数控技术在新型复杂航空结构件上应用

　　新型飞机为了达到优异的机动性能、飞行性能、轻量化、长寿命、低成本制造等技术指标，对机身结构及发动机提出了更高的要求，并采用最先进、最前沿的设计技术与设计理念使飞机结构件向整体化、薄壁化、结构承载与功能综合等方向发展, 要求零件重量轻、加工精度高、加工效率高，大量采用了整体结构、薄壁结构及整体结构件，截面复杂、装配协调面多、精度要求高、外形尺寸大、壁薄、非对称与变截面等结构特征，加工精度比上一代机型明显提高。许多关键件的结构形式、设计精度、材料都是首次应用，数控加工是机体结构件制造的主要方式，是新一代装备性能的重要保障基础，我国航空工厂对这些新型零件的加工经验十分有限，数控加工面临着极大的挑战。

　　数控加工与其他专业的复合加工技术，在新型航空结构件的生产中大量出现，例如复合材料构件、超塑成形钣金件、蜂窝芯体、焊接结构件，也要求其具有精确的曲面外形及孔系。以前都是采用手工切边、制孔或者普通机加方式加工，但为了满足新一代飞机设计的精度要求，必须采用数控加工技术。如图1所示，飞机钣金件的外形及孔也需要数控精加工。

图1 钛合金蒙皮钣金件五坐标加工

　　数控加工必须直面这些挑战，在设计数控工艺中有正确的思路，抓住重点，突破关键工艺技术，才能保证这些关键件的复合加工质量和效率。

　　几种新型航空结构件的数控加工技术探索

　　1 大型、难切削材料航空关键结构件的高效数控加工技术

　　航空结构件向着进一步整体化、零件大型化方向发展，以达到大幅度减少零件数量，从而减少零件之间连接所增加的重量，避免由于连接带来的应力集中，还可以大量减少工装的数量和加工工装的工时，从而大幅度降低制造成本。例如，F-22后机身钛合金隔框精密模锻件投影面积达5.53m2。大型难切削材料结构件体积大、硬度高、壁薄、刚度差、易变形、切削量大、加工周期长、加工成本高、切削力大、切削温度高、弹性模量小,造成刀具磨损严重，加工效率低，加工质量和精度难以控制。此外，大型难切削材料航空结构件多数都涉及焊接及热处理工艺，造成加工过程中零件变形情况更加复杂。大型难切削材料航空结构件实现高效率、高精度和高可靠性的切削加工是航空制造业面临的一个重要课题。

　　图2所示的某大型钛合金整体框，长度超过3m，双面薄壁槽腔和加强筋，两边有耳片，中间有开口，外形为机身变斜角，还有深孔、深槽。粗加工后焊接，焊后最终精度由数控加工来保证，此类框不但为难切削材料，而且尺寸巨大、结构复杂、精度要求高、数控程序量巨大，这些特点决定了该框数控加工强度极大、难度大、风险大、效率低、难以测量。

图2 大型钛合金整体框

　　图3为某大型超高强度钢零件，有多个重要尺寸或形位公差，它们具有原子密度大、滑移系数高的面心立方晶格的奥氏体组织结构。因此在切削时，表现出极大的变形抗力，具有高硬度、高强度等特点，是典型的难加工材料。淬火后强度达1600MPa，硬度大于HRC47，并且长度方向缩短超过1mm，表面有约0.5mm的脱碳层。此类零件在加工过程中由于焊接热处理工序导致不断变形，重要尺寸及形位公差难以保证，切削效率低、加工周期长。数控加工工艺设计必须紧紧围绕控制变形、提高效率这个主题进行。

图3 大型超高强钢零件

　　此类大型难切削材料航空结构件数控加工关键技术是数控加工工艺设计技术。数控加工工艺的设计要以加工变形控制和精度控制为主线，合理划分粗精加工工序，合理设计加工基准及变形后加工基准的修复，合理设计加工顺序，尽量消除焊接和热处理对加工的影响。在主要控制变形的同时，兼顾切削效率，在工艺与程序中，结合所采用的刀具，选择切削参数。难切削材料最适合的刀具是整体硬质合金带涂层刀具。精加工阶段要主要关注加工表面质量。此外，上千条数控程序的编制技术、仿真与校验技术也十分重要，要对巨量的程序进行认真仿真，确保刀具轨迹的正确性，严格控制下刀位置，余量分配要均匀，否则刀具会直接崩碎。在加工过程中，必须严格监控刀具状态，及时更换已磨损的刀具，仔细控制进刀切入方式。工装设计一定要牢固可靠，要能够抵御数千牛的切削力。由于零件巨大，工装还要考虑抵消机床台面的误差。大型难切削材料结构件的数控加工工艺要综合考虑上述关键技术，忽略任何一点都将造成无法挽回的后果。