新型復雜航空結構件數控加工技術

2024年3月28日發(作者：黨河)

新型復雜航空結構件數控加工技術

摘要：隨著航空工業的快速發展，現代飛機為滿足可靠性，機動能力，信息

感知能力、壽命、結構輕量化等方面日益提高的性能要求，大量新技術、新材料、

新結構被航空制造領域所應用，航空制造領域中的結構件大型化、復雜化、材料

多元化、制造精確化等問題急需解決高速、高精、復合等數控加工要求已成為現

代飛機結構件數控加工裝備的主要發展方向。

關鍵詞：航空結構件；數控加工技術；

一、航空結構件的工藝特點 航空結構件決定了其工藝特點：結構復雜，加

工難度大——零件外形涉及機身外形、機翼外形及翼身融合區外形等復雜理論外

形，且需與多個零件進行套合；切削加工量大——材料去除率達到90％以上，部

分零件甚至達到98％薄壁，易變形——存在大量薄壁、深腔結構，為典型的弱剛

性結構；加工精度高——裝配協調面、交點孔等數量多，零件制造精度要求高；

難加工材料比例大——以鈦合金、復合材料為代表的難加工材料比重越來越大，

對航空制造業提出了嚴峻的挑戰。

二、新型復雜航空結構件數控加工技術 （一）拐角加工工藝 （1）拐角加

工分析

在航空結構件加工中，不可避免地會遇到拐角區域的加工，如果在拐角處采

用直線軌跡時，銑刀的切削弧長發生了突變，而每齒平均銑削力與切削弧長相關。

因此，平均銑削力在拐角處也發生了突變。此時，銑刀中心點位于軌跡線尖頂點

的位置，瞬時的銑削力從最大跌至最小，但瞬間又降至拐角銑削前的平均銑削力。

實際加工過程中，為避免進給方向的突變，通常在拐角處采用圓弧過渡加工軌跡

線的方式進行加工。銑刀切削弧長變化要小于尖角加工的方式，平均銑切削力的

變化也緩和很多。因此，通過改變軌跡線可以大大緩解拐角處銑削力對刀具和工

件的沖擊。通過上述分析可知，改變拐角處的走刀軌跡可有效改善拐角加工的切

削狀態。由此國內外學者做了大量理論及實驗研究，總結并研究出一些有效的加

工方法，常見的拐角加工策略有靠刀法、留余量行切法、細化圓角法、單圓環加

工法、雙圓環加工法等，這些拐角加工優化方法在一定程度上提高了拐角加工的

質量和效率，但當刀具長徑比較大時（一般超過5∶1），上述方法就無法從根本

上解決拐角加工的質量及效率問題。 （2）拐角的插銑加工

插銑又稱為Z軸銑削，加工過程中刀具沿主軸方向做進給運動，利用底部的

切削刃進行鉆、銑組合切削。因插銑加工變徑向進給為軸向進給，從而大幅度降

低了刀具的徑向切削力，并能保持切削力大小的穩定，從而減小加工中工件及刀

具的變形，避免切削顫振的產生，對拐角及深腔加工具有重要意義。目前，部分

航空制造企業已經引入插銑工藝方法，在零件精加工前進行拐角的插銑加工，一

方面從根本上解決拐角加工難題，另一方面還可大大提高航空結構件精加工效率。

（二）薄壁加工工藝

薄壁部位在加工過程中容易產生變形及顫振，加工質量難于保證，國內外學

者根據不同零件結構及變形因素提出了多種工藝方法，為了對薄壁加工過程進行

深入分析，設計“日”字形鋁合金薄壁結構工件作為實驗對象，工件長360mm，

寬250mm，高30mm，各處壁厚均為1mm。首先采用傳統方式進行加工，在粗加工

過程中周邊及底部均留有3mm 余量，精加工過程中緣條側面產生明顯振紋，即使

減小切削參數也無法完全避免。在加工實驗件所用翻板銑機床上，對φ20mm整

體硬質合金銑刀進行錘擊實驗，在不考慮工件剛性的情況下得到顫振穩定域曲線。

再根據工件有限元仿真結果，選擇工件剛性最薄弱的部位( 各筋條及緣條靠近中

間頂部) 進行錘擊實驗，獲得其動力學特性，與“機床-刀具”系統的動力學特

性相結合得到弱剛性情況下的顫振穩定域（考慮工件動態特性），穩定域取值很

