在飛機(jī)各類主要結(jié)構(gòu)件中，大型復(fù)雜接頭零件是結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，裝配協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜的典型關(guān)鍵零件之一，其中代表性的是飛機(jī)主起支撐接頭零件，在國(guó)內(nèi)外目前主要客機(jī)研制中，此類零件的研制是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。

　　飛機(jī)主起支撐接頭，是連接機(jī)翼和主起落架的關(guān)鍵受力件，需滿足飛機(jī)起降的載荷強(qiáng)度要求，保證起落架與機(jī)翼的協(xié)調(diào)裝配、協(xié)調(diào)起落架的收放。飛機(jī)主起支撐接頭毛料一般為大型鋁合金鍛件，零件呈復(fù)雜箱體結(jié)構(gòu)，其工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表現(xiàn)為毛料厚、槽腔深、角度大、型面復(fù)雜，加工時(shí)的定位和裝夾困難，尤其是具有精密裝配協(xié)調(diào)關(guān)系要求的主起后交點(diǎn)孔和梁基準(zhǔn)面的協(xié)調(diào)加工，是長(zhǎng)期困擾該類零件研制的技術(shù)瓶頸。由于該零件材料去除余量大，粗加工后需淬火熱處理，結(jié)構(gòu)上抗變形能力差，因內(nèi)應(yīng)力的重新分布極易造成較大的加工變形，從而影響零件的精度以及后續(xù)裝配。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，該類零件的加工工藝過(guò)程十分復(fù)雜，需要復(fù)雜的裝夾切換、加工方式的變換，從而達(dá)到控制加工變形，保證關(guān)鍵部位的尺寸協(xié)調(diào)精度的目的。過(guò)長(zhǎng)的工藝過(guò)程造成加工不確定性的增大，同時(shí)，超長(zhǎng)加工周期嚴(yán)重制約飛機(jī)總體研制進(jìn)度，效率問(wèn)題極為突出，加大了飛機(jī)研制的成本。

　　近年來(lái)，隨著航空產(chǎn)品研制日益快速化的發(fā)展需要，飛機(jī)主起支撐接頭等大型復(fù)雜關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的高效加工問(wèn)題尤為突出，高效復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用得到了廣泛的重視。

　　傳統(tǒng)工藝技術(shù)分析

　　由于飛機(jī)主起支撐接頭類零件具有十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及高精度的裝配協(xié)調(diào)要求。因此，傳統(tǒng)的加工工藝需要進(jìn)行多次的裝夾定位切換和多種不同工藝類型的變換，研制周期往往達(dá)數(shù)月，涉及銑、鉆、鏜、鉗、噴丸、測(cè)量、熱表處理等眾多工種，是飛機(jī)研制的一大瓶頸。傳統(tǒng)的加工工藝主要流程為：

　　檢查余量銑基準(zhǔn)粗加工正面粗加工反面熱處理時(shí)效修正基準(zhǔn)半精加工正面半精加工反面時(shí)效修正基準(zhǔn)精加工正面擴(kuò)鉸定位孔精加工反面鏜孔、锪窩數(shù)控測(cè)量鉗工修配噴丸表處裝配。

1、工位裝夾切換及結(jié)構(gòu)變形分析

　　飛機(jī)主起支撐接頭屬?gòu)?fù)雜箱體類零件，毛料厚度一般能達(dá)到500mm，是關(guān)鍵受力件，因此，通常采用大型鋁合金鍛料毛坯。由于該類零件材料去除余量大，粗加工后需淬火熱處理，結(jié)構(gòu)上抗變形能力差，因內(nèi)應(yīng)力的重新分布極易造成較大的加工變形。在總體加工工藝過(guò)程中，需要充分考慮變形控制因素，這也大大增加了工藝過(guò)程的復(fù)雜性，需要進(jìn)行多次反復(fù)的工位裝夾切換，控制變形。另一方面，反復(fù)的工位裝夾切換給各工位加工尺寸的協(xié)調(diào)性帶來(lái)很大困難，增加了工藝過(guò)程的不穩(wěn)性。

