大型航空結(jié)構(gòu)件

1、大型航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加數(shù)控加工作為一種高效、 精密的數(shù)字化切削加工技術(shù)， 成為飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件 機(jī)械加工的主要手段， 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件 50%以上的加工工作量由數(shù)控加工完成。 而隨 著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)性能不斷提升，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件日趨大型化、復(fù)雜化， 對(duì)相應(yīng)的數(shù)控加工裝備及數(shù)控加工技術(shù)提出了更為苛刻的要求。新結(jié)構(gòu)、新材料其結(jié)構(gòu)件呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)大型 組裝模式，采用大型整體結(jié)構(gòu)件可大 并有效減輕飛機(jī)整機(jī)重量， 提高零件強(qiáng) 如 F -22 戰(zhàn)機(jī)后機(jī)身整體框毛坯尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體骨架和氣動(dòng)外形的主要組成部分， 隨著現(xiàn)代飛機(jī) 為滿(mǎn)足隱身、超聲速巡航、超常規(guī)機(jī)動(dòng)、高信息感知能力、長(zhǎng)壽命、結(jié)構(gòu)輕量化 等方面的

2、性能要求大量地采用新技術(shù)、 化的特點(diǎn)： 相對(duì)于以往的小型結(jié)構(gòu)件焊接、 量減少結(jié)構(gòu)件零件數(shù)量和裝配焊接工序， 度和可靠性， 使飛機(jī)的制造質(zhì)量顯著提高，達(dá)到 4000mmX 2000mm。隨著材料技術(shù)、 制造技術(shù)的發(fā)展以及飛機(jī)性能和結(jié)構(gòu)的需要， 在國(guó)內(nèi)外先進(jìn) 主力戰(zhàn)斗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 為滿(mǎn)足飛機(jī)輕量化、 長(zhǎng)壽命、易維護(hù)等需求， 機(jī)體零 件結(jié)構(gòu)向整體化、 薄壁化、 結(jié)構(gòu)承載與功能綜合化等方向發(fā)展， 因此越來(lái)越多地 采用了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 其典型的代表就是整體框結(jié)構(gòu)， 將以前需要數(shù)個(gè)框段通過(guò) 機(jī)械連接而成的框改為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)的大框， 這樣可以大幅減少零件數(shù)量， 增加 強(qiáng)度，減輕結(jié)構(gòu)重量。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)

3、備精良，工藝技術(shù)先進(jìn)，并針對(duì)飛機(jī)大 型整體結(jié)構(gòu)零件的特點(diǎn)進(jìn)行了大量的工藝技術(shù)研究。 另外，通過(guò)對(duì)難加工材料的 加工工藝方法進(jìn)行研究，也大大提高了以鈦合金為代表的難加工材料的加工效 率。但我國(guó)大型飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工仍然處于起步階段， 加工效率及質(zhì)量 方面都還明顯落后于發(fā)達(dá)國(guó)家， 這已成為制約整個(gè)飛機(jī)研制和生產(chǎn)的“瓶頸” 之一。航空結(jié)構(gòu)件的上述發(fā)展趨勢(shì)決定了其工藝特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 加工難度大 零件外形涉及機(jī)身外形、 機(jī)翼外形及翼身融合區(qū)外形等復(fù)雜理論外形， 且需與多 個(gè)零件進(jìn)行套合；切削加工量大材料去除率達(dá)到 90% 以上，部分零件甚至 達(dá)到 98%；加工精度高裝配協(xié)調(diào)面、交點(diǎn)孔等數(shù)量多，

