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框梁类零件工艺凸台方案设计

卢坚，常彦，刘宏灯

（中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司技术服务部，四川成都 610091）

摘要：随着航空航天的数字化的快速发展，以框梁类为主的机体零件的架构更加复杂，且数控加工已经成为飞机整体机构的主要成形方法。数控加工零件的材料去除率增高，零件加工和装夹基准更复杂，统一零件工艺凸台方案设计将成为提高零件数控加工稳定性、标准化和加工效率的重要因素。总结现有加工工艺凸台设计的缺点和现状，从零件加工的准备时间、加工刚性、加工难度、刀具性能、常规去凸台等方面进行标准化研究，规范了工艺凸台的方案设计，并在大量零件的实际加工运用中取得显著的成效。

关键词：框梁；工艺凸台；数控加工

工艺凸台是为了满足零件在数控加工过程的定位、装夹要求，在零件本体外部或零件本体上预留的非设计需要的块体，零件加工完成后需要由常规工段或者装配厂去除。工艺凸台设计方案的合理性，影响零件加工过程中零件装夹的精度、机床停机装夹的次数、零件材料的利用率，以及后续去除凸台所需要的常规铣工、钳工等工种的工作量。

1 现有工艺凸台设计现状及缺点

数控机加零件的常用定位装夹方式一共有三种：两孔一面、一孔两面、三个相互垂直面定位，如图1所示。

（1）两孔一面：两孔一面定位方法适用于框、梁、肋、角盒、型材及需要两次以上装夹的零件，零件多为薄壁、多型腔和无定位基准的零件，其特点是定位精度高、工装准备时间短、加工通用性强。

图1 常用定位装夹方式

（2）一孔两面：适用于接头、支座类零件，此方法不常用，一般零件因加工受限或原材料受限可采用此方法。其特点是加工需要借助工装夹具定位，定位稳定性不高。

（3）三个相互垂直面定位：此方法有两种夹紧方式，虎钳夹紧和用压板在工作台上压紧，其特点是重复定位精度不高，但材料使用少。虎钳夹紧适合接头、支座类零件，适合位置精度、形位公差要求不高的零件，通常只需一次装夹加工完成的零件；压板压在工作台上适合简单的框、底板、支座零件，要求零件铣削量少、有压紧位置、加工完后刚性好，通常只需一次装夹加工完成的零件。

虽然数控机加零件的常用定位装夹方式一共只有三种，但是由于详细规范不统一，存在很多问题以及缺点：

（1）所有零件在设计工艺凸台时未统一设计定位孔、压紧孔、压紧凸台、压紧螺钉；导致不同零件存在不同的定位孔尺寸、孔距、压紧凸台间距，使每个零件加工前，需要重新钻孔、压紧工具，存在通用性差、加工准备时间长、极大减少机床垫板寿命等缺点。

（2）工艺定位孔不在零件中心对称线上、压紧孔不关于零件中心线对称导致翻面加工装夹时，需要在零件垫板上重新钻孔，存在通用性差、加工准备时间长、极大减少机床垫板寿命等缺点。

（3）零件连接凸台在加工程序中铣开的位置未统一，有的零件未加工完时将凸台铣开，导致零件加工刚性差，容易造成零件故障，产生不合格品。

（4）零件连接凸台位置不统一，很多零件工艺凸台搭接的位置在复杂的形面上，导致常规去除凸台难度加大。

（5）零件连接凸台厚度不统一，很多零件连接凸台厚度太厚，加大常规去除工作量，连接凸台厚度太薄，满足不了零件加工刚性要求。

2 工艺凸台方案设计

2.1 设计原则及标准

工艺凸台设计方案考虑因素如图2所示。

图2 工艺凸台设计方案着手考虑因素

2.2 凸台标准化设计方案具体原则

2.2.1 工装通用程度方面

所有零件在设计工艺凸台时优先考虑数控通用工装来设计定位孔、压紧孔、压紧凸台；压紧螺钉优先采用M16的螺钉，以满足通用工装要求；当为了满足数控通用工装要求，允许因调整压紧孔或压板位置而增加毛料尺寸，增加材料宽度不超过20 mm；当经过调整仍无法满足数控通用工装要求，允许使用自制铝垫板或专用工装夹具加工。

2.2.2 减少准备时间方面

需翻面加工的零件两工艺孔中心连线尽量在毛料的对称中心线上。需翻面加工的零件压紧孔尽量关于工艺孔中心连线对称，如图3。

图3 压紧孔设计

2.2.3 保证加工刚性方面

凸台连接部位必须最后铣开，当加工需要可局部铣开，以保证加工刚性；对于零件本身无基准平面或支撑面不够可在筋条、腹板面或型面上增加支撑凸台。

2.2.4 零件节约材料方面

异型材和加工全悬空的零件可在周边框起搭凸台，其余不允许框起搭建凸台的，利用自身结构特征搭建凸台，优先考虑零件减轻孔、零件自身加工残留块作为工艺凸台；工艺孔设置在零件长方向，工艺孔边距要求为2～5 mm。

