垂尾隔板的数控加工工艺设计

祝博，李华龙，卞伟宇

航空工业沈阳飞机工业(集团)有限公司

1 引言

随着国际局势的日益严峻，我国迫切需要更先进的飞行器。从结构方面看，现代飞行器的气动外形趋于简洁，由平垂尾布局向无尾布局发展；从功能方面来看，现代飞行器将更注重智能、隐身和无人驾驶等性能。而轻量化设计可以带来更好的操控性，使发动机的动能产生更大的加速度，从而提升飞行器的最大速度以及续航。按照轻量化的设计理念，飞行器整机的结构树应趋于扁平化，减少装配层级，减少各种连接件以及标准件的使用，从而达到减重的目的。因此，现在的飞行器结构件都趋于一体化设计，整机零件数量大幅减少，但单个零件的制造难度成倍增长。

2 零件分析

2.1 零件基本信息

零件材料为铝合金板材，材料牌号为7050-T7451，材料标准为GJB1741A—2018，材料规格δ=100mm。零件外廓尺寸为580mm×210mm×90mm，由于设计给定的纤维方向比较特殊，则毛料尺寸为640mm×450mm×100mm，毛料重量为149.861kg，加工后重量为1.248kg，金属去除率达99.2%。

2.2 零件结构特点

该零件处于垂尾前部与机身的连接位置，起连接和支撑的作用。按照以往的设计理念，该零件至少应拆分为两部分，之间用角材以及螺栓进行连接，而整体化设计有利于减重且结构强度更高。零件一侧深槽的深度达80mm，另一侧尖端端头与腹板的垂直距离达260mm，尖端处存在窄槽、薄壁结构，槽宽最窄处7.3mm，壁厚最薄处0.85mm。零件大部分底部圆角为R3，侧面圆角为R6。

2.3 零件加工难点

该垂尾隔板零件为飞机垂尾前部关键结构件，由于其结构特点，必须使用专用铣夹才能加工，该零件难点包括：①零件六面加工，大量表面需使用C摆角机床加工，摆角范围达90°～100°；②零件无合适的压紧位置，工艺凸台的位置捉襟见肘；③零件工艺可达性极差，大部分位置加工时需要长刀配长套，极限位置需刀尖距主轴头端面260mm以上，加工时颤刀严重；④零件端头缘条开口狭窄，最窄处7mm，且该处缘条厚度仅0.85mm，厚度尺寸难以保证。

3 确定加工方案

3.1 数控设备的选用

加工此项零件需使用C摆角设备，结合零件的尺寸以及所需的摆角范围，选择FZ37机床，控制系统为SINUMERIK 840D，主轴功率173kW，主轴最高转速24000r/min，A摆角范围为±110°，C摆角范围为±360°，行程范围为8000mm×3000mm×1000mm，定位精度为0.02mm。

3.2 零件的装夹定位以及工装设计

零件为板材加工，对板材进行粗加工需留出工艺凸台以及工艺孔，利用专用工装进行后续加工。零件的定位方式以及工装结构的主要过程如下。

(1)确定定位方式：采用“两孔一面”的定位方式，在粗加工时预留三处工艺凸台，零件两端和中间各一个。因为零件一侧端面非常小，连接稳定性较差，所以选择其他两个凸台开工艺孔作为定位基准，选择零件中间的工艺孔中心为加工基准，工装上对应的定位销为圆形销，另外一个工艺孔对应的定位销为菱形销。

(2)确定装夹方式：零件两端为开敞地带，可直接安排压板在凸台处压紧，若中间的凸台也用压板压紧，则零件腹板背面的三角槽无法加工。所以在此处需要设计一种结构同时实现定位和压紧的功能。因此，将此处的圆形定位销改为定位轴栓(见图1a)，其结构类似于双头光杆螺柱，两端皆有螺纹，中间为光杆且需保证外径精度。此外，将传统压板结构改进为Z字形压板(见图1c)，降低了螺栓、螺母以及压板的高度，以便尽可能地选用较短刀具进行加工，从而提高加工时刀具的稳定性。

(a)定位轴栓

(3)设计辅助支撑块：由于零件结构有些头重脚轻，仅靠三处工艺凸台压紧加工时可能出现振颤，所以在工装上增加三个辅助支撑块，并利用螺栓进行反拉固定(见图1b)，该结构在加工时既可以提供足够的支撑，又可以提供向下的拉力，进一步确保了加工的稳定性。

此外，零件侧面的深槽是利用机床A轴和C轴的摆角范围，将主轴头降至零件以下，从侧面进行加工。同时要求将零件垫起一定的高度，保证机床主轴头在Z向有足够的运行空间。在考察机床实际参数后，确定工装定位面与工装底板的阶差为500mm，即将零件垫高500mm。

