航空結(jié)構(gòu)件的特點及工藝性分析航空結(jié)構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、難加工性導(dǎo)致其加工精度難以保證，為滿足新一代飛機結(jié)構(gòu)件的精度要求。需要對數(shù)控加工過程中影響航空結(jié)構(gòu)件加工精度的各種因素進(jìn)行深入分析。

　　航空結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點航空結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機骨架和氣動外形的重要組成部分，隨著飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計水平的提高以及數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展。航空結(jié)構(gòu)件呈現(xiàn)出以下的特點：

　　(1)尺寸較大：相對于傳統(tǒng)小型結(jié)構(gòu)件的組裝模式，目前的結(jié)構(gòu)件大量采用整體框、梁等結(jié)構(gòu)，使得零件外形尺寸較大，其中梁類零件長度在通常在1m～12m之間，框類零件輪廓尺寸最大可達(dá)4m2.5m。

　　(2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜：以整體、單件的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的組裝、多件的結(jié)構(gòu)模式，導(dǎo)致零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜：零件大量采用雙面薄壁、多加強筋、多轉(zhuǎn)角、深槽腔以及鼓包、交點孔等結(jié)構(gòu)。

　　(3)精度要求高：為滿足精確裝配需要，零件氣動外形、結(jié)合叉耳、鼓包、交點孔以及關(guān)鍵部位壁厚、槽寬等特征的精度要求較高，通常公差要求需滿足0.05mm。甚至達(dá)到0.02mm。

　　(4)材料多樣性：飛機結(jié)構(gòu)件需滿足高強度、耐疲勞等特性。因此除了常用的鋁合金材料，還會包括一些高強度難加工材料，如鈦合金、不銹鋼等。

　　航空結(jié)構(gòu)零件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特點以及較高的精度要求，使零件在加工中體現(xiàn)出了作為飛機零件的工藝特點：

　　(1)易變形：由于航空結(jié)構(gòu)件存在大量薄壁結(jié)構(gòu)，是典型的弱剛性零件，受加工允許的精度范圍。

　　(2)難加工：一方面，航空結(jié)構(gòu)件采用的鈦合金、高溫合金和復(fù)合材料本身屬于難加工材料。另一方面，其復(fù)雜深腔結(jié)構(gòu)造成刀具長徑比很大，刀具剛性變差，容易產(chǎn)生顫振和變形，影響加工精度，同時由于槽腔狹窄、排屑困難，產(chǎn)生的切屑容易擠壓刀具形成二次切削，影響表面質(zhì)量。

　　影響航空結(jié)構(gòu)件加工精度的因素制約航空結(jié)構(gòu)件精確加工的因素較多，其中最主要的體現(xiàn)在機床、工藝系統(tǒng)和工藝方法等方面。

　　(1)機床精度：數(shù)控機床精度又主要體現(xiàn)在幾何精度、動態(tài)精度兩個方面。幾何精度是指機床靜態(tài)時主要部件的形狀、位置精度，包括工作臺面的平行度、坐標(biāo)之間的垂直度、擺角定位精度等；機床幾何精度僅為機床的理論精度，在機床實際使用過程中，受到機床外部環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱變形、加工過程的振動等因素影響，機床動態(tài)精度將遠(yuǎn)低于靜態(tài)精度。

　　(2)工藝系統(tǒng)：工藝系統(tǒng)由刀具系統(tǒng)、工件、夾具等要素組成，刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，刀柄夾持方式較多，刀具材料、結(jié)構(gòu)形式多樣。導(dǎo)致刀具系統(tǒng)制造的誤差積累，造成刀具軸線和機床主軸軸線不重合，從而導(dǎo)致零件過切或變形影響零件加工精度：由于航空結(jié)構(gòu)件尺寸大、壁薄。如果加工區(qū)域溫度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。會造成工件變形；大尺寸、剛性的結(jié)構(gòu)件裝夾時須考慮零件各個部位的壓緊狀態(tài)，以及夾具與機床工作臺之間采用定位銷連接，這兩個因素同樣會因誤差積累而產(chǎn)生夾具找正誤差。

　　(3)工藝方法：加工過程中的切削參數(shù)、走刀軌跡等對零件的加工精度也會構(gòu)成影響。切削參數(shù)包括切削速度、進(jìn)給量、軸向切深、徑向切寬等，不合理的切削參數(shù)往往會使切削力不穩(wěn)定、加快刀具磨損，影響零件加工精度及表面質(zhì)量；實際機床運行中拐角處進(jìn)給停頓、銑刀的切入點和切出點均會產(chǎn)生接刀痕跡，以及不合理的加工順序都會導(dǎo)致零件剛性變差從而進(jìn)一步影響表面粗糙度和精度。

提高精確制造能力的途徑

　　針對影響航空結(jié)構(gòu)件加工精度的各種因素，需要從機床、工藝系統(tǒng)、工藝方法等方面采取相應(yīng)措施以提高航空結(jié)構(gòu)件的加工精度。

機床精度控制

　　從提高機床本身結(jié)構(gòu)精度方面．可采用熱對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，使機床獲得高剛性、高精度：基于有限元的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使機床結(jié)構(gòu)剛性均勻分布、振動減?。混o壓導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌改變導(dǎo)軌的摩擦性質(zhì)，提高導(dǎo)軌精度。