　　尤其是深U形雙耳結(jié)構(gòu)精度及后梁面（圖3）變形控制難度大，并會(huì)直接導(dǎo)致飛機(jī)主起支撐接頭后續(xù)安裝失敗。由于毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放和重新分布，銑削加工引入的殘余應(yīng)力，以及銑削力、切削熱和裝夾載荷的作用，導(dǎo)致零件加工過(guò)程中和加工完后的一段時(shí)間內(nèi)，剛性較弱的部位會(huì)產(chǎn)生局部變形。

　?。?）U形雙耳結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致雙耳結(jié)構(gòu)的平行度很難保證；

　?。?）后梁端面與兩側(cè)緣板斷開(kāi)，導(dǎo)致后梁平面加工后蠕變變形，主起后交點(diǎn)與后梁平面的裝配協(xié)調(diào)尺寸難以保證。

　　傳統(tǒng)的加工裝夾方法是在零件的兩側(cè)緣板外形上設(shè)計(jì)工藝凸臺(tái)進(jìn)行定位裝夾，進(jìn)行反復(fù)的正反面槽腔加工切換、鏜銑切換。由于與凸臺(tái)相連的緣板剛性相對(duì)較弱，裝夾切換誤差積累、應(yīng)力釋放變形造成的精度不確定性就較大。

2、關(guān)鍵尺寸協(xié)調(diào)精度的保證及多種工藝類型的結(jié)合

　　飛機(jī)主起支撐接頭具有精密裝配協(xié)調(diào)關(guān)系要求，只有零件緣板理論外形、梁基準(zhǔn)平面、雙耳片槽及主起后交點(diǎn)孔的尺寸協(xié)調(diào)，才能確保機(jī)翼上、下翼面、前后梁、起落架掛軸、轉(zhuǎn)軸的裝配協(xié)調(diào)。其中，主起后交點(diǎn)相對(duì)于ABC基準(zhǔn)位置度要求（A基準(zhǔn)為孔軸線、B基準(zhǔn)為雙耳結(jié)構(gòu)槽口平面、C基準(zhǔn)為梁平面）、A基準(zhǔn)與B基準(zhǔn)的垂直度、兩耳片孔同軸度以及槽口兩面平行度的要求都非常高，必須解決零件定位裝夾和消除基準(zhǔn)不一致產(chǎn)生的加工誤差問(wèn)題。

　　在傳統(tǒng)的加工工藝中，為了保證這些關(guān)鍵尺寸的協(xié)調(diào)精度，必須進(jìn)行復(fù)雜的工藝過(guò)程以及多套專用工裝來(lái)完成。通常在完成數(shù)控銑削加工之后，還要進(jìn)行精密鏜孔、锪窩、測(cè)量、鉗工修配等大量后續(xù)工藝過(guò)程，工藝過(guò)程復(fù)雜，周期長(zhǎng)，控制環(huán)節(jié)多，出現(xiàn)問(wèn)題難以排查。

飛機(jī)主起支撐接頭零件高效復(fù)合加工方法

　　基于對(duì)飛機(jī)主起支撐接頭類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳統(tǒng)加工工藝分析，通過(guò)工藝方法優(yōu)化、變形控制、裝夾優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)合加工技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)主起支撐接頭的高效復(fù)合加工，縮短工藝流程，提高零件的裝配協(xié)調(diào)精度，是實(shí)現(xiàn)這一類關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件技術(shù)突破的有效途徑。

1、基于五軸聯(lián)動(dòng)的五面加工工藝設(shè)計(jì)

