摘要：随着飞机先进制造技术的快速发展，对飞机结构件设计与制造提出了更高的要求。飞机结构件是飞机的框架结构，同时也是其他零部件与设备的载体，如何快速适应飞机制造业的发展，解决飞机零部件结构复杂、数量繁多、装夹难度大等一系列问题。本文针对预拉伸板类典型飞机结构件加工，提出了基于嵌入式和单元式的反拉工装设计方案，总结了此类方案的高效工艺方案，并对典型零件进行了加工验证，试验结果显示：反拉类通用工装在工装管理、装夹效率等方面都体现出了一定的优势，在航空结构件的加工中具有非常好的推广应用价值。
关键词：飞机结构件；反拉式工装；应用
飞机结构件的材料类型主要有铝合金、钛合金、不锈钢、超高强度钢及复合材料等，其结构类型主要有框、梁、肋、壁板、接头以及回转构件等，其中大部分金属材料结构件都需要通过数控铣削方式进行加工，且其毛坯形式大多是预拉伸板。面对当前航空产业迅速发展的新机遇，对飞机结构件制造企业的高效加工能力提出了很高的要求，企业必须不断改进工艺方法，寻求更加高效的工艺方案以提高生产效率，才能满足市场需求。
一、常见反拉方式介绍
（一）嵌入式反拉工装设计
传统的正向压紧工装一般是在铝合金工装主体上制造出等距排列的底孔，在底孔上嵌入钢质螺纹衬套。在待加工零件毛坯上制出通孔，再通过螺钉穿过待加工零件上的通孔实现正向压紧。嵌入式反拉工装与正向压紧工装的主要区别在于将螺钉与工装主体设计为一体式结构，即螺钉镶嵌在工装基础板中并可实现与工装基础板不分离。其中反拉通用工装主体上还包括用于连接通用工装主体与机床工作台的压紧结构、用于快速在机床工作台上定位反拉通用工装主体的定位孔、用于穿过反拉螺钉的通孔，在通孔中嵌入反拉单元。
（二）单元式反拉工装设计
单元式反拉工装相较于嵌人式反拉工装，其主要区别在于将反拉单元设计为独立的元器件，可以在不移动工装主体的前提下实现反拉单元的安装、拆卸及更换，因此可以将工装制造、维护成本都能控制得更低。其主要结构与嵌人式相似，并通过螺纹实现与工装主体间的连接。
（三）反拉工装的优劣势分析
反拉工装在预拉伸板类航空结构件上具有非常广阔的推广应用前景，其优势主要体现在以下4个方面：（1）装夹效率提升：传统螺钉压紧/压板压紧方式较为粗放，效率偏低，而采用反拉螺钉单元方式其装夹效率能提升明显。特别当零件轮廓尺寸增大，使用的螺钉/压板增多时，装夹效率提升更为明显。（2）工装附件管理提升：传统螺钉/压板压紧方式，螺钉/压板与工装主体是分离的，螺钉/压板可能出现遗失等情况，管理相对繁琐，而且当螺纹出现磨损时，需要更改主体上的螺纹钢衬套及螺钉，成本较高；采用反拉螺钉方式，螺栓单元与工装主体是一体的，管理简单，如螺纹磨损只需要取出反拉单元进行更换即可，更换简单，成本较低。（3）机加工艺可实现标准化：采用等距排列的通用反拉板，可以使用多种零件在工装上的通用性装夹，使得工艺流程更加标准，装夹流程更加简化。（4）减少加工中的潜在干涉：采用传统螺钉/压板方式，在设计工艺方案及刀具轨迹时必须要考虑螺钉/压板与刀具之间的干涉，编程时必须进行避让，以减少质量隐患，而采用反拉螺钉则可避免该问题，刀具轨迹更加简洁及高效。同时，该方式同样存在一定的局限性，主要体现在：该方式较适合于铝合金板材类零件，且板材厚度必须控制在一定范围内，对于厚板材、或难加工材料零件的通孔螺纹加工质量难以保证。
二、典型工艺流程及试切验证
（一）典型工艺流程
配合反拉类工装及其他配套装夹方案的应用，将典型零件的工艺流程整理为以下两类：
1.适用于小型结构件的典型工艺流程
小型飞机结构件轮廓尺寸一般在350mm以下，主要以肋、角盒类零件为主。结合小结构件常用的虎钳装夹方式，可将虎钳与反拉工装同时放在机床工作台上，实现工序流转。该类零件的典型工艺流程可归纳如下：（1）修毛坯对侧面，保证平行度。（2）虎钳装夹对侧面，修上表面、钻螺纹通孔、定位孔、粗精铣第1面。（3）对反拉工装装夹，粗精铣第2面。
2.适用于中大型结构件的典型工艺流程
中大型飞机结构件轮廓尺寸一般在350mm以上，主要以框、梁类零件为主。该类零件不适宜采用虎钳装夹方式，其典型工艺流程可归纳如下：（1）毛坯垫高，使用侧面顶紧，修毛坯上表面，钻螺纹孔、定位孔。（2）反拉工装定位装夹零件，粗精铣第1面。（3）反拉工装定位装夹零件，粗精铣第2面。
（二）零件试切验证
为验证上述工艺方案，选取典型零件进行了试切验证，如图1所示。材料为7U50-T7451铝合金预拉伸板，零件结构类型为短梁和肋类零件，毛坯尺寸分别为470mm x 190mm x 3）mm和330mm x 160mm x 30mm。
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图1 典型零件加工效果图
试验过程主要针对反拉方式的装夹过程、可行性进行验证，并与传统螺钉压紧/压板压紧方式进行对比。试验采用了基于单元式的孔系反拉通用工装作为基础板，通过在基础板上增加转接板进行装夹对短梁类零件进行了试切，通过直接在基础板上装夹对肋类零件进行了试切加工。零件装夹工具采用传统的六方扳手。
试切结果显示，在装夹效率提升方面确实能体现出前文所述的优势，传统单个螺钉/压板装夹时间约30s，采用反拉螺钉单元单个螺钉的装夹时间约10s，装夹效率提升明显。采用转接板后更可实现机外装夹，进一步缩短占机时间，提高主轴利用率。其次，在工装吊装、拆卸及清理铝屑过程中，作为整体的反拉工装与传统的分离式工装比较，现场机床操作者对此反馈效果较好。同时发现，在以下方面改善能更好的提高反拉方式的应用效果：首先是工艺标准化的贯彻执行，即将基础板作为附件长期放置在机床台面，而对应的零件应全部按照该方式进行工艺标准化改进，统一定位原点及压紧孔位，这样能实现不同零件的高效更换。其次，装夹辅助工具采用电动、低转速六方扳手替代手动扳手能进一步缩短装夹时间。
总之，本文结合一种新型的反拉方式，分别提出了嵌入式和单元式的反拉通用工装设计方案，总结了一套适用于飞机结构件的高效数控铣削工艺方案，并针对典型航空结构件进行了加工验证，试验结果显示，反拉类通用工装在工装管理、装夹效率等方面都体现出了一定的优势，可以在航空结构件的加工中进行推广应用。
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[3]李孟秋.飞机结构件双面连续加工方法及装置[D].南京航空航天大学，2019.
论文作者:宁秋实1,刘广鑫2,李海伟3
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/21
标签：工装论文; 螺钉论文; 零件论文; 结构件论文; 飞机论文; 压板论文; 加工论文; 《基层建设》2020年第1期论文;