高速加工技术在大飞机零件加工中的应用

高速加工技术在大飞机零件加工中的应用

周健柴佳奇

（辽宁瀚海工业机电设备有限公司辽宁抚顺110027）

摘要：高速数控铣削加工技术主要以高性能数控机床及先进刀具为基础，以此为飞机零件结构件中的铝合金零件提供了高效、高质的数控切削加工方案。而且，高速加工技术已经成为了航空数控加工的一大主要发展方向，并开始从航空制造向其他制造领域推广并加以应用。据此，本文主要对高速加工技术在大飞机零件加工中的应用进行了详细分析。

关键词：高速加工技术；大飞机；零件加工；应用

一、高速切削加工的优点

（一）效率高

在当前技术条件下，国外一般认为，HSC切削速度是普通切削速度的5-10倍，钻削加工，一般认为，是普通钻削速度的2-5倍。当工件或刀具直径相同时，HSC机床主轴的最高转速便同样是普通机床的5-10倍。机床沿坐标轴直线进给的速度，与vc或n、进给量f以及刀齿Z有关，在其它参数不变的前提下，HSC加工直线进给的速度将随着切削速度或主轴转速同步提高。刀具相对于曲率半径为R的工件作轨迹运动，轨迹进给速度比普通加工进给速度提高4-9倍。可以降低切除单位体积材料的能耗，使单位功率的材料切除率提高大约30%-40%。

（二）质量好

提高切削速度，提高进给速度而缩小走刀行距，可以直接提高工件尺寸和形状精度、降低表面粗糙度。HSC切削力大约可下降30%，有利于提高薄壁工件这类刚性差的工件的加工精度。由于切削热量主要被切屑带走，HSC加工中工件温度上升和热变形很小，同样利于提高加工精度。高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削温度被切屑带离工件，工件积聚热量极少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形，因而高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属，高速切削加工具有重要意义，切削速度或主轴转速高，使切削过程的激振频率很高而远离工艺系统的固有频率，减小了发生共振和切削自激振动的可能性，有利于提高被加工表面质量。

（三）经济性良好

HSC机床及其它工艺装备价格昂贵，投资显著增大。为降低加工成本，需要将计算机辅助设计/制造技术一体化集成应用，使新产品的开发、设计周期与制造周期大大缩短，后者包括生产准备、零件的机械加工、后续精整加工和装配等。通过这一途径，新产品的开发制造全周期甚至可以缩短40%。HSC加工可以突破传统切削加工的禁区，例如切削薄壁机身可降低民航机自重与耗油量。

（四）扩大了加工范围

采用HSC能够硬切削淬硬钢工件及高效地切削多种难加工材料如钛合金、镍基合金等。由于工件基本不发热，还可以加工低熔点的镁合金材料。HSC加工精度可与磨削媲美，工件表面质量好，不会出现磨削时容易产生的烧伤、裂纹等，也没有电火花加工时不可避免而产生的表面变质现象，并且没有磨削泥，对环境污染小。

（五）简化了加工工艺流程

常规铣加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速铣可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除人工光整加工。

二、大飞机结构件类型

（一）按飞机零件结构特点和用途分类

1、薄壳零件

主要包括机身、机翼、尾翼的蒙皮、壁板和整流罩，其外形涵盖了单曲率、双曲率和异号曲率等复杂曲面，可以是开敞结构或封闭结构。其中，蒙皮、壁板又分为机翼蒙皮壁板、垂尾蒙皮壁板和机身蒙皮壁板三类。

2、骨架零件

主要包括机身的隔框、梁和长橼条；机翼的大梁、支板和橼条、翼肋、分离面的接头和型材；座舱盖零件等。其中，隔框可分标准隔框和受力隔框等，梁可分整体梁和铆接梁等。

（二）按零件的数控加工特征分类

1、平面类零件

加工面平行、垂直于水平面或其加工面与水平面的夹角为定角度的零件。其特点是各加工单元面是平面或可以展开成为平面，三坐标数控铣床就可以满足加工要求。

2、变斜角类零件

加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件，如飞机上的整体粱、框、缘条与肋等。特点是在加工中，加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线，采用四坐标和五坐标数控机床摆角加工即可，也可采用三坐标数控铣床进行行切加工。