　　在傳統(tǒng)的加工工藝中，零件需要在不同的工位裝夾下完成雙耳結(jié)構(gòu)、后梁平面、理論外形等多個(gè)關(guān)鍵部位的加工，不但造成工藝過(guò)程冗長(zhǎng)，也是造成諸多尺寸不協(xié)調(diào)的根源。采用五面加工工藝設(shè)計(jì)，將絕大多數(shù)的加工結(jié)構(gòu)特征暴露在機(jī)床加工范圍之內(nèi)，尤其是裝配關(guān)鍵部位在一個(gè)工位下完成加工，是保證關(guān)鍵尺寸協(xié)調(diào)的關(guān)鍵，這一方案在國(guó)外主流飛機(jī)制造企業(yè)已經(jīng)引起高度重視。

　　大角度五軸聯(lián)動(dòng)五面加工工藝不僅具有傳統(tǒng)加工中心的全部加工能力，還具有對(duì)工件上任意空間位置的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行銑、鏜、鉆、鉸的能力，工藝范圍更廣，是實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜箱體結(jié)構(gòu)零件高度復(fù)合化加工的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)工藝過(guò)程和工序的優(yōu)化、合并，刀具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及采用加工范圍各位靈活的數(shù)控機(jī)床，能夠大大提高數(shù)控機(jī)床的復(fù)合加工能力，使得更多的工藝結(jié)構(gòu)都能在一臺(tái)機(jī)床、一次裝夾下加工完成?！　‰S著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的不斷發(fā)展，支持復(fù)合加工能力的數(shù)控設(shè)備也是當(dāng)前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的方向之一，主要體現(xiàn)在機(jī)床設(shè)備的復(fù)合加工能力不斷提升，可靠性增強(qiáng)，五軸聯(lián)動(dòng)加工角度變化范圍更大，滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)件大型化、精確化的趨勢(shì)。同時(shí)，高性能超長(zhǎng)抗震刀具的應(yīng)用也為實(shí)現(xiàn)大角度深腔結(jié)構(gòu)高效加工提供了可能。因此，當(dāng)前的設(shè)備技術(shù)發(fā)展是支持飛機(jī)主起支撐接頭這類大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件復(fù)合化加工的客觀條件。

2、大角度五軸聯(lián)動(dòng)五面加工的裝夾設(shè)計(jì)

　　在五面加工工藝方法中，裝夾設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵。主要考慮的因素有兩點(diǎn)：

　　一是保證絕大多數(shù)的加工結(jié)構(gòu)特征暴露在機(jī)床加工范圍之內(nèi)，尤其是關(guān)鍵部位在一個(gè)工位下完成加工。由于主起支撐接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，角度變化大，許多結(jié)構(gòu)部位接近五軸設(shè)備擺角加工的行程極限，因此，調(diào)整和精確模擬零件的裝夾姿態(tài)是保證五面加工裝夾設(shè)計(jì)可行性的關(guān)鍵。

　　二是五面加工裝夾設(shè)計(jì)方案下零件加工的力學(xué)穩(wěn)定性。在五面加工裝夾條件下，其裝夾約束點(diǎn)少于傳統(tǒng)的裝夾方式，同時(shí)，主起支撐接頭主要加工特征位深腔結(jié)構(gòu)，因此，如何保證零件加工狀態(tài)的力學(xué)穩(wěn)定性，避免裝夾不穩(wěn)定以及劇烈震顫也決定了工藝方案的可行性。

　　基于以上因素，合理的裝夾工藝凸臺(tái)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)（圖6）。在五面加工裝夾設(shè)計(jì)方案中，主起支撐接頭加工時(shí)在零件緣板一側(cè)留有工藝凸臺(tái)，采用支撐銑具和工件一體化裝配固定裝夾。在這種裝夾狀態(tài)下，裝夾力平行于螺釘孔軸線，不會(huì)對(duì)零件變形產(chǎn)生直接影響。不過(guò)，當(dāng)零件出現(xiàn)變形趨勢(shì)后，裝夾將約束零件的變形，形成額外的扭矩。這部分扭矩可能的影響包括2個(gè)方面：導(dǎo)致零件局部變形；導(dǎo)致零件的局部變形是否會(huì)產(chǎn)生局部尺寸的超差。為此，需要通過(guò)有限元分析評(píng)估零件不同變形形態(tài)和變形量值情況下，反作用力的實(shí)際影響。

