高效切削利器助推飞机结构件数控加工技术发展

　　西安飞机工业集团有限责任公司（以下简称西飞）是中国大中型民用飞机的重要研制基地，不仅承担着国内大型飞机整机或部件的研制生产任务，还承揽了波音737-700飞机垂尾和空客A319飞机翼盒等国际合作转包项目。西飞数控中心是西飞大型复杂结构件的专业生产厂，加工的主要产品有：机翼大梁、壁板、梁间肋、框、大型支撑接头和对接接头，产品材料多为2000系列和7000系列超硬铝合金，也有少量的TC4、TC6钛合金和30CrMnSiA、300M的高强度结构钢，毛坯类型主要是预拉伸板材和自由锻件。

　　西飞数控中心加工的航空结构件除具有槽腔多、壁厚薄、精度高，需要满足飞机变斜角理论曲面等飞机机翼结构件的通常特性以外，还具有零件轮廓尺寸大、槽腔深和基准平面轮廓度要求严等特性。由于原材料通常去除率达到了90%～95%，最高的达到了97%，且槽腔深度多为80mm左右，最深的达到了200mm以上，切削刀具悬伸量大、刚性差，这些均极易导致出现零件切削周期长、表面质量不好、加工变形量大、加工效率低等问题，这对飞机结构件数控加工工艺技术和高效切削工装工具提出了更高的要求。

　　飞机机翼大梁、壁板和梁间肋零件原材料为Cs状态的超硬铝合金，由于铝合金强度（超硬铝合金Cs状态）σb为0.48MPa、布氏硬度为156HBS、延伸率δs为5%、热导率1000℃为142W/（m·k），强度和硬度较低、塑性较小，对刀具磨损小，且由于热导率比铜合金高一些，使切削温度更低，加之超硬铝合金由于生成脆性化合物CuAl2分布于固溶体晶粒界面上，使韧性和塑性降低，故具有良好的切削加工性能。所以铝合金机翼大梁、壁板和梁间肋非常适合高速切削。

　　铝合金大型支撑接头和对接接头毛坯为自由锻件或模锻件，原材料为退火状态，主要加工工艺流程为粗加工、强化热处理和精加工。由于铝合金熔点较低，温度升高后塑性增大，在高温高压作用下，切屑界面摩擦很大，容易粘刀形成积屑瘤，特别是退火状态的铝合金不易获得好的表面质量。加之这类接头多为深槽腔、高耳片结构，切削刀具悬伸量大、刚性差，极易产生颤动，切削效率也很低。

　　由于钛合金比强度（抗拉强度与密度之比）高达23～29，且在300℃～500℃时仍能保持高比强度，对碱、酸等介质有良好的抗蚀性能。目前，钛合金材料在飞机结构中所占的比重越来越大，特殊关键部位的轮廓尺寸大于1000mm的大型承力框、大于400mm的大型对接接头也越来越多地采用钛合金材料。但由于钛合金与氧、氮、氢、碳易产生化学反应，形成硬度高或脆性大的表层，且导热性差（45#钢的1/5～1/7），造成切削加工钛合金零件时，切削刃负载重、切削温度高、刀具磨损严重。

　　国内航空制造业经过多年的积累，特别是通过国家“九五”、“十五”和近年专项的技术改造，先后从欧洲、美国和日本引进了大量的高精尖数控加工设备，这些数控设备具有转速高、功率大、移动速度快、精度及精度保持性高等特点，缓解了飞机结构件制造设备能力长期不足的被动局面。但随之暴露出了加工工艺技术落后，工艺装备特别是刀柄、刀具性能低、质量差的问题，严重制约了数控设备效能的正常发挥。为此，2000年以来，各航空制造厂通过技术总结和学习引进，特别是通过采用高效切削工具，以高速高效切削为代表的数控切削加工技术得到了快速发展，产品表面加工质量和加工效率均有所提高，各种典型飞机结构件数控加工过程中长期存在的问题得到了初步解决。