低，非常容易發生顫振。改變原有加工方法，根據基于“機床- 刀具”系統動態

特性計算的顫振穩定域曲線和切削力仿真結果優化選取更高效率的切削參數后，

采用“層優先”方式加工。采用此方法可以保證刀具每次加工薄壁時均對薄壁的

根部進行加工，可以看作刀具僅對工件的根部位置激振，此時形成的“機床- 刀

具- 工件”系統基本可以視刀具接觸的工件局部位置為剛性體，從而實現無顫振

的高效加工，加工表面質量得到明顯改善?；谏鲜鲈恚３帚娤鬟^程工藝系

統剛性的加工方法還可推廣到其它一些方式，如常見的“階梯銑”、“錯層銑”

等，這些方法的本質都在于使加工過程中被加工區域具有足夠剛性，以避免加工

顫振及變形的產生。 （三）數控機床切削性能和能力檢測評估方法

提出一種通過銑削顫振理論檢測機床切削能力的測試試件。試件可用來測試

機床不發生顫振的切深范圍、轉速范圍。結合顫振理論，采用加工時在工件切削

方向安裝加速度傳感器測試機床發生顫振時的振動狀況，應用表面粗糙度儀或輪

廓儀測試加工表面輪廓在相應顫振時的刀具、工件頻率，進而識別出發生顫振時

影響加工紋理分布的頻率分布。另外，由切深-轉速組合試驗可在不借助外部設

備時獲得機床顫振穩定域曲線。由上述方法，綜合評定機床適合切削的最大切削

能力范圍。提出一種用于數控銑床加工熱誤差的檢測試件和檢測方法，通過機床

的連續運轉，間隔固定時間精加工小孔，同時應用溫度傳感器實時采集和記錄溫

度變化信息，依據不同機床形式和熱穩定時間確定加工孔數量。最后，將實際加

工獲得的零件進行檢測，檢測內容包括孔徑尺寸、孔中心距X和Y軸向基準距離、

孔深、孔底面粗糙度等，在有條件的場合還可同時記錄加工孔時的切削力信號，

進而結合加工狀況進行加工熱誤差研究。

三、發展趨勢 飛機結構件是構成飛機機體骨架和氣動外形的主要組成部分，

隨著現代飛機為滿足隱身、超聲速巡航、超常規機動、高信息感知能力、長壽命、

結構輕量化等方面的性能要求，大量地采用新技術、新結構、新材料，其結構件

呈現出以下的發展趨勢。 （一）結構大型化

相對于以往的小型結構件焊接、組裝模式，采用大型整體結構件可大量減少

結構件零件數量和裝配焊接工序，并有效減輕飛機整機重量，提高零件強度和可

靠性，使飛機的制造質量顯著提高，如某機型機身整體框毛坯尺寸達到

4000mm×2000mm。 （二）結構復雜化

飛機整體結構日趨復雜，其外形多數與飛機的氣動外形相關，周邊輪廓與其

他零件還有復雜的裝配協調關系。同時，薄擘加筋結構使得結構件剛性弱，筋頂

結構復雜，壁厚最薄部位不足lmm。 （三）材料多元化

隨著新一代戰機性能的逐步提高，新型高性能材料不斷引入，高強度難加工

材料和低密度輕質材料成為航空結構件的兩大類主要材料，結構件材料逐漸由鋁

合金為主轉變為鋁合金、鈦合金、復合材料并重的局面。 （四）制造精確化

精確制造對結構件形位、尺寸公差都提出了更高的要求，以滿足精確裝配的

需要，如腹板最高精度達到士0.1mm，比前一代飛機提高一倍以上。 結語：新型

飛機為了達到優異的機動性能、飛行性能、輕量化、長壽命、低成本制造等技術

指標，對機身結構及發動機提出了更高的要求。并采用最先進、最前沿的設計技

術與沒計理念使飛機結構件向整體化、薄壁化、結構承載與功能綜合等方向發展。

要求零件重量輕、加工精度高、加工效率高，大量采用了整體結構、薄壁結構及

整體結構件．截面復雜、裝配協調面多、精度要求高、外形尺寸大、壁薄、非對

稱與變截面等結構特征，加工精度比上一代機型明顯提高。

參考文獻：

[1]林勝.柔性制造技術及其發展．航空制造技術，2017(5)：ll一24．

[2]王世鵬，解艷彩，閆雪峰.柔性制造單元上下料機構的改進設計.組合機

床與自動化加工技術．2017(6)：85—90．