　?。?）按照零件緣板外形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)不等高的裝夾工藝凸臺(tái)，采用內(nèi)六方螺栓實(shí)現(xiàn)支撐銑具和工件一體化裝配固定裝夾。

　?。?）零件的裝夾工藝凸臺(tái)上分別以精度孔作為定位基準(zhǔn)。

　?。?）調(diào)整零件在裝夾時(shí)的空間姿態(tài)，使兩側(cè)緣板角度能夠滿足機(jī)床的擺角加工范圍；支撐夾具主體避讓擺角加工的主軸結(jié)構(gòu)。

　?。?）在裝夾過(guò)程中，采用測(cè)力儀測(cè)量裝夾力的幅值，得到數(shù)據(jù)后，使用有限元軟件進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析，優(yōu)化裝夾方式，最小化裝夾變形。

3、主起接頭交點(diǎn)孔及梁基準(zhǔn)平面的鏜銑復(fù)合加工

　　在飛機(jī)主起支撐接頭的加工過(guò)程中，主起接頭交點(diǎn)孔及梁基準(zhǔn)平面的精度協(xié)調(diào)問(wèn)題是零件加工的關(guān)鍵，也是長(zhǎng)期以來(lái)困擾該類零件研制的核心難題。傳統(tǒng)的加工工藝中，這兩處關(guān)鍵部位只能在不同的工序過(guò)程中完成，自然也無(wú)法保證尺寸的協(xié)調(diào)性，解決的策略一般是留工藝余量，在最終階段進(jìn)行修配完成，結(jié)果可控性差。采用鏜銑復(fù)合加工的方法是解決這一難題的有效途徑。其實(shí)現(xiàn)的方式有設(shè)計(jì)專用的鏜銑復(fù)合工裝或五軸精密鏜銑設(shè)備。

　　本方案研究思路如圖8所示，即通過(guò)低應(yīng)力切削工藝及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變形控制模擬分析方法研究，結(jié)合裝夾精度分析、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換以及設(shè)備五軸聯(lián)動(dòng)加工精度分析，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證及工藝方案優(yōu)化，建立復(fù)合加工工藝方案，滿足最終精度要求。

　　精加工緣板外形→精加工梁基準(zhǔn)平面→精加工U形雙耳槽口→精鏜交點(diǎn)孔及孔端面→數(shù)控測(cè)量。

　　工件的定位方法及壓緊方式直接影響裝夾精度，本方案采用圓柱銷定位，夾緊采用內(nèi)六方螺栓夾緊，螺栓的規(guī)格和數(shù)量可通過(guò)銑削力與夾緊力計(jì)算，此方案可增加裝夾的可靠性并縮短刀具的懸伸長(zhǎng)度，提高零件的加工工藝性。本方案采用五面加工方案，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位在一次裝夾下完成5個(gè)面的加工，后梁面與主起后交點(diǎn)在同一工位下加工完成，不存在基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，有效的減少了誤差的積累。同時(shí)，這種加工方案有利于實(shí)現(xiàn)在切削過(guò)程中材料去除的均勻化和對(duì)稱性，應(yīng)力釋放均勻，減小加工變形。在這種方案，設(shè)備的精度檢測(cè)也十分關(guān)鍵，機(jī)床精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，一般機(jī)床X、Y向1米范圍內(nèi)定位精度需要滿足0.02mm以內(nèi)，擺角精度為0.002度以內(nèi)，以確保主起后交點(diǎn)位置公差精度要求。