4、零件制造精度要求 高；難加工材料比例大以鈦合金、 復(fù)合材料為代表的難加工材料比重越來(lái)越 大，對(duì)航空制造業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。大型整體鈦合金框的生產(chǎn)方式由于大型鈦合金結(jié)構(gòu)毛坯鍛造難度極大， 需要超大型專(zhuān)用鍛造設(shè)備， 目前我 國(guó)還沒(méi)有此類(lèi)鍛造設(shè)備， 暫時(shí)不能滿(mǎn)足鈦合金框整體毛坯的鍛造， 只能采用分段 鍛件加工后焊接的方式。 目前大型鈦合金框的研制大體有 2 種方案可供選擇： 分 段精加工焊接補(bǔ)充加工焊接接頭部位；分段粗加工焊接整體數(shù)控精加 工。俄羅斯Su-27的42框是鈦合金整體框，其基本工藝方法采用了第一種方案， 這樣生產(chǎn)效率高， 但對(duì)焊接精度要求高。 第二種方式適合更大更復(fù)雜并且焊縫多、 焊接變

5、形情況復(fù)雜的框， 整框最終精度由數(shù)控加工來(lái)保證， 這種方式的弊端就是 造成焊后數(shù)控加工只能在一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行，加工周期長(zhǎng)，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)大。大型整體鈦合金框的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工工藝性大型整體鈦合金框的投影面積可達(dá) 45m2，通常為雙面加筋的加強(qiáng)框，外形為符合蒙皮走向的變斜角， 每面有數(shù)十個(gè)槽腔結(jié)構(gòu)， 腹板較薄， 有復(fù)雜的加強(qiáng) 筋?？虻膬蓚?cè)通常具有與機(jī)翼連接的耳片結(jié)構(gòu)。 框中間通常有 2 個(gè)較大圓形開(kāi)口， 其邊緣為變斜角， 符合發(fā)動(dòng)機(jī)的外形。此類(lèi)框還具有飛機(jī)結(jié)構(gòu)件輕質(zhì)、 薄壁、 深 槽、變斜角外形、高精度等通用特點(diǎn)。總之，此類(lèi)框不但為難切削材料，而且焊 縫多，焊接變形及焊縫收縮量復(fù)雜，尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度

6、要求高，切除率超 過(guò) 90%，這些特點(diǎn)決定了此類(lèi)框必須用大型五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床加工， 數(shù)控加工難度 和強(qiáng)度均很大。數(shù)控加工裝備發(fā)展方向隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展， 一方面， 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件尺寸越來(lái)越大， 結(jié)構(gòu)越來(lái)越 復(fù)雜；加工精度越來(lái)越高；另一方面，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中難加工材料比例越來(lái)越高， 使得加工效率逐步成為制約飛機(jī)研制和批量生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。 為適應(yīng)航空結(jié)構(gòu)件 的高效、高精度數(shù)控加工要求，高速、高精、智能、復(fù)合、環(huán)保等特點(diǎn)成為了實(shí) 現(xiàn)現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工裝備的主要發(fā)展方向。1高速加工是實(shí)現(xiàn)高效加工的主要途徑2航空數(shù)控裝備逐步精密化3航空數(shù)控裝備的智能化、柔性化加工技術(shù)的新發(fā)展大型航空結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工， 關(guān)

7、鍵在于質(zhì)量和效率。 而制約數(shù)控加工質(zhì)量和 效率的主要因素， 一方面在于機(jī)床硬件條件， 而更為重要的還在于支撐高效數(shù)控 加工的相關(guān)使能技術(shù)，如刀具技術(shù)、工裝技術(shù)、工藝設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)等。1刀具技術(shù)的發(fā)展2工裝技術(shù)的發(fā)展3工藝設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)振動(dòng)切削是在刀具 （工具） 或工件上附加一個(gè)或多個(gè)不同方向的低頻、 中頻 或超聲振動(dòng)， 使傳統(tǒng)封閉切削區(qū)加工變成切削區(qū)周期性打開(kāi)的間斷、 瞬間、 往復(fù) 的斷續(xù)切削過(guò)程。 與普通切削相比， 振動(dòng)切削具有切削力小、 切削熱低、 工件表 面質(zhì)量顯著提高等優(yōu)點(diǎn)，目前在鉆孔、攻絲、銑削、車(chē)削、磨削等領(lǐng)域都有了廣 泛的應(yīng)用， 是機(jī)械加工的一個(gè)重要發(fā)展方向。 國(guó)外應(yīng)用較為成功的

