窗框零件数控铣切工装设计

窗框零件数控铣切工装设计

王迥仁

中航西安飞机工业集团股份有限公司制造工程部   陕西西安   710089

摘要

整体结构件的重量轻、对称性好、表面质量光滑、刚度和抗疲劳强度高，其作为主要承力构件在航空航天领域得到了广泛的应用，窗框零件作为飞机上的重要承力构件也采用了整体结构形式。本文以窗框零件为典型结构件，设计数控铣切工装，介绍了工装定位、夹紧等结构的有益措施。

关键词:整体结构件、数控铣切、工装设计

1.引言

驾驶舱风挡系统处于机头部位，作为主承力构件在飞机起降及飞行中承受和传递巨大的载荷，机头窗框零件作为风挡系统部件支撑骨架，是极为重要的零件之一。窗框零件通常设计为整体形式，整体式结构在强度方面刚性好、比强高，相对传统铆接式能减重15%~20%，减少了装配零件和连接件数量。为保证飞机安全性及风挡系统的强度和刚度，风挡系统中的窗框零件骨架截面设计复杂、装配协调关系要求高，窗框零件设计结构特性导致零件加工工艺性差，合理的数控铣切工装对产品加工质量有着重要影响。

2.需求分析

2.1零件特性

窗框零件外形复杂，异型切面多，零件正反面均为曲面，曲率变化大，零件截面设计大量采用“Z 型”、“H型”等复杂剖面，部分截面上设计加强筋结构，窗框零件的风挡玻璃安装面及窗框之间的对合面形位公差要求高。窗框零件加工部位为工件内外轮廓、形面、立筋、槽腔全方位的余量进行去除，零件外廓尺寸大，材料去除率高，正反面材料去除量不对称，零件自身刚性较差，机加铣切后必然存在着应力释放产生的变形，每道工序的加工变形各不相同，这使得零件装夹更加困难。

2.2工装设计关键技术分析

窗框零件由于其零件结构特性，必须双面加工，并且粗精加工必须分开进行多次转换基准装夹加工，所以定位基准如何定义并保证多次装夹中基准的重合性非常重要，直接影响到后续工序的加工。定位基准的选取既要考虑到设计基准和工艺基准尽可能一致，又必须考虑到装夹、定位的方便、安全，同时要保证数控机床摆角加工的可实现性。

窗框零件数控铣切工装关键技术如下：

①大尺寸窗框零件的精确定位。窗框零件最大轮廓尺寸大，零件形位公差要求高。

②基体框架的刚强度设计。为保证数控机床Z向行程及摆角加工的可实现性，同时为了满足机床承重要求，工装需要保证刚性的前提下降低高度、减轻重量，需要利用强度仿真软件进行刚强度仿真模拟计算。

③复杂零件外形支撑形面设计。零件自身刚性不足，工件铣切时震颤严重，支撑面尽可能多的贴合产品同时控制工装制造难度。

④工装同时适应粗加工至精加工所有工序。零件铣轮廓、热处理后变形严重，各工序工件工艺凸台变形差异较大，对工装适应性提出更高的要求。

⑤产品防护结构设计。精加工后去除凸台切断时，在切削力作用下凸台可能发生转动，打伤零件，工装需设计产品防护结构。

3.窗框零件数控铣切工装设计

3.1工装总体结构设计

大型窗框数控铣切工装需综合考虑铣切工艺流程、定位压紧需求、设备能力等方面因素，需满足以下基本原则：

①可靠性，工装自身具备足够刚强度，基准精确，夹紧方式可靠稳定。

②自适应性，工装尽可能适应不同工序下铣切条件，提高装夹效率，降低工装研制成本。

③模块化，工装尽可能采用模块结构，降低制造难度同时实现对工件的快速装卸，防止由于工件变形引起装卸困难。

3.2工装定位原理分析

工件的定位，实质就是要使工件在夹具中处于确定的位置，这一确定的位置固定不变，可以通过定位支撑或定位元件，限制工件相应的自由度来获得。即工件的定位遵循六点定位原理。工件的装卡定位精度对窗框零件的铣切质量有直接影响，设计工装夹具应考虑的主要因素有：装夹定位、夹紧方式，定位精度，结构干涉性。窗框骨架零件材料去除率大，正反面材料去除量不对称，零件自身刚性差，极易出现复杂的弯矩组合变形。采用专用铣切夹具可有效提高零件刚性，降低加工变形，保证零件的装配精度和稳定性等。

窗框零件在工装上的定位为零件的工艺基准面和两个工艺孔，即一面两孔的定位方式，两个工艺定位孔与数控铣切工装协调制造，工装上对应的定位孔衬套分别采用圆形孔衬套(主定位孔)和腰形孔衬套（辅助定位孔）。零件采用一面两孔的定位方式,得到的最大倾斜角较低，满足零件定位精度要求；夹具上对应零件定位孔处的定位元件采用一个圆柱销下配合圆形孔衬套，一个圆柱销下配合腰形孔衬套的组合定位，避免了第二定位销在x方向的重复定位，也极大减小了角向误差；距离公差对倾斜角不产生影响，提高了定位精度。

3.3工装结构设计

窗框零件属于空间曲面零件，曲率大，结构复杂，必须两面加工，并且粗、精加工必须分开进行多次翻面装夹加工。由于零件结构特性，工装无法凸面、凹面合用；同一面的粗加工、半精加工、精加工基准方向一致，可以合用，故需设计2套工装。针对2.2中问题，本文采用以下方案解决：

a)设计钢质基座。钢质基座结构稳定，刚性强，保证夹具主体稳定可靠，

同时有效降低工装总体高度，满足机床加工行程及摆角加工。

b)设计分块支撑面。分块支撑面尽可能多的贴合产品外形形成支撑，减小

铣切时零件震颤，分块结构降低工装制造加工难度。

c)设计浮动自适应支撑模块。一种Z向浮动支撑结构，通过弹簧实现支撑

面自适应贴合工件，细牙螺母配合锁紧浮动元件使支撑稳定可靠。

d)设计双螺钉压紧结构。首次采用双螺钉结构，工艺凸台上配制过孔，有

效防止工艺凸台切断时转动打伤产品。

4. 结束语

本文以整体结构件窗框数控铣切工装的研制为出发点，着重介绍了自主设计的数控铣切工装其技术难点和解决措施。这只是大型整体结构件数控铣切工装的初始版本，后期还要基于此版本进行结构改进，在设计时尽量选用实现工装模块化、标准化、轻量化结构，工装要紧凑且美观，并综合考虑加工强度和使用是否干涉等，提高工装使用便捷性，提升产品铣切质量。

参考文献

[1] 李迎光,郝小忠,刘长青,等.低应力自适应加工方法与工艺装备, CN104625785A[P]. 2015.

[2] 王富朝,等.飞机工艺装备设计手册. 西安：技术装备设计所编撰，2010.

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