4、主起接頭復(fù)合加工下變形分析

　　在復(fù)合加工條件下，零件的整體工藝流程大大縮短，裝夾切換次數(shù)大大減少，裝夾切換帶來(lái)的尺寸不協(xié)調(diào)將大大減小，而加工變形控制問(wèn)題則尤為突出。盡量減小加工變形造成的尺寸精度誤差決定了加工的成敗。因此，必須對(duì)此類零件容易引起加工變形的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的分析。根據(jù)加工試驗(yàn)以及模擬變形分析，造成飛機(jī)主起支撐接頭變形問(wèn)題的主要結(jié)構(gòu)有，雙耳結(jié)構(gòu)槽口變形、后梁基準(zhǔn)面的變形、雙耳結(jié)構(gòu)上孔的變形等。

　　基于鍛制毛坯內(nèi)應(yīng)力分布的特點(diǎn)，通過(guò)內(nèi)應(yīng)力測(cè)試和內(nèi)應(yīng)力仿真相結(jié)合的方法全面評(píng)估毛坯的內(nèi)應(yīng)力分布，通過(guò)應(yīng)力仿真獲得毛坯應(yīng)力分布的形態(tài)。依據(jù)毛坯內(nèi)應(yīng)力、表面應(yīng)力和裝夾力情況對(duì)不同階段的零件進(jìn)行變形分析，包括：利用有限元法分析典型結(jié)構(gòu)大余量材料切除時(shí)零件的內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律、應(yīng)力集中和變形情況。

　?。?）深U形雙耳結(jié)構(gòu)加工變形分析。

　　主起接頭上深U形雙耳結(jié)構(gòu)加工材料切除量大，內(nèi)應(yīng)力釋放程度高，槽腔根部的微小變形容易在槽腔頂端形成較大的位置偏離。深U形雙耳結(jié)構(gòu)相當(dāng)于懸臂梁，深度越大，懸臂的剛性越弱。在內(nèi)應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，借助有限元仿真計(jì)算零件變形，以變形最小化為目標(biāo)，選取深槽腔加工的最佳余量分配方案，同時(shí)制定出控制深槽腔變形的加工工序。

　?。?）后梁面非封閉槽腔變形分析。

　　后梁平面容易變形是因?yàn)槠鋫?cè)面開(kāi)有缺口，在零件上形成了非封閉槽腔，不僅降低了其結(jié)構(gòu)剛性，還可能導(dǎo)致應(yīng)力集中。通過(guò)典型結(jié)構(gòu)切削和有限元仿真，分析缺口加工策略對(duì)結(jié)構(gòu)剛性、應(yīng)力集中和加工變形的影響程度，最終給出加工非封閉槽腔的合理工序以及各工序中的材料余量分配。

　?。?）主起后交點(diǎn)孔的蠕變變形分析。

　　主起后交點(diǎn)孔孔的變形控制主要是要控制蠕變。通過(guò)分析試樣蠕變變形影響因素和規(guī)律，獲得各種工藝參數(shù)切削后的極限變形周期Ti和極限變形量ΔHc。針對(duì)主起后交點(diǎn)孔進(jìn)行變形控制應(yīng)用研究，利用基礎(chǔ)切削試驗(yàn)和蠕變變形研究的結(jié)果給出合理切削參數(shù)，避免表面和局部應(yīng)力集中。

結(jié)論

　　大型飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工技術(shù)水平是航空制造能力的重要體現(xiàn)，集中反映了設(shè)備技術(shù)水平和工藝技術(shù)水平。數(shù)控復(fù)合加工技術(shù)集多種工藝方法、加工方式于一身，實(shí)現(xiàn)高效化、集成化加工，促進(jìn)了加工效率和加工質(zhì)量的提升，降低生產(chǎn)成本，是制造技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。當(dāng)然，根據(jù)產(chǎn)品類型的不同，其工藝復(fù)合的方式也不同，必須綜合考慮工藝可行性及經(jīng)濟(jì)性，在專業(yè)化和復(fù)合化方面把握平衡點(diǎn)，將復(fù)合加工技術(shù)和我國(guó)的航空制造技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)。