8、蜂窩芯超聲切 割，其切割力小，切割精度高，切割邊緣平滑，無(wú)破損碎屑，可很好地解決蜂窩 芯薄邊加工技術(shù)難題。 另外，綠色制造作為一種綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的 先進(jìn)制造模式， 已逐步成為制造業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。 目前， 國(guó)內(nèi)部分航空企業(yè)正努 力通過(guò)高速加工技術(shù)、 微量潤(rùn)滑技術(shù)、 成組加工技術(shù)等各種途徑， 逐步向綠色制 造邁進(jìn)。數(shù)控編程與模擬仿真技術(shù)1整體框的數(shù)控編程 在鈦合金整體框的數(shù)控編程中， 應(yīng)將工藝規(guī)程所制定的加工方案充分體現(xiàn)在 程序中 ,包括切削部位、方式和參數(shù)，刀位軌跡規(guī)劃、刀具選擇、余量設(shè)置、加工軸數(shù)和程序名稱(chēng)， 另外還需注意以下事項(xiàng)。（1）最好料外下刀，沒(méi)有條件應(yīng)該先鉆下刀孔，不要螺

9、旋下刀或斜線(xiàn)下刀。（2）嚴(yán)格按工藝規(guī)程設(shè)置分層，不能某一刀的切除量突然很大。（3）槽腔的加工側(cè)面和底面要分開(kāi)加工。（4）NC程序必須在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬切削，必須首先確保刀具軌跡的正 確。仿真只是幾何學(xué)方面的仿真，物理學(xué)方面的問(wèn)題很難被發(fā)現(xiàn)，所以要注意仿 真不能解決所有問(wèn)題，加工時(shí)還要認(rèn)真觀察。（5）應(yīng)劃分粗精加工階段，雙面對(duì)稱(chēng)去余量，分層去余量，控制變形。2.數(shù)控程序的模擬仿真驗(yàn)證大型整體框的數(shù)控加工程序通?？蛇_(dá)數(shù)百條，也無(wú)巨大的毛坯可提供試切。在無(wú)法試切的情況下，要確保一次加工合格，這對(duì)數(shù)控程序的要求非常高， 所 以，必須采取有效手段花大量時(shí)間在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬切削，檢驗(yàn)程序，確保程序正確。

10、（1）程序在CAM環(huán)境中進(jìn)行單步回放檢查，檢查刀位軌跡的邊界、切削 深度。（2） 在加工仿真軟件中建立毛坯模型，建立加工坐標(biāo)系，將所有CLS刀位 文件裝載進(jìn)來(lái)，進(jìn)行模擬仿真加工。（3）檢查加工模型的所有尺寸，如有超差，立即終止程序，修改后再查。（4）將設(shè)計(jì)模型調(diào)入加工仿真軟件，與加工后的模型與理論模型進(jìn)行比較 檢查，見(jiàn)圖1為比較后得到的未切除的殘留量的模型。圖1比較檢查后得到的殘留量模型（5）進(jìn)行比較檢查后，得到切傷部位模型，見(jiàn)圖 2，要仔細(xì)測(cè)量過(guò)切尺寸, 檢查切傷是否在公差范圍內(nèi)。圖2 比較檢查后得到的切傷部位模型（6）利用仿真軟件生成的檢查報(bào)告，認(rèn)真檢查每一個(gè)產(chǎn)生誤差的程序段。（7）發(fā)現(xiàn)程序有問(wèn)題立即修改，修改后輸出刀位文件，重新再進(jìn)行仿真檢 查， 直到所有問(wèn)題解決。（ 8）最好能進(jìn)行 G 代碼程序仿真。結(jié)束語(yǔ)大型鈦合金