飛機(jī)復(fù)雜零件的加工與質(zhì)量控制研究

高 薇

（中建材（上海）航空技術(shù)有限公司，上海 200125）

0.引言

我國在21 世紀(jì)初期，航空工業(yè)逐漸發(fā)展起來，通過高速數(shù)控等加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代飛機(jī)的大規(guī)模整體結(jié)構(gòu)制造，部分復(fù)雜零件通過有效的加工方案能夠提高加工質(zhì)量和效率。針對當(dāng)前飛機(jī)制造業(yè)的航空產(chǎn)品越來越趨向于個性化發(fā)展，本文則介紹了其中相對復(fù)雜的零件制造工藝與質(zhì)量控制方法，一是有利于對飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，二是能夠推動我國航空事業(yè)的不斷發(fā)展。

1.飛機(jī)復(fù)雜零件所存在的特點(diǎn)

1.1 加工質(zhì)量難以控制

飛機(jī)復(fù)雜零件往往是指飛機(jī)零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其對質(zhì)量要求極高，并且在同一種零件加工過程中，可能會使用到不同種類的制造工藝，使得工序極其煩瑣，也對加工過程質(zhì)量控制工作產(chǎn)生了極大的挑戰(zhàn)。尤其是在零件單個的工序控制工作之中，對特定環(huán)節(jié)的質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)以及控制標(biāo)準(zhǔn)要求不同，使得工作人員必須要在復(fù)雜的工序之中梳理出一套高效的檢測辦法，要點(diǎn)較多，很容易出現(xiàn)遺漏，加大了質(zhì)量控制過程的難度。

1.2 制造時誤差性較高

飛機(jī)零件與其整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量有著較大的關(guān)聯(lián)，如一環(huán)零件出現(xiàn)問題，則可能造成整體飛機(jī)質(zhì)量不佳，從而產(chǎn)生安全隱患。而這也充分凸顯出了在加工過程中必須要提高零件的精準(zhǔn)度，而往往復(fù)雜零件質(zhì)量控制工作難度較大，很容易在生產(chǎn)加工過程中出現(xiàn)誤差現(xiàn)象。其主要原因，還是因?yàn)榧庸すば蛭蓙y或者檢測順序未能按照既定要求所導(dǎo)致。誤差性較大具體表現(xiàn)在，尺寸出現(xiàn)誤差以及制造出現(xiàn)誤差，在加工過程中需要對零件的誤差源加以追溯。

1.3 整體結(jié)構(gòu)尺寸較大

當(dāng)前復(fù)雜的飛機(jī)零件主要有以下幾種類型：第一，框架零件；第二，梁結(jié)構(gòu)零件；第三，肋部位零件；第四，壁板；第五，接頭處零件；第六，橡條。這幾種類型零件所存在的普遍特點(diǎn)就是尺寸較大，為提高飛機(jī)零件的精準(zhǔn)度和精密度，我國大部分的飛機(jī)復(fù)雜零件都采用整體加工方式，部分壁板可以達(dá)到10m 以上，許多大框架類結(jié)構(gòu)零件長度和寬度均可達(dá)到2m 以上，這對加工零件的設(shè)備要求極高，部分零件必須要使用大型數(shù)控機(jī)床才能進(jìn)行加工。

1.4 幾何形狀十分復(fù)雜

飛機(jī)復(fù)雜零件的形狀也十分復(fù)雜，其具體表現(xiàn)在幾何形狀方面。第一，在復(fù)雜零件的內(nèi)表面及外表面處，需要應(yīng)用到大量的飛機(jī)理論，存在較多的曲面幾何形狀，像雙曲面、單曲面以及變斜角曲面等。第二，部分整體式結(jié)構(gòu)的飛機(jī)零件，由大量的“槽腔”形狀所構(gòu)成，內(nèi)部的筋條需要保持兩兩相交的狀態(tài)，但為了防止零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為尖銳的內(nèi)、外角，每一相交處的圓弧過渡大小不一。尺寸大，再加上薄壁結(jié)構(gòu)，很容易出現(xiàn)加工過程中變形的情況。

