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摘要：航空透明件外形越來越趨向于復雜曲面，給透明件的生產制造增加了難度。透明件的邊緣與機身直接接觸，其精度將直接影響透明件裝配。本文根據透明件的外形和加工要素特點，分析了透明件加工定位的方案，以及復雜曲面透明件各類加工固定方法的優缺點。通過計算和驗證方式，確定了透明件加工所使用工裝的重要參數，提高了透明件數控加工的效率。

關鍵詞：定位方法；固定方法；固定穩定性

1概述

隨著航空產業的發展，航空透明件外形越來越趨向于復雜曲面，給透明件的生產制造增加了難度[1]。航空透明件作為飛機的主要零件，其成形完成后的邊緣加工，原來主要采用手動工具切割、人工打磨的方式進行，該方法效率較低，并且加工精度不高。21世紀初，中國加入WTO后，受國外先進制造技術的沖擊，國內開始陸續興起數控加工技術的使用[2]。現階段，數控機床已經在各行各業大量應用，其本身可以具有較高的精度。但是制件在機床上的定位和固定方法，會直接影響制件的加工精度和加工效率。本文針對透明件數控加工過程中的定位和固定方法進行了研究，通過對固定方式，密封圈的選擇和工裝結構參數優化等方面的研究，提高了透明件固定的可靠性和快捷性，提高了加工效率。

2問題描述

透明件在加工過程中需要專門的夾具夾持后，才可方便的加工。加工夾具的結構形式對加工效率和加工質量有較大的影響。飛機透明件主要采用有機玻璃制造，大多具有復雜曲率不規則外形的特點。有機玻璃材料成型后會存在一定程度的回彈，成形后邊緣會存在與理論外形無規律的偏差，造成加工過程中透明件的可靠固定具有一定的難度。

3定位和固定方法

加工工裝的作用為托起和固定制件，輔助機床對透明件進行有效加工。加工工裝根據透明件的成形工藝，可設計為凸模或凹模。加工工裝主要是解決制件準確定位和可靠固定的問題。

3.1定位方式

透明件和加工工裝的定位準確性，對透明件的加工質量直接的影響，如定位不準確會造成邊緣臺階厚度不均勻，輪廓邊界偏離理論曲面等問題。現在常用的定位方式包含銷定位和基準線定位兩種方式。本文對上述兩種定位方式進行了研究。銷定位具有定位準確，實施方便的優點。但是由于航空用有機玻璃相對金屬為脆性材料，試驗過程中采用手持電動工具手工打孔時，部分制件出現了孔壁及邊緣產生裂紋、崩邊等損傷（特別是定向有機玻璃，更容易產生上述問題），如裂紋擴展可能造成透明件的報廢。基準線定位的方式，通過在成形和加工工裝的相同位置預留基準線。該方法具有劃線簡單方便，不損傷制件的優點，但定位精度受操作人員和劃線工具的影響。