2.2.5 常规去除难度方面

凸台最终连接处尽量连接在平面上；在材料允许的情况下，凸台与零件之间留过刀槽，并将连接处铣薄；单个压紧凸台宽为60～80 mm；凸台最终连接处凸台宽10～20 mm，若为单个凸台，连接处可以与凸台一样宽（即60～80 mm宽），厚度3 mm（或与腹板厚度保持一致）。当凸台连接处侧面为平面、大曲率型面，可以采用搭接方式或连接方式连凸台；当凸台连接处为弧面、小曲率型面，需采用搭接方式连凸台；搭接方式要求如图4所示，且单个连接处宽度不超过20 mm。

图4 凸台连接部位设计

2.2.6 刀具加工性能方面

当刀具工作长度超过4倍径时，要求压紧孔制沉头孔，压板压紧处凸台铣低，其中深度20～30 mm、长度30～50 mm、宽度10～20 mm，如图5所示。

图5 凸台压板压紧槽设计

2.2.7 凸台间距设置方面

框、梁类零件两侧凸台尽量利用零件本身残留设置，壁厚大于等于3 mm且非悬空刚性好的零件凸台间距300 mm，其余建议间距200 mm，若侧面凸台利用自身残留块体搭建或因结构影响可不严格按此要求。若小零件套裁加工导致材料加长加宽可参考框、梁类零件搭建凸台。

2.3 框类零件工艺凸台设计

（1）当零件腹板上有减轻孔、外形有加工残留凸块时，利用减轻孔和残留凸块搭建凸台， 压紧孔、工艺孔可设置在减轻孔内，如图6。

图6 某型机带减轻孔框类零件

（2）当零件中间无减轻孔和残留凸块时，凸台只能在零件之外增加材料搭建，如果筋条顶面低于凸台定位面，为保证加工刚性，可在筋条相交处增加支撑凸台以增加支撑效果；如果进入批生产可考虑订专用工装，以筋顶面作基准面，高出筋顶面部分沉入工装中，如图7。

图7 某型机不带减轻孔框类零件

2.4 梁类零件工艺凸台设计

（1）梁类零件多为细长零件，零件两侧面需搭建凸台，凸台位置按指导要求设置，如果受零件结构影响可调整位置，如图8所示。

图8 某型机梁的凸台设置方案图

（2）零件采用成组套裁加工，中间留压紧凸台，压紧处可不过刀；当零件宽度小于70 mm且刚性好的零件两侧外形不留凸台。如图9。

（3）零件采用成组套裁加工（要求零件宽度不超过70 mm），中间不留压紧凸台只连接，压紧处在两侧提前铣低至10～20 mm高，不留过刀宽度，如图10所示。

图9 某型机梁的套裁凸台设置方案图

图10 某型机梁的套裁凸台设置方案图

（4）零件采用成组套裁加工，利用零件自身特点中间留压紧凸台，两侧不留凸台，如图11所示。

图11 某型机梁的套裁凸台设置方案图

3 应用效果

通过制定框、梁类零件工艺凸台方案设计标准，规范方案设计，并在后续所有项目数控加工方案中全面应用推广，新方案已消除以前工艺凸台方案设计混乱时期的多数缺点：

（1）工装通用化程度得到提高，操作标准化程度得到提高，缩短了零件加工准备时间，提升了设备利用率；

（2）零件加工刚性更加稳定，提高了零件加工合格率；

（3）减少零件材料浪费，提高零件材料利用率；

（4）缩短常规工种去除凸台的时间和难度，减少劳动负荷，降低零件生产成本。

4 结论

由于飞机设计结构的日益精细化、复杂化，以框、梁类零件为主体的飞机结构要求越来越高，需要不断探求新的数控加工技术和方案来应对日益复杂的加工需求。

随着柔性制造以及灵捷制造等技术的发展，框、梁类工艺凸台设计方案还将可以继续完善，用以提高数控加工效率、降低成本，满足航空以及机加行业的更高端的需求。

参考文献：

[1]贾文. 零件加工工艺与工装设计[M]. 北京：北京理工大学出版社，2010.

Design of Brick Assembly for Frame Beam Parts

LU Jian，CHANG Yan，LIU Hongdeng

(Techenical Service Department,Aviation Indusry Conporation of China Chengdu Aircraft Company, Chengdu 610091, China )

Abstract：With the rapid development of aeronautics, the structure of the body parts with frame beam is more complicated, and the NC machining has become the main forming method of the whole body of the aircraft. Which NC machining parts of the material removal rate increases, parts processing and clamping benchmark more complex, unified parts of the process plan design will become to improve the NC machining stability, standardization and processing efficiency of the important factors. This paper summarizes the shortcomings and current situation of the existing process design bosses, standardizes the design of the process boss from the aspects of preparation time, machining rigidity, machining difficulty, tool performance, conventional debut and so on. In a large number of parts of the actual processing and use to achieve significant results.

Key words：frame beam；process boss；numerical control machining

中图分类号：TG659

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2017.05.020

文章编号：1006－0316 (2017) 05－0066－05

收稿日期：2016－11－24

作者简介：卢坚（1988－），男，湖北黄石人，本科，助理工程师，主要从事项目管理、基础机加工艺应用和研究、装备保障研究应用的工作。