2.飛機(jī)復(fù)雜零件制造加工原則

2.1 選擇適合的加工方法

飛機(jī)復(fù)雜零件的形態(tài)特征不同，所采用的加工方式也不同，當(dāng)前依照其功能特征來區(qū)分，可以將飛機(jī)的復(fù)雜零件加工類型分為三大類，分別是平面類零件、變斜角類零件以及曲面類零件。就平面類零件加工而言，主要對各加工單元的控制工作要求較為嚴(yán)格，可選擇三坐標(biāo)數(shù)控銑床進(jìn)行加工。而變斜角類零件，加工的難度要大于平面類，多用于框架結(jié)構(gòu)之中，在加工時多采用四坐標(biāo)結(jié)合無坐標(biāo)的數(shù)控機(jī)床擺角加工工藝，部分零件也可以選擇三坐標(biāo)數(shù)控銑床進(jìn)行加工。曲面類零件的加工重難點(diǎn)在于空間曲面上，其不能像平面類那樣展開各加工面，因此可選擇三坐標(biāo)銑床和五坐標(biāo)數(shù)控銑床加工工藝，具體需要根據(jù)曲面空間所在的位置選擇[1]。

2.2 保證整體結(jié)構(gòu)銜接度

飛機(jī)復(fù)雜零件的尺寸較大，其對于整體結(jié)構(gòu)的銜接性以及精準(zhǔn)度要求極高，在加工時部分零件由于會使用到整塊的鋁合金板，因此，在加工方法上多會采用內(nèi)掏空的辦法，使得材料的切除率也逐步提升。據(jù)資料表明，在加工此類復(fù)雜的飛機(jī)零件時，其切除率可達(dá)到90%以上。由于這種零件在一架飛機(jī)之中，可能會出現(xiàn)上千個，因此對于各個零件的銜接度要求較高，工作人員必須要選擇高速、高效、高匹配度的方法開展，從而保證整體生產(chǎn)任務(wù)。在零件加工的過程中，部分零件還具有裝配連接的接頭功能，因此，在加工過程中要保證帶空間角度的定位裝配孔與叉耳槽一致，提高對接頭加工的精準(zhǔn)度，部分零件需要一次裝夾，從而實(shí)現(xiàn)多工序的精準(zhǔn)加工。

3.飛機(jī)復(fù)雜零件加工過程分析

3.1 基本流程

復(fù)雜飛機(jī)零件的加工基本流程可分為三大板塊：工件準(zhǔn)備、零件裝夾、工件加工。在工件準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，需要準(zhǔn)備好原材料或是輸入工件，裝夾環(huán)節(jié)是飛機(jī)復(fù)雜零件加工的基礎(chǔ)，該環(huán)節(jié)主要是起到了正確定位的作用，能夠?yàn)轱w機(jī)零件的加工過程做一個保障，所采用的夾具必須是特制專用夾具。在實(shí)際加工過程中，工序極為復(fù)雜，并且影響零件加工質(zhì)量的過程變量以及中間或最終質(zhì)量特征變量較多。如該零件的加工工序較多，則可根據(jù)實(shí)際情況將工序進(jìn)行并聯(lián)。其加工工序基本流程如下：工序流程（加工者或機(jī)械，在特定位置之中進(jìn)行加工）、安裝環(huán)節(jié)（安裝裝夾以完成加工內(nèi)容）、工步部分（零件表面以及需加工刀具不改變工序內(nèi)容）、工位環(huán)節(jié)、走刀部分（在既定工步之內(nèi)的每一次切削作業(yè)）[2]。

3.2 加工方案

3.2.1 加工方式確定

首先，在加工以前要加大對零件特點(diǎn)的分析，包括零件的毛料以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。在加工方式的確定上，則要選擇相匹配的設(shè)備設(shè)施。我國當(dāng)前常用的是高速加工技術(shù)，主要采用數(shù)控設(shè)備，這樣可以提高加工零件的精準(zhǔn)度。在確定好機(jī)床以及以后，則要對加工步驟進(jìn)行規(guī)劃，例如，某零件采用三坐標(biāo)機(jī)床開零件兩側(cè)壓板槽，加工零件可采用兩面粗精加工方式，在進(jìn)行第一面加工時，由于其尺寸較大，可先對外形的一半高度進(jìn)行加工，將可以加工的部位加工到位。第二面加工則要對剩余部分和內(nèi)形、腹板地面實(shí)施，并要根據(jù)精準(zhǔn)度適時調(diào)整加工程序。