3.3 加工顺序

合理的加工顺序对零件的加工质量非常重要。该项零件的加工流程设计为：①上工装前，毛料直边为加工基准，双面粗加工零件在XY平面的外轮廓，工艺凸台上下表面精铣到位，带辅助支撑块的零件外形面精铣到位；②上工装后，加工基准转换为中间的工艺孔，粗精加工零件外形，主轴头摆90°角粗精加工两侧面的深槽，特殊刀具补铣特殊位置，然后切断。加工流程见图2。

(a)粗加工仿真

4 编制数控程序

4.1 刀具选择及参数确定

刀具的选择需要结合设备种类、实际零件的加工需求进行综合考量，试验采用高速五轴立式龙门加工中心和适用于高速铣床的硬质合金立铣刀。需综合考虑不同的刀具材料和被加工材料选择切削参数。具体刀具选择以及相关参数见表1。

4.2 曲面外形表面质量优化

该零件外形的表面质量要求较高，曲面外形采用行切方式加工，但使用行切指令要想达到较高的表面粗糙度，编程时需要设置很小的行切步距值(Distance between paths)，导致程序运行时间较长。为了既保证加工质量，又尽可能地压缩程序运行时间，将行切指令的计算模式由Distance on part改为Scallop height，即残余高度(见图3a)。残余高度是指相邻两次走刀之间残余的未加工部分，从铣切截面的几何图形分析可知，切削刃的截面与被加工表面相切，残余部分的面积就是先后两个切削刃和被加工表面之间行程的封闭区域。被加工表面是固定的，只需增大切削刃的实际截面半径，就可以减小残余高度。

表1 刀具规格及参数

(a)残余高度

以φ20R3铣刀为例，若刀具摆角方向所在平面与进给方向垂直，则实际的切削刃半径为R3，若刀具摆角方向与进给方向在同一平面内，则实际的切削刃半径接近于R10，所以在实际编程时，可以将刀具摆角方向与进给方向设在同一平面内，以便大幅提升零件的表面质量。

4.3 内形难加工部位的处理

无论零件如何摆放，内形面相对于腹板仍然是有开角和闭角的状态，当加工下侧缘条内形时，由于摆角空间充足，所有部位几乎都可用立铣刀粗铣，球头刀行切精铣，无不可达位置。但加工上侧缘条内形时，由于A轴的摆角范围为±110°，即刀具向上挑的角度最大只有20°，导致有些闭角部位用常规刀具和常规铣切方法无法加工，只能采用特殊的加长刀套加工。例如一处内形侧R6，使用φ12R3高速铣刀，加长刀套长度为200mm，再加上刀具本身的长度，刀尖距主轴端面的距离超过260mm，加工稳定性极差。而切削力是影响加工稳定性的最主要因素，加工时切削力越大，刀具及工件振颤越严重，加工稳定性越低。通过高转速、小切深的加工策略可以有效地减小切削力，从而提升加工稳定性，保证零件的加工质量。

4.4 窄槽、薄壁位置的处理

零件端头缘条开口狭窄，最窄处7mm，且该处缘条厚度极小，仅0.85mm，内外形必须在同一工位加工，并尽量使用同一把刀，避免重复定位误差、对刀误差以及刀具直径误差对加工尺寸的影响。由于缘条开口最窄处仅7mm，经过分析只能使用φ6R3直柄立铣刀进行加工。由于刀具直径仅为6mm，编制数控程序时需要精确控制每层的切削量和进给速度，否则刀具非常容易折断。经过试切加工，确定切削深度为0.3mm，进给量为200mm/min。

4.5 Z向超程的处理

由于专用工装已将零件垫高500mm，而机床的Z向行程为1000mm，所以在以下两个位置存在超程风险：在刀具长度和刀套长度都很大时，编程后要检查换刀位置的Z值，计算此时主轴端面Z值是否已经超过1000mm，如果已超程，可以适当调整换刀点的高度；在同一个程序中，如需分别从工装两侧进行加工，需要自行设置两段程序间的刀路轨迹(可用Point to point指令实现)。

5 结语

一体化设计趋势下的铝合金结构件的结构较为复杂，无法利用以前的经验进行工艺方案设计。以某型号垂尾隔板零件的加工实践为例，阐述了一体化零件的加工方法和流程，说明了Z字形压板、定位轴栓及螺纹辅助支撑块等特殊结构的设计方案，论证了其可行性，并从刀具参数设置、表面质量优化以及难加工部位的解决方案等方面简述了工艺准备中数控程序的编制及优化过程。此垂尾隔板的加工方法解决了此类零件的加工难题，实现了优质高效加工，为小批量多种类零件的研制与生产提供了可参考的技术方案。