某支臂零件型面公差过程质量控制

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编者按

围绕某钛合金支臂零件型面公差重要质量要素加工制造过程控制，通过工艺余量偏移设置优化工艺流程，采用三坐标测量机进行测量的数字化检测方法，应用点位数据验证加工过程控制与工艺流程优化效果，保证了产品质量要求，提高了生产效率与产品质量，顺应飞机制造业结构件智能制造发展方向，最终实现以数字化、自动化及信息化为基础的飞机结构件智能化生产，推动飞机制造业的转型升级。

1  序言

近年来，随着数控加工技术的不断进步，我国航空制造技术得到飞速发展，形成了以信息化方式驱动的航空产品制造，实现了装备、工艺、管理和服务的数字化、自动化及智能化，以适应飞机发展的技术要求，大幅度提高企业的生产效率和产品质量[1]。随着飞机性能的不断提升，飞机零件的复杂程度以及质量控制精度要求也随之提升，其中钛合金支臂是飞机中央翼与主起落架装配结构中最重要的承力结构件之一，起到支撑和固定主起落架的作用[2]。在进行支臂零件型面公差质量要素的工艺设计时，需要进行大胆的改进和创新，研究工艺流程方法、数控加工及测量等关键技术，实现产品的全数字化智能制造。

2  支臂零件简介

钛合金支臂（ 外形酷似鲶鱼头）是中央翼主起落架最重要的承力结构件之一，结构形式如图1所示，材料及状态：TA15M，外廓尺寸：430mm×230mm×165mm，毛坯结构形式：模锻件，毛坯质量：15kg。零件腹板处一侧为平面，另一侧为5层渐进台阶结构，零件头部直耳片和斜耳片交叉分布。支臂零件在飞机装配时，腹板底面与二墙相连接，法兰盘面与中央翼下壁板连接，直耳片连接进气道加强框的吊挂接头，斜耳片与钛合金支柱相连接，支撑和固定主起落架，在飞机着陆时承受20多吨载荷。通过零件数模及装配使用要求可知，支臂零件不仅尺寸公差范围和表面质量要求高，还要保证各尺寸要素之间的位置精度和协调配合要求，所以支臂零件耳片相对于基准孔的型面公差（±0.3mm）质量要素最为重要。

图1 支臂零件结构示意

3  支臂零件原工艺加工方案

零件原工艺加工方案采用常规铣床，各型面的加工均需经过划线、铣削和钳工处理来完成，工序有110道之多，加工过程使用铣削夹具左右件共6套、镗削夹具4套以及划线样板6套。零件加工工位多，周转等待及准备时间长，劳动强度大，加工过程控制需多套工装、多次装夹，零件加工基准不统一，误差大，质量波动较大，质量一致性差，严重影响装配使用质量要求及生产进度需求。

4花键支臂零件原质量检查方案

在航空结构件中，零件检测是一个重要环节，是保证零件制造质量、改进制造方法和提高生产稳定性的关键。依托零件图样要求及工艺加工方案，设计专用检验夹具和模线样板，其检测采用普通工具（卡尺等）与专用工具（模线样板、检验夹具等）相结合的测量方式。零件第6肋轴线位置、法兰盘位置、斜耳片位置和直耳片位置按检验夹具加工，法兰盘外形及腹板外形按模线样板加工。零件在检验夹具上的检验要求为：零件第6肋轴线面对准检验夹具上第6肋轴线面（按照指令性交接状态表要求，允许低0.6mm），同时插入φ22f9定位销和φ12f9定位销，检查法兰盘内侧、斜耳片内侧及直耳片背面与检验夹具间隙值，法兰盘内侧与检验夹具的间隙值为2.3（

）mm，斜耳片内侧与检验夹具的间隙值为5（

）mm，直耳片背面与检验夹具的间隙值为2.2（

）mm，并保证两个检验销棒转动灵活。通过检查3件零件不同间隙位置，测得零件各部位与检验夹具的间隙值见表1，可知零件间隙个别位置存在超差且加工质量波动较大，质量一致性差，检测过程繁琐且技能要求高，验收效率低。

表1 采用检验夹具检查的间隙值        （单位：mm）

5制造控制过程改进及工艺方案优化

针对支臂零件结构特点，制定数字化加工工艺方案，明确工艺准备要求，分析误差产生的各方面原因及需要注意的问题，并以此为基础，对零件加工过程进行合理计划。经过测量模拟对比分析，当零件第6肋轴线面与检验夹具6肋轴线定位面齐平的状态下，两检验销棒方能灵活转动，被测面与检验夹具检查面间隙值较为稳定。所以初步工艺方案为：在法兰盘内侧留1mm余量，外侧留2mm余量，待试切后根据实际间隙测量值调整数控程序偏移量，直至满足检验夹具要求，从而固化程序偏移量。另外，需将零件第6肋轴线面向下偏移0.2mm，以保证另一侧筋条厚度方便加工。