3.2.2 切削參數(shù)確定

明確好上述內(nèi)容后，則要對零件材料切削的參數(shù)加以確定，在此環(huán)節(jié)要注意，不同的機(jī)床、刀具、被加工材料以及加工方式所使用的切削參數(shù)不同，因此要結(jié)合實(shí)際情況定奪。而在粗精加工之中的粗加工環(huán)節(jié)，目的是根據(jù)零件實(shí)際需求，將原材料的大部分余料去除，在此種情況之下，所選擇的切削數(shù)值要盡量選擇最大值，從而為后期的加工步驟提供方便。而在進(jìn)行精加工時，則要對零件的形狀、尺寸進(jìn)行細(xì)修。因此，切削參數(shù)的設(shè)定要貼合設(shè)計(jì)參數(shù)，保證其精準(zhǔn)性，在此過程中可以進(jìn)行多次切削實(shí)驗(yàn)，從而確定加工過程中所存在的影響因素，將切削參數(shù)調(diào)整精準(zhǔn)。

3.2.3 裝夾方式確定

在裝夾方式的選擇上，具體要根據(jù)實(shí)際的加工方案確定，在本文加工案例之中的零件采用了兩面粗精加工的方式，因此，在確定裝夾方式時，則需要在第一面以及第二面加工過程中進(jìn)行分別裝夾。在第一面裝夾時，根據(jù)實(shí)際加工所需毛坯數(shù)量，將其同時放置在工作臺上進(jìn)行操作，在確定裝夾位置的同時，根據(jù)生產(chǎn)以及物料的實(shí)際需求，可選擇不同加工位置裝夾同一零件，也可選擇裝夾不同零件。在進(jìn)行第二面的裝夾時仍要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要選擇，可采用組合的方式開展，如螺釘輔助壓緊以及真空吸附相結(jié)合的裝夾方式等[3]。

3.2.4 裝夾安排工作

在安排時，由于飛機(jī)復(fù)雜零件加工的特殊性，要盡量秉持效率最大化的生產(chǎn)原則。根據(jù)毛坯以及實(shí)際加工設(shè)備情況可以考慮不同的零件同時生產(chǎn)與加工。例如，有多個不同的梁間類型零件需要加工時，在進(jìn)行第一面的粗精加工時，工作人員則可接著準(zhǔn)備第二面的精粗加工所需要的裝夾內(nèi)容，這樣當(dāng)完成了第一面的工作之后，第二面的準(zhǔn)備工作也就位，便可立馬開始接下來的作業(yè)環(huán)節(jié)，保證一環(huán)扣一環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的最大化。

3.3 加工效果

依據(jù)上述決策及加工步驟方法，經(jīng)結(jié)果表明，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)復(fù)雜零件的批量生產(chǎn)，并且通過零件第一面加工完直接轉(zhuǎn)向第二面加工連貫式作業(yè)的方式，能夠進(jìn)一步減少飛機(jī)復(fù)雜零件的半成品加工數(shù)量，實(shí)現(xiàn)真正意義上的縮短零件加工工期。同樣在物料狀況以及生產(chǎn)周期條件允許的狀態(tài)之下，通過合理安排加工工序的方式，能夠解決過去部分飛機(jī)復(fù)雜零件加工過程中所出現(xiàn)的機(jī)床停滯問題，工作人員無需再等待零件裝夾的時間，便可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)床設(shè)備的效益最大化，充分利用了生產(chǎn)加工資源[4]。

4.飛機(jī)復(fù)雜零件加工質(zhì)量控制

4.1 核心控制技術(shù)

在質(zhì)量控制方面，主要需減少加工過程中飛機(jī)復(fù)雜零件所產(chǎn)生的誤差，這種誤差會以傳遞的方式，影響到零件的后期使用，并且不同工序之間由于加工部位和內(nèi)容不同，所產(chǎn)生的誤差以及傳遞效果也有著較強(qiáng)的差異性，其均會為后續(xù)的加工作業(yè)帶來影響，雖部分在表面質(zhì)量上不會出現(xiàn)問題，但為避免造成生產(chǎn)加工資源的浪費(fèi)，提高加工零件的實(shí)效性，則要利用評估加控制的方式對其關(guān)鍵作業(yè)點(diǎn)予以把控。在控制時，首先要以設(shè)計(jì)要求以及加工需求為主線，為整體過程精準(zhǔn)度以及質(zhì)量控制做一參考，從而保證后期生產(chǎn)過程的高精度，降低生產(chǎn)加工成本。