3、曲面类零件

加工面为空间曲面的零件，特点是各加工面不能展开为平面，且加工面与铣刀始终为点接触，采用三坐标或五坐标数控铣床进行加工取决于曲面在空闻的位置。

三、目前存在的主要问题

1、高速数控设备少，零件生产批量小，大型结构件制造的专业化程度低，加工效率低。

2、高效高速加工制造工艺的基础技术比较薄弱，制造流程繁琐，周期长。

3、几何尺寸检测的理念落后，没有与数字化定义、控制有机结合，辅助时间长。

四、高速加工技术在大飞机零件加工中的应用

（一）典型飞机结构件的数控加工策略

为减少辅助时间，尽量在相同定位下采用同一把刀具，尽可能多地连续加工，以减少重复定位次数、换刀次数或改变夹紧次数。在同一次装夹中进行的多个加工内容，应先安排对工件刚性破坏较小的加工内容，以保持后续加工有足够的刚性。先进行内形内腔加工，后进行外形加工。一般情况下，半精加工或精加工前应首先安排精铣立筋、缘板高度的加工内容，防止由于立筋，缘板壁薄，加工中产生让刀、带刀、颤动等现象。

（二）典型构件高效切削技术应用

1、机翼整体壁板

机翼整体壁板分为上壁板和下璧板，上壁板选材为7000系列铝合金预拉伸板材，下壁板选材为2000系列铝合金预拉伸板材。零件外表面为机翼理论外形，内表面为变厚度多槽腔结构。一般的加工流程：先展开数控铣切加工，然后喷丸成型，属典型的薄壳、平面类零件。该类型零件外廓尺寸大、材料利用率低。数控加工首要解决的问题是加工变形控制，其次是加工效率。因此，采用高速加工技术是此类零件铣切加工的最佳解决方案。

2、飞机机翼大梁

机翼整体大粱一般选择7＋00系列铝合金预拉伸板材，零件上、下两侧为机翼理论外形，一面为梁基准面。另一面为多槽腔结构，腹板多处装配定位孔，属典型的支架、变斜角类零件。该类零件一般为长条形、深槽腔结构，外廓尺寸大，材料利用率低，数控加工的难点包括加工变形控制、转角表面质量控制和加工效率等，因此，高速加工技术仍是最佳的解决方案。

3、大飞机起落架零件数控加工

大型飞机起落架零件大多采用钛合金或超高强度钢锻件毛坯。由于起落架零件材料的比强度高、弹性模量小、热导率低，采用锻件毛坯进行切削加工的方式，切削性差。在零件几何结构方面，起落架零件的内外圆表面、凸台、孔等均需要进行数控加工，且几何和形位精度要求高，对数控机床精度、刚性的要求以及对刀具的要求都非常高，同时要求在一台数控机床上可实现多功能的复合加工，如车、铣、钻、镗等多种切削加工，以达到一次装夹完成全部加工的目的。此外，采用车铣方式加工回转表面，还可获得变单刀连续车削为多刀非连续铣削，从而降低切削力，改善刀具散热条件，减小刀具磨损。因此，高刚性多功能的复合加工数控技术及装备、新型涂层刀具材料及刀具结构设计已成为起落架零件切削加工的重要关注点。

结语

综上所述，高速加工技术在航空零件的研制生产中，发挥着非常关键的作用。随着应用范围不断扩大，数控高效加工在技术与管理上，依旧需要不断发展和完善，从而才能够进一步满足快速发展的打飞机零件加工要求。

参考文献

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