飛機機體零件的高速加工

2024年3月28日發(作者：佳能廣告)

歐洲生產工程

飛機機體零件的高速加工

Rationalizationinairframemanufacture

為了在飛機機體整體構件的生產中充分發揮高速加工的潛力，應將包括切削過程、并行工程和

夾具構思在內的工藝過程作為一個整體來考慮。

結構件是飛機零件中最大的一種零件。這類零

件主要用鋁合金制造。基于制造工藝和零件重量考

慮，以前主要采用鋁板經鉚接而成（至今仍有部分

零件采用此種方法制造）。現在采用了全然不同的設

計技術，需要將多種不同功能集成到一個結構件上。

這就是集成設計技術。這種零件是用一塊實體鋁坯

經銑削加工而成。這類零件很復雜，通常包含極小

的底面和薄壁（

0．6～2mm

），呈蜂巢狀。這類零件的

幾何形狀由不同的表面及規定的曲面構成。接近飛

機外部輪廓的表面也是必須是自由曲面。

例如，

PilatusPC9

飛機的主梁，在以前的設計

中是由

156

個不同零件構成的。這樣，就需要各種

折彎設備和裝配夾具。在

PilatusPC12

飛機上，這

類部件采用了集成設計技術。零件的數量減少到

3

個，而且是采用簡單的螺栓連接（圖

1

）。在

25

年

前，這家飛機公司在開發飛機時，由于沒有復雜的

軟件工具，

NC

技術還處于初期階段，只能用繁瑣的

編程語言，如

APT

、

Fortran

等等定義復雜的幾何形

狀；

NC

機床還是采用

21／rD

控制，從而限制了復雜

形面和幾何形狀的生成

。

理，由于幾何形狀的不一致、拉伸

／

斷裂等，致使廢

品率極高。這種機架的裝配需要

6

道工序，而且必

須考慮到材料的拉伸問題。

如今，編程系統和

CNC

機床已經能使我們銑

削加工出以前無法生成的形狀。以前，采用傳統技

術，需要

20

多個板材成型件才能構成的部件，現在

只用

2

個零件。幾何形狀極為復雜，必須完全滿足

零件的所有要求。用一塊實體鋁坯銑制一個零件，

其中

98％

的材料都變成了廢屑。

三步完成產品加工

NC

編程過程需要的專業知識要求最高，要求集

成各種不同生產工藝：

CAD／CAM

、切削刀具、夾具

設計和銑削技術。現在只需三道工序就可以制造出

這樣一個機架部件：

1

）獲取經過預切削并帶有夾持

用孔的原材料，

2

）銑削零件，

3

）手動鉆出鉚釘孔

（利用夾具）。

零件毛刺在加工過程中完成。首件檢驗合格后，

銑削加工過程自動進行，無需操作員干預。這樣就

大大簡化了尺寸和裂紋的檢測

，與以前的制造方法

相比，降低了生產成本。集成結構還對零件裝配具

有重大影響。整個模塊（部件）可以直接裝配。所

制造的零件公差極為嚴格，具有很好的互換性。裝

配精度得到保證，且過程穩定，大幅度縮短了所需

的裝配時間。

適用于高速銑削的機床與刀具

坯料是用水刀將厚

127

㎜或

76

㎜的鋁板切割到

圖

1

整體結構的

PilatusPC12

飛機主梁

（圖片提供：

StarragHeckert

公司）

近似形狀。坯料尺寸為

840×665mm

，重

90kg

或

60kg

。夾具包括角度板和標準孔系及加工工件第二面

的真空接合適配板。機床采用特別適用于五軸聯動

加工的斯達拉格海科特

STC1000／130

型機床：主軸

功率為

70kW

，在

100％

負載運行時最高轉速達

由于上述原因，為控制鋁件的重量，用鋁板構

成機架，即將

20

余種不同形狀的板材成型件組裝和

連接在一起構成一個大的結構件。零件成型過程極

為復雜。工件材料要經過

12

次機械加工和

4

次熱處

24000r／min

（圖

2

）；主軸錐孔：

HSK63A

；機床

X／

Y／Z

軸行程為：

1700mm／1600mm1950mm

；主軸可傾

WMEM2

期

2009

年

4

月

150

歐洲生產工程

圖

2

特別適用于五軸聯動加工的

StarragHeckert

公司的

STC

1000／130

機床，功率為

70kW

時，主軸轉速為

24

，

000r／min

范圍：

－60／＋100°

；工作臺是

B

軸。該機床采用鋼板

焊接結構，具有較高的剛度。

整個加工過程需要

7

把切削刀具和

4

把鉆頭。

刀具為整體刀體，最大直徑為

32mm

，形狀配合的刀

片能防止其在以高達

24000r／min

的轉速切削時離心

力可能造成的損壞。全部刀具直徑都在

25mm

以上，

中空冷卻，油霧潤滑。起先直徑小于

25mm

的刀具

為整體硬質合金刀，采用收縮式刀柄。刀具長度為

90～220mm．

。

全部切削刀具連同刀柄都經過平衡，在

24000r／

min

轉時平衡質量為

Q2．5

。為保證加工過程的安全，

精確定義了每把刀具的切削參數，即采用專用軟件，

對刀具組件進行了知識臨界速度（自振）檢測。零

件經二次裝夾完成全部加工（包括鉚接孔）。為防止

薄壁件在加工中的應力變形和保證嚴格控制的公差，

面銑和周邊銑削采用了高速銑削加工工藝。在總的

銑削加工時間內，約

60％

的時間需要五軸聯動加工，

粗加工占總加工時間的

40％

，手動加工主要是去毛

刺和鉆部分鉚釘孔。

結果超過預期

首先將工件用螺栓固定在夾具上，用雷尼紹測

頭識別零件。第一道工序是用直徑

63mm

的刀頭，

沿

Z

面運動，將工件粗銑至接近最終形狀。粗銑時

的進給速度可達

17m／min

，金屬切除率達

6500mm

3

／

min

。

第二道工序是用

25mm

整體硬質合金立銑刀粗

銑出零件外形。由于這一輪廓面是曲面，要采用五

軸聯動加工才能獲得一致的精加工允差。隨后用直

WMEM2

期

2009

年

4

月

歐洲生產工程

用

63mm

的銑刀，沿

Z

面粗銑出零件輪廓，以下工

序亦與上述第一次裝夾的加工方法相同。隨后的精

加工極為關鍵。此時，零件已經變得極薄，在振動

下極易損壞。為防止損壞零件，精加工時要先加工

零件輪廓，再加工凹槽。最后一道工序還包括使用

一把直徑

10mm

立銑刀將零件與工藝搭子分離。

就零件加工情況來看，對于這種新型飛機，各

項結果均遠遠超出預期要求。所加工出的零件精度

完全位于要求的嚴格公差范圍內，具有完全的互換

性。整個生產周期縮短了

75％

，并減少了生產人員。

由于采用了連續加工鏈，可以實現快速變換并簡化

了物流鏈。

機床制造商：

StarragHeckertAG

徑

16mm

整體硬質合金立銑刀，以

9m／min

的進給量

對此外形進行精加工（五軸聯動）。零件的二次裝夾

加工也采用同一夾具。

二次裝夾時，利用專用工件適配夾具夾持零件

已加工面上的工藝搭子（圖

3

）。其第一道工序仍是

CH－9404Rorschacherberg

Phone＋41／71／8588111

Fax＋41／71／8588122

www．starragheckert．com

CarlHanrVerlag

，

Munich

WMEM2

期

2009

年

4

月