4.2 發(fā)展高速數(shù)控

基于飛機(jī)復(fù)雜零件的加工實(shí)際需求，為能夠進(jìn)一步提高其加工質(zhì)量，建議發(fā)展超高速的數(shù)控加工技術(shù)，這樣在生產(chǎn)的過程中，便可實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化功能的靈活運(yùn)用，從而取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力的最大化。當(dāng)前國際上許多發(fā)達(dá)國家都開始采用了超高速的五軸數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)復(fù)雜零件的加工，其不僅主軸的轉(zhuǎn)速極高，在坐標(biāo)的削進(jìn)速度上也極快，對于整體結(jié)構(gòu)的大面積原材料加工而言，其材料的切除率可以維持在7000cm3/min～8000cm3/min。據(jù)資料表明，采用此種加工方法的生產(chǎn)效率，能夠在高速加工生產(chǎn)作業(yè)的基礎(chǔ)速度之上提高一倍左右，雖這一類的機(jī)床價格較高，投入資金較多，但就加工質(zhì)量控制以及未來國際市場主流的航空制造技術(shù)來看，此種設(shè)備的應(yīng)用定會成為主流趨勢。

4.3 克服回?cái)[問題

當(dāng)前在我國較為先進(jìn)的飛機(jī)零件加工技術(shù)之中，通常會使用五軸高速加工法，而具體的加工方式則使用了A、C 軸擺角的辦法，但由于飛機(jī)零件的幾何形狀較為復(fù)雜，因此變斜角型面的角度值會出現(xiàn)變化不規(guī)則的狀況，從而導(dǎo)致在加工走刀環(huán)節(jié)，C 軸出現(xiàn)回?cái)[現(xiàn)象，這會進(jìn)一步損傷零件，影響實(shí)際的生產(chǎn)加工效率?；诖?，本文則提出了兩種解決控制方法，第一種采用虛擬主軸，這種主軸無法在獨(dú)立的狀態(tài)下完成A 和C 擺角的機(jī)械動作，并且中間間隔了一個高精度的轉(zhuǎn)軸頭，能夠提高擺角動作的靈活度，克服了C 軸回?cái)[的問題，A、C 的擺角同樣不會出現(xiàn)極值，能夠滿足飛機(jī)復(fù)雜零件高精度、高效率加工的需求。第二種則是采用三軸銑頭，常見的五軸機(jī)床基本都是兩個旋轉(zhuǎn)軸，采用三軸銑頭可實(shí)現(xiàn)各個構(gòu)成擺角的聯(lián)動，對于加工而言，能夠產(chǎn)生最佳的運(yùn)動方式，從而解決C 軸回?cái)[和A、C 極值問題。

4.4 做好平衡監(jiān)測

在實(shí)際加工的過程中主軸的運(yùn)動對加工質(zhì)量和加工設(shè)備的影響較大，因此，為能夠保證在機(jī)械加工過程中仍可以保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)主軸的動平衡，則要采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)軸動監(jiān)控功能。此項(xiàng)技術(shù)主要是為了避免在加工過程中由于設(shè)備因素對加工零件質(zhì)量所造成的影響，并且電動主軸十分容易損壞，通過這種方式還可以進(jìn)一步延長加工設(shè)備的壽命，減少投資成本。其安設(shè)的原理是，在高速數(shù)控機(jī)床之上，利用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)對電動主軸的動平衡情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，假如動平衡的指標(biāo)超過了既定指標(biāo)，則會立刻向工作人員發(fā)出警報(bào)，停止危險(xiǎn)作業(yè)，對相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行調(diào)試能夠減少設(shè)備對飛機(jī)加工制造過程的影響。

5.結(jié)語

基于復(fù)雜飛機(jī)零件的基本特點(diǎn)，對加工工藝要求極高，且質(zhì)量極難控制。相關(guān)技術(shù)人員在進(jìn)行加工的過程中，在滿足設(shè)計(jì)要求的基本條件之下，要高度重視加工工序流程，加大對單個加工環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控，明確飛機(jī)零件的基本特點(diǎn)，選用適合的加工方案，從而進(jìn)一步提高飛機(jī)零件的精度，推動我國航空制造業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)從制造大國走向制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)。