零件初次试切后，通过分析零件与检验夹具测量间隙值，发现零件直耳片位置完全符合检验夹具要求，斜耳片与检验夹具测量间隙值比理论值小0.5～0.6mm，则零件二次加工时斜耳片内侧需向外偏0.6mm。二次加工法兰盘，在去除留有的余量后，法兰盘与检验夹具的间隙与理论间隙值差0.3mm，三次加工时将法兰盘向外侧偏移原有的1mm余量的同时，再向外偏0.3mm，从而使法兰盘各点满足检验夹具公差值要求。因斜耳片厚度公差较小（为28f9），在加工时内、外侧均留0.1～0.2mm的余量，由钳工研磨保证厚度公差要求。经过三次试加工调整后，按最新优化工艺方案进行加工，经检验夹具测量，零件完全符合理论间隙值要求。通过优化加工方案，零件从普通铣床转移到数控铣床上加工，从毛坯投产到产品交付加工工序减少至20个，大大缩短了工艺流程和生产周期。同时，零件各耳片上孔的加工使用同一铣削夹具在不同机床上完成加工，减少了工装的使用频次，降低了劳动强度，提高了生产效率。

6数字化测量验证

随着CAD/CAM技术的发展，飞机制造已逐步由模拟量传递向数字量传递过渡，大量零件产品都采用数控加工，既提高了产品的协调性，也减少了检验样板、卡板及检验夹具等量具的设计、制造费用，其产品的检验一般由数控测量机来完成[3]。

6.1 设定测量要素

分析产品数模数据集，按照设计基准建立测量坐标系，也可通过被测表面拾取特征点拟合坐标系，执行测量程序的参考坐标系，测量数据点的提取应在测量坐标系下进行，测量数据点的参数包括理论点坐标值及点的矢量方向（方向余弦）。根据产品结构特点及尺寸大小，结合零件曲面的曲率变化，确定分布数据点数，具体分布及点数见图2。

图2 支臂零件测量点分布示意

6.2 固化测量过程

该类型面的测量一般采用点位测量法，三坐标测量机测量过程如图3所示，测量步骤如下。

图3 测量过程

1）选择测量工具的类型、规格，确定工具的安装状态。

2）向测量机的计算机输入曲面名义点位坐标数据，如位移矢量坐标P（X，Y，Z）和法向矢量N（Nx，Ny，Nz）。

3）测量机定位点开始沿法向N慢速向工件的被测点趋近，当接触状态达到要求后发出零信号，对测量点进行检测，读数头在X轴、Y轴和Z轴上分别测量数据。

4）将数据送入计算机中处理，进行理论值与实测值的比较，得到法向误差值。

5）输出测量误差值。

6.3 输出测量结果

测量程序编制完成后，通过使用组合式工装与坐标系转换关系，快速设定检测坐标系，运行测量程序后即可得出被测点位的坐标值、与理论坐标比对值以及判定结果值。支臂零件26个测量点位的型面公差测量结果如图4所示。

图4 支臂零件型面公差测量结果

6.4 验证比对效果

1）三坐标测量机测量精度高，且检测质量一致性好，避免了量具磨损或人为造成的误差，更好地保证了零件质量要求和装配使用需求。

2）三坐标测量机检测效率高，基于桥式三坐标测量机可以建立快速测量系统，实现支臂零件加工完成后的快速测量，从而提高零件的检测速度与周转周期。

3）测量结果可反映出其质量波动变化情况，若将测得的数据进一步处理分析，可有针对性地规避或预防后续生产或装配过程中产生的质量风险，用于生产过程稳定性监控，为生产过程的改进提供数据支撑。

7结束语

根据钛合金支臂结构及材料特点，研究了零件数控加工的工艺、编程技术和组合式快速测量等关键技术，对原工艺方案进行大胆改进，尤其是斜耳片厚度、两耳片交接处等关键部位的加工质量控制，优化了工艺质量控制流程。通过在飞机中、小结构件生产线上的应用，证明了加工过程质量控制方案不仅提高了现有结构件加工效率，而且稳定了产品质量一致性，提升了表面质量，避免了零件变形，保证了零件的关键尺寸，完全满足装配要求。

参考文献：

[1] 袁立. 飞机数字化制造技术及应用[M]. 北京：航空工业出版社，2018.

[2] 俞鸿均，汪裕杰，熊航，等. 飞机结构件生产线加工关键技术研究与应用[J]. 航空制造技术，2019，62（18）：83-89，101.

[3] 丛培源. 数字化测量技术在型架装配中的应用研究[D]. 杭州：浙江大学，2014.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2024年第2期第80~82页，作者：沈阳飞机工业（集团）有限公司技术检验中心 林海鹏、谢保光、李辉，原标题：《某支臂零件型面公差过程质量控制》。