　　從提高誤差監(jiān)控能力方面，針對大型航空結(jié)構(gòu)件加工周期較長的特點可采用在線檢測手段以實時監(jiān)控并補償機床的幾何精度和熱變形誤差；新一代自適應(yīng)控制系統(tǒng)，通過對機床主軸及刀具監(jiān)控。采集數(shù)據(jù)并自動判斷，再進(jìn)行實時速度調(diào)控，實現(xiàn)刀具、機床的過載保護(hù)，提高零件的加工精度。

　　從控制外部環(huán)境方面，由于熱環(huán)境對大型數(shù)控機床影響極大。其熱變形控制顯得尤為重要，采用溫控設(shè)備保持穩(wěn)定的環(huán)境溫度，能減少機床結(jié)構(gòu)熱變形，保證機床良好的工作狀態(tài)。穩(wěn)定零件的加工精度。提高工藝系統(tǒng)的剛性和精度

　　(1)提高刀具系統(tǒng)的剛性和加工精度。

　　要提高刀具的加工精度和剛性，可采取如下措施：

　　應(yīng)用高性能刀具材料：硬質(zhì)合金材料在高溫條件下能保持高的硬度、熱膨脹系數(shù)?。惶沾?、金剛石等超硬刀具材料具有更好耐熱性和耐磨性。可以顯著提高刀具的切削精度。

　　采用合理的刀具幾何結(jié)構(gòu)：針對不同的材料選用不同的刀具結(jié)構(gòu)，比如加工硬度低的鋁合金材料可選取較大前角，而對硬度高的材料(如高溫合金)，前角應(yīng)很小甚至取負(fù)值，可有效減少刀具磨損。

　　采用合理的刀柄結(jié)構(gòu)：熱縮刀柄簡化了刀柄結(jié)構(gòu)、減少了刀具系統(tǒng)累積誤差；針對懸長大于200mm的刀具，使用專用減震刀柄，可有效地增大振動衰減比。

　　(2)提高零件的裝夾穩(wěn)定性

　　針對大型航空結(jié)構(gòu)件，目前普遍采取在周邊用螺釘壓緊工藝凸臺方式裝夾，避免零件整體位移，但對于弱剛性零件，還需增強其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如大型壁板類零件采用真空吸附方式，能有效避免加工時零件振動；如蜂窩類零件采用基于摩擦學(xué)的磁力固持方式。能保證每個芯格的穩(wěn)定性。

　　為適應(yīng)新一代飛機結(jié)構(gòu)件加工需要，采用數(shù)控多點自動調(diào)節(jié)技術(shù)的柔性夾具已逐步投入應(yīng)用，該技術(shù)可實現(xiàn)不同形狀的大型結(jié)構(gòu)件在機床上的柔性、快速定位裝夾，已成為數(shù)控工裝設(shè)計制造的發(fā)展方向，特別在薄壁結(jié)構(gòu)件、大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。優(yōu)化工藝方法

　　通過改進(jìn)加工工藝方法，也可以減少零件變形、增加加工區(qū)域的剛性。

　　(1)優(yōu)先采取高速加工方案：鋁合金切速大于1 200m／min、鈦合金切速大于100 m，min的高速方案能顯著減小切削力。減少零件變形，提高零件表面質(zhì)量。

　　(2)應(yīng)用物理仿真技術(shù)：通過對機床、刀具和工件的穩(wěn)定域分析。實現(xiàn)銑削過程的力學(xué)仿真，是優(yōu)化切削參數(shù)的重要途徑同時物理仿真技術(shù)還能模擬加工硬化層的殘余應(yīng)力，能有效預(yù)測并控制零件變形。

　　(3)根據(jù)特征制定走刀軌跡：采用分層等高加工。控制切削載荷均勻性；薄壁結(jié)構(gòu)采用階梯對稱銑削的加工方式，充分利用零件未加工部分作為加工時的支撐以增強薄壁件剛性；應(yīng)用插銑加工方式，去除轉(zhuǎn)角大余量，能減少轉(zhuǎn)角處切削力突變，提高加工精度。

國產(chǎn)機床在大型高精度零件加工中的應(yīng)用

　　在應(yīng)用國產(chǎn)三軸機床過程中，成飛公司通過深入分析機床變形、加工應(yīng)力、刀具等方面的因素，采用在線檢測實時監(jiān)控補償技術(shù)、恒溫浸泡冷卻法環(huán)境控制技術(shù)、余量均勻去除的走刀方式、高精度高剛性小晶粒整體硬質(zhì)合金刀具等技術(shù)實現(xiàn)了中科院大型電子對撞機核心部件大端板的加工，在1米的距離內(nèi)達(dá)到了0.025mm的位置精度，填補了國產(chǎn)大型機床高精度加工技術(shù)的空白。

　　國產(chǎn)機床具有相對完善的售后服務(wù)，目前國產(chǎn)三坐標(biāo)機床在航空企業(yè)應(yīng)用已比較成熟，其整體加工精度達(dá)到了進(jìn)口機床水平。但由于航空結(jié)構(gòu)件曲面復(fù)雜，國產(chǎn)機床還不能滿足加工中的多軸聯(lián)動精度要求，因此其技術(shù)還有待進(jìn)一步提高。