高速加工技術(shù)在大飛機零件加工中的應(yīng)用

摘 要:首先描述了高速加工技術(shù)的優(yōu)點，然后通過大飛機結(jié)構(gòu)零件的特點分析，舉例說明了高速加工在大飛機零件加工中的應(yīng)用，同時指出了目前存在的問題。

關(guān)鍵詞:高速銑削;大飛機;零件結(jié)構(gòu)

中圖分類號:TB

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)09-0323-02

1 高速數(shù)控加工技術(shù)

1.1 高速加工技術(shù)裝備的特點

以高性能數(shù)控機床及先進刀具為基礎(chǔ)的高速數(shù)控銑削加工技術(shù)為飛機主要結(jié)構(gòu)件中的鋁合金零件提供了高效率、高質(zhì)量數(shù)控切削加工的解決方案。

該技術(shù)已經(jīng)成為航空數(shù)控加工的一個發(fā)展方向，并開始從航空制造向其他制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用。此類數(shù)控加工技術(shù)與裝備的特點及要求可以概括為:

(1)采用高速主軸系統(tǒng)，提供盡可能高的材料去除速率(Material Removal Rate，MRR)。當(dāng)前應(yīng)用的高速主軸，轉(zhuǎn)速可達42000r/min，甚至更高。

(2)采用高性能的進給系統(tǒng)，在加工中各種走刀路徑獲得很高的伺服動態(tài)特性，從而縮短切削加工時間。

(3)高性能切削數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，使得飛機鋁合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工時的材料去除速率高達5000 cm3/min～7000 cm3/min。

1.2 高速切削技術(shù)的優(yōu)點

(1)進給速度也相應(yīng)提高5-10倍;同時，機床空程速度也大幅度提高，極大減少了非切削時間，從而極大地提高了切削效率。

(2)切削力可降低30%以上，對薄壁件控制變形也有好處。

(3)可保持工件冷態(tài)，控制熱變形。

(4)可加工出精密高的零件，提高表面光潔度。

(5)高速切削可加工各種難加工材料。

(6)降低加工成本，即高速加工的“一次過”技術(shù)。

2 大飛機結(jié)構(gòu)件分類

2.1 按飛機零件的結(jié)構(gòu)特點和用途分類

飛機零件的特點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量輕、強度和精度較高、壁厚較薄。按照零件結(jié)構(gòu)的外形和用途，大致可分為四類:構(gòu)成飛機氣動外形的薄殼零件，構(gòu)成飛機剛性的骨架零件，內(nèi)部設(shè)備零件，起飛、著陸和操縱結(jié)構(gòu)零件等。飛機結(jié)構(gòu)件主要指的是薄殼零件和骨架零件。

(1)薄殼零件。主要包括機身、機翼、尾翼的蒙皮、壁板和整流罩，其外形涵蓋了單曲率、雙曲率和異號曲率等復(fù)雜曲面，可以是開敞結(jié)構(gòu)或封閉結(jié)構(gòu)。其中，蒙皮、壁板又分為機翼蒙皮壁板、垂尾蒙皮壁板和機身蒙皮壁板三類。

(2)骨架零件。主要包括機身的隔框、梁和長櫞條;機翼的大梁、支板和櫞條、翼肋、分離面的接頭和型材;座艙蓋零件等。其中，隔框可分標(biāo)準(zhǔn)隔框和受力隔框等，梁可分整體梁和鉚接梁等。

2.2 按零件的數(shù)控加工特征分類

按零件的數(shù)控加工特征分類，可將飛機結(jié)構(gòu)件分為平面類零件、變斜角類零件和曲面類或立體類零件三大類。

(1)平面類零件。加工面平行、垂直于水平面或其加工面與水平面的夾角為定角度的零件。其特點是各加工單元面是平面或可以展開成為平面，三坐標(biāo)數(shù)控銑床就可以滿足加工要求。

(2)變斜角類零件。加工面與水平面的夾角呈連續(xù)變化的零件，如飛機上的整體梁、框、緣條與肋等。特點是在加工中，加工面與銑刀圓周接觸的瞬間為一條直線，采用四坐標(biāo)和五坐標(biāo)數(shù)控機床擺角加工即可，也可采用三坐標(biāo)數(shù)控銑床進行行切加工。

(3)曲面類(立體類)零件。加工面為空間曲面的零件，特點是各加工面不能展開為平面，且加工面與銑刀始終為點接觸，采用三坐標(biāo)或五坐標(biāo)數(shù)控銑床進行加工取決于曲面在空間的位置。

3 高速銑削技術(shù)應(yīng)用

3.1 典型飛機結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工策略

(1)為減少輔助時間，盡量在相同定位下采用同一把刀具，盡可能多地連續(xù)加工，以減少重復(fù)定位次數(shù)、換刀次數(shù)或改變夾緊次數(shù)。

(2)在同一次裝夾中進行的多個加工內(nèi)容，應(yīng)先安排對工件剛性破壞較小的加工內(nèi)容，以保持后續(xù)加工有足夠的剛性。

(3)先進行內(nèi)形內(nèi)腔加工，后進行外形加工。一般情況下，半精加工或精加工前應(yīng)首先安排精銑立筋、緣板高度的加工內(nèi)容，防止由于立筋、緣板壁薄，加工中產(chǎn)生讓刀、帶刀、顫動等現(xiàn)象。