3.2固定方式

復雜曲率透明件雖然在成形后邊緣會存在與理論外形無規律的偏差（以下簡稱貼模度偏差），但在小范圍內外形變化不大的特點。針對透明件的外形特點，本文設計了弓形夾夾持、邊緣粘接和真空吸附三種固定方式進行研究。3.2.1弓形夾夾持在工裝周邊設計夾持位置，弓形夾均勻分布在透明件的四周，夾持示意圖如圖1所示。經驗證，弓形夾夾緊后可以基本消除透明件和工裝的貼模偏差，在加工過程中該夾持方式可有效固定透明件。但是弓形夾會占據部分邊緣位置，造成周邊輪廓不能一次加工完成。3.2.2邊緣粘接在工裝周邊預留粘接區域，通過邊緣粘接的方式固定透明件，如圖2所示。采用邊緣粘接的方式固定制件，可快速實現透明件的固定，并且透明件的貼模公差對粘接固定無影響，但邊緣粘接的方式不能消除透明件和加工工裝的貼模偏差。本方案中對粘接膠的要求較高，要求粘接膠能夠同時粘接金屬工裝和有機玻璃透明件，并且加工完成后可以很方便的清理粘接膠。由于該方法不能消除透明件和加工工裝制件的貼模間隙，如存在圖2所示的上表面加工區域，貼模度的公差將直接影響加工精度。因此該方法只適用于加工貼模度較好的透明件，或者曲率變化平緩的透明件邊緣輪廓，因此使用該方法具有較大的局限性。3.2.3真空吸附固定真空吸附的固定方式，現已大量使用平面玻璃的加工過程。該方式具有固定快速，對加工區域不產生影響，加工完成后清理快速的優點，并且真空吸附力更加有利于透明件和工裝的貼合。但該方式對形面的貼合度要求較高，如貼合間隙過大，常常會出現難以固定或吸附不穩定的情況。密封圈的選擇是解決貼模偏差的有效補充。本文選用了不同結構的密封圈，研究了密封圈結構，對透明件貼模偏差的補償性能。普通密封圈一般都為“O”型圈，放置到密封槽后凸出的高度基本相同。本文首先采用普通的“O”型圈，對復雜曲率透明件進行吸附穩定性試驗。經驗證，制件很難吸附固定在加工工裝上。造成該問題的原因可能為復雜曲率透明件本身剛性不足，吸附過程中只有部分區域與密封圈貼合。針對普通“O”型圈的問題，經調研本文選用了充氣式的密封圈，此密封圈吸附過程中具有較大的彌補貼模偏差的能力，并且在自然狀態下可收縮在凹陷的槽內，有利于檢查透明件各個區域與工裝的貼模偏差。充氣式密封圈的典型結構和參數表1所示。本文采用厚度在4mm~10mm范圍內的有機玻璃透明件進行吸附試驗。在工裝周邊放入上述4種充氣式密封圈進行試驗，經驗證上述密封圈結構均可實現透明件的吸附固定。但是，1號和2號密封圈吸附較薄厚度的透明件過程中，需要在透明件吸附區域施加較大的壓力，才能夠吸附固定。對比四種密封圈的結構，1和2號密封圈的寬度較寬，且接觸面區域較大，其截面構型更適合于外形偏差較大、具有較高剛度的制件。3號和4號密封圈，密封接觸面的面積較小，更有利于接觸制件形成密封區域，對剛度較低的透明件更有優勢。因此選擇合適的密封圈后，采用真空吸附的方式可以有效固定透明件，并且真空吸附的壓力可以有效減小透明件的貼模度偏差。

4固定穩定性分析

刀具在切削制件過程中會產生一定的切削力。如制件不能有效克服切削力，會造成加工過程中制件移動，從而影響加工質量。吸附區域越大，更有利于加工穩定。但定位區域增大后，其貼模度變化相對更大，不利于制件的吸附固定。并且吸附屈原變大也可能引起制件變形的風險。透明件吸附定位后真空度一般可達到10000Pa一下。真空區域產生的壓力大于0.9個大氣壓產生的摩擦力。研究表明鋁合金材料采用較好的切削參數，高速切削其切削力約200-400N[3]。參考切削力經驗公式；（1）式中B—銑削寬度，CP—工件材料對切削力影響系數，K—刀具前角對切削力的影響系數，K1—切削速度對切削力的影響系數，fz—每齒進給量，z—刀具齒數。參考金屬的切削的影響系數（取值80），經計算其切削力小于100N。根據壓力和摩擦力的換算。摩擦力大于切削力即可滿足固定制件的要求。F=nP×S1×μ≥100N。（2）其中S1=C×（d1×2）；S2=C×d2；n=S2/S1；F為摩擦力；μ=0.2為摩擦系數；P為壓力差；S1為密封圈貼合面積；S2真空吸附區面積；d1為密封圈貼合寬度，d2為真空吸附區寬度。C為密封圈周長。根據公式2計算，推薦真空吸附區域在密封圈接觸面積的3~6倍，一般可滿足透明件吸附固定的可靠性要求。根據上述結論，設計透明件加工工裝進行驗證，采用表1中的3號密封圈可有效吸附固定透明件。加工過程中制件狀態穩定，加工的要素能夠滿足技術指標要求。

5結論

（1）透明件和工裝的定位，采用基準線定位的方式，更有利于透明件的制造。（2）經過多種固定方式的對比，真空吸附的固定方式，工藝性較高，效率更高。（3）對比多種密封圈結構，選擇出了適宜固定透明件的密封圈結構。（4）提出了推薦的真空吸附區域參數。（5）對提升復雜曲面透明件的制造效率，具有一定的指導意義。

參考文獻

[1]多曲率復雜型面航空透明件成型技術萬建平等設計與工藝洪都科技2010。

[2]機床數控技術的發展現狀與趨勢伍健倡等中國新技術新產品工業技術2018NO.8（下）。

[3]鋁鋰合金高速銑削力的試驗研究徐海進等航空制造技術2014年13期。

作者：靳永強 徐飛飛 劉其廣 單位：北京航空材料研究院