本高等现实问题，需要借助相关工艺的优化，提高角度头应用质量，从源头提高加工效率。

1 角度头工艺性分析

1.1 薄壁侧面钻孔加工

为提高装配效率，保证理想的装配精度，需要在多处装配铆接孔。在实际应用中，经常会因铆接孔距零件腹板间隔太小（研究发现最近处约13mm ）且筋条、缘条等垂直于孔轴线，导致机床摆幅度过大，这样的情况下，会使主轴与零件干涉比较严重。传统加工方案中，想要保证施工效果，需要钳工配合定位，对夹具的要求较高，在此基础上手工钻孔，基于这样的方案，人员技能关联较大，如果技能较弱，制造周期、产品质量都将出现下滑，让稳定性无法匹配现实中的批产要求。为了改善现状，需结合制造空间限制，综合考虑加工孔精度因素，挑选匹配的角度头辅助加工，通过合理挑选规格适配的刀头，从而避免干涉，完成高质量的钻孔加工。现实应用中，零件部分缘条为曲面，轴向矢量互不相同，配合角度头进行钻孔，可以保证理想加工效果。

1.2复杂孔、槽铣削加工

采用角度头加工意义十分突出，背镗零件内圈直径非常小，不足300mm，与此同时，四个方向上均匀分布精密阶梯孔，阶梯沉孔轴线设计比较特殊，与环形端面保留了夹角。这样的零件内圈结构会阻碍机床对摆角的加工，形成符合应用标准的四个方向阶梯孔。细致研究发现，传统工艺方案比较古板，使用定制的装夹工具，在此基础上配合背镗刀具，借此加工阶梯沉孔，在真实的加工过程中，需要综合考虑孔径测量和更改等多项元素，反复更换背镗刀夹。新方案中，采用了新进方法，在复杂孔、槽铣削加工时，利用零件内圈处空间，这样就可以让角度头在不改变状态下（零件原始装夹状态）铣削加工出阶梯孔。

如针对某型航空发动机弹性支撑零件，该零件材料为钛合金，属薄壁环形件，需在侧壁上加工出12处均布的窗口，由于窗口位置低于外端面，这就导致普通的铣削、线切割等刀具从外往里加工存在干涉，无法正常进入，要解决此难题，须考虑特殊的加工方法，传统的加工方法是利用成型电极电火花加工，效率低且质量不稳定。利用角度头将刀具旋转90度，从零件内孔进入加工侧面窗口，避免了加工干涉，既保证了精度要求，也提高了加工效率。

2角度头加工关键技术

2.1 角度头初始位置确定

通过上述研究了解到，角度头初始位置确定涉及内容较多，需要考虑多项因素，在现实工作中，角度头作为万能的工具，可以改善机床加工性能，降低机床加工复杂性，确保高质量的加工和生产，在角度头的辅助下，数控机床加工范围明显得到了扩展。现实中，为了保证安装效果更加理想，初始安装位置至关重要，可以与加工灵活性挂钩，从源头保障角度头的功效和性能。以C-A 双摆头机床为例，经研究发现，在机床零位状态下，需要保证角度头刀轴安装方向的合理性，促使其与机床X轴平行，这是最基本的操作，不容忽视。在机床零位状态下，此时机床A摆的转动难以发挥效用，无法将其转化，成为加工刀具的动能，促使其进行俯仰运动，位于这阶段的加工刀具等效于真正的4轴运动。通过以上的原理，可以反方向推导出，在机床零位状态下，需要实现角度头刀轴安装方向的调整，如果该角度头与机床 Y轴平行，可等效于 5 轴运动，如图所示。这样的设计，既可以保证侧壁加工的灵活性，又可以提高加工质量。针对双摆头构型的机床，想要实现与角度头的融合，在采用加工技术时，需要认真考虑安装方向，适当将五轴机床变四轴机床，同时完成零件的加工和理想的后置处理。

2.2 角度头加工切削参数

经过研究发现，传动机构尺寸的限制比较鲜明，角度头能传递的功率（最大化功率）相对有限，基于此，角度头加工对转速要求严格，对切削力的标准也是比较高的。角度头粗铣加工中，因为相关的插铣加工负载最大（对刀具系统的），基于這样的前提，为了保证角度头的理想化，提高安全使用性能，需要结合现实需求，完成相关参数重新优化，在实际工作中，要求加工时，保证合理的加工扭矩，并控制好转速，只有在角度头的规定值中，加工效果才能理想[2]。由于插铣时，在力的作用下，刀具会按轴向运动，这是非常重要的现象，所以工件对刀具形成的静态扭矩，通常情况下，可按以下公式计算：

公式中：刀具端扭矩（M）的计算，需要由切削力参数 ;刀具直径D以及每钻进给量 、切宽 来确定。

2.3 加工技术应用系统

在科技的引领下，加工工艺逐渐完善，结合现状可知，在角度头的应用中，需结合现实，建立仿真模型库，采取通用后置处理，最终实现高规格的平台通用要求，确保加工技术推广应用高质量完成以及产品质量控制过关。普通套筒仿真数模，无需考虑很全面，只需要考虑套筒尺寸即可，同时参考装刀点及加工原点，控制好装刀矢量方向，以及刀具长度，选用合适的刀具直径，保证切削刚性，在此基础上与机床主轴中心线完成系统方向重合，需要注意的是，程序控制原点为刀尖。现实中，角度头区别于普通刀具，建立仿真模型时，不同构型机床应用效果并不相同，机床坐标系矢量方向属于核心因素，不同角度头型号外形差异相对明显，刀库建立要结合外形参数。

结论：综上所述，随着航空制造技术的综合性发展，现阶段的飞机设计水平提升，相关结构件的复杂程度较传统构件相比大幅提高，与此同时，装配精度也有所提升。基于此，铆接的缘条装配孔和其他构件越发复杂。再加上受制造空间限制以及构件的高制造精度、效率要求，角度头的应用研究十分重要。

参考文献：

[1]祝小军，危震坤，向兵飞，熊勇.角度头在航空结构件数控加工中的应用[J].教练机，2020（02）：50-54.

[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，2019（12）：138-142.