3.2 典型構(gòu)件高效切削技術(shù)應(yīng)用

(1)機翼整體壁板的高速高效切削技術(shù)的應(yīng)用。機翼整體壁板分為上壁板和下壁板，上壁板選材為7000系列鋁合金預(yù)拉伸板材，下壁板選材為2000系列鋁合金預(yù)拉伸板材;零件外表面為機翼理論外形，內(nèi)表面為變厚度多槽腔結(jié)構(gòu)。一般的加工流程為先展開數(shù)控銑切加工，然后噴丸成型，屬典型的薄殼、平面類零件。該類型零件外廓尺寸大、材料利用率低。數(shù)控加工首要解決的問題是加工變形控制，其次是加工效率。因此，采用高速加工技術(shù)是此類零件銑切加工的最佳解決方案。

如某型號飛機機翼后上壁板，原材料為7055-T7751鋁合金板材，毛料厚度21mm，零件輪廓13000mm×2500mm×18mm，材料利用率7.8%。零件外形面局部有下陷，內(nèi)形面多處腹板下陷和窗口，腹板厚度最小2mm，材料去除量集中在內(nèi)形面，形成非對稱加工格局，加工變形大，易產(chǎn)生翹曲甚至卷曲變形。加工使用機床最高轉(zhuǎn)速10000r/min，使用R63的大直徑密齒鑲齒刀具，實際使用8000r/min的中高轉(zhuǎn)速切削內(nèi)外表面和腹板下陷，切削線速度達到了1582m/min，大大提高了材料的去除效率，同時控制了變形，滿足了后續(xù)噴丸工序的要求。

(2)飛機機翼大梁高效切削技術(shù)應(yīng)用。機翼整體大梁一般選擇7+00系列鋁合金預(yù)拉伸板材，零件上、下兩側(cè)為機翼理論外形，一面為梁基準(zhǔn)面。另一面為多槽腔結(jié)構(gòu)，腹板多處裝配定位孔，屬典型的支架、變斜角類零件。該類零件一般為長條形、深槽腔結(jié)構(gòu)，外廓尺寸大，材料利用率低，數(shù)控加工的難點包括加工變形控制、轉(zhuǎn)角表面質(zhì)量控制和加工效率等，因此，高速加工技術(shù)仍是最佳的解決方案。

如某飛機的中后梁零件，材料為7050-T7651鋁合金預(yù)拉伸板材，毛料厚度100mm，零件外廓尺寸8800mm×760mm×92mm，材料利用率3%。該零件為典型的單面結(jié)構(gòu)，一面基準(zhǔn)平面，另一面包括上下兩側(cè)機翼理論外形、槽腔、下陷和裝配定為孔;腹板和緣板厚度尺寸為2-6mm，腹板厚度和理論外形公差均為+0.13/-0.08 mm，零件平面度全長范圍要求懸掛狀態(tài)下5mm。該零件的高效銑削方案如下。 

①一塊毛坯套裁粗加工兩件，節(jié)約材料和輔助準(zhǔn)備時間;

②槽腔深，刀具懸伸大，選用9600r/min的中高轉(zhuǎn)速和R40的大直徑刀具，加工線速度達1205m/min;

③采用分層對稱去余量法，有效控制加工變形和縮短加工流程;

④采用了五坐標(biāo)插銑技術(shù)加工深槽腔轉(zhuǎn)角，保證深槽腔小轉(zhuǎn)角的加工質(zhì)量。

(3)大飛機起落架零件數(shù)控加工應(yīng)用。大型飛機起落架零件大多采用鈦合金或超高強度鋼鍛件毛坯，如B777的主起落架載重梁采用Ti-10V-2Fe-3Al合金鍛件，重3175kg，投影面積1.23m2;B747主起落架梁采用Ti-6Al-4V合金鍛件，重1290kg，投影面積4m2，長6m，是迄今為止最長的鈦合金鍛件。

由于起落架零件材料的比強度高、彈性模量小、熱導(dǎo)率低，采用鍛件毛坯進行切削加工的方式，切削性差。在零件幾何結(jié)構(gòu)方面，起落架零件的內(nèi)外圓表面、凸臺、孔等均需要進行數(shù)控加工，且?guī)缀魏托挝痪纫蟾?，對?shù)控機床精度、剛性的要求以及對刀具的要求都非常高，同時要求在一臺數(shù)控機床上可實現(xiàn)多功能的復(fù)合加工，如車、銑、鉆、鏜等多種切削加工，以達到一次裝夾完成全部加工的目的。此外，采用車銑方式加工回轉(zhuǎn)表面，還可獲得變單刀連續(xù)車削為多刀非連續(xù)銑削，從而降低切削力，改善刀具散熱條件，減小刀具磨損。因此，高剛性多功能的復(fù)合加工數(shù)控技術(shù)及裝備、新型涂層刀具材料及刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計已成為起落架零件切削加工的重要關(guān)注點。

4 目前存在的問題

(1)高速數(shù)控設(shè)備少，零件生產(chǎn)批量小，大型結(jié)構(gòu)件制造的專業(yè)化程度低，加工效率低。(2)高效高速加工制造工藝的基礎(chǔ)技術(shù)比較薄弱，制造流程繁瑣，周期長。

(3)幾何尺寸檢測的理念落后，沒有與數(shù)字化定義、控制有機結(jié)合，輔助時間長。

5 結(jié)束語

近年來，高速加工技術(shù)在航空零件的研制生產(chǎn)中發(fā)揮了越來越重要的作用。隨著應(yīng)用范圍的不斷推廣，數(shù)控高效加工在技術(shù)和管理等方面仍需不斷地發(fā)展完善，以滿足快速發(fā)展的航空制造要求。

參考文獻

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