摘? 要：現(xiàn)代航空業(yè)的發(fā)展趨勢是高機動、高安全性、高新材料，因此，在飛機上采用了大量的集成結(jié)構(gòu)，從而大大減少了飛機組裝的工作量，提高了飛機的整體性能，推進飛機結(jié)構(gòu)性能的最優(yōu)開發(fā)。但是，目前的制造加工工業(yè)，由于其加工工藝、材料等的特殊性，使得加工制造中出現(xiàn)了變形，對加工設(shè)備的要求也相對提高。為此，應(yīng)采取主動、高效的工藝技術(shù)，提高飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的質(zhì)量與效率，促進我國航空工業(yè)的發(fā)展。對此，本文討論了飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中出現(xiàn)的問題和解決辦法。

關(guān)鍵詞：飛機整體結(jié)構(gòu)件;數(shù)控加工;結(jié)構(gòu)特點;分析;探討

前言

在工業(yè)4.0時代到來的今天，航空制造業(yè)的數(shù)字化、自動化、柔性化、智能化是未來航空制造發(fā)展的必然趨勢。國外軍用民用飛機制造企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本和人工成本，把飛機數(shù)字化生產(chǎn)線的制造技術(shù)作為其核心技術(shù)?；谕惍a(chǎn)品的數(shù)字尺寸協(xié)調(diào)系統(tǒng)，大規(guī)模地運用了數(shù)字化脈沖線制造，并在不需要人為干涉的情況下，在數(shù)字化裝配等制造領(lǐng)域，實現(xiàn)了流水線加工模式。近幾年，航空生產(chǎn)技術(shù)迅速發(fā)展，航空產(chǎn)品、裝備、工藝等以信息化為動力;管理、服務(wù)的數(shù)字化、自動化和智能化是航空工業(yè)發(fā)展的主要趨勢。為了適應(yīng)航空工業(yè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件柔性化和自動化發(fā)展的需要，國外先進航空公司開始了以自動生產(chǎn)線為代表的飛機結(jié)構(gòu)零件生產(chǎn)的新模式。為了滿足新一代飛機的技術(shù)需求，使其生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)得到極大地提升，我國航空發(fā)動機制造企業(yè)積極發(fā)展飛機結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)線，實施數(shù)字化、自動化、信息化的生產(chǎn)線建設(shè)，提高飛機結(jié)構(gòu)件加工數(shù)字化與自動化制造水平，推動飛機制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。本文介紹了飛機結(jié)構(gòu)件三軸加工工藝模型，并對其工藝方法、數(shù)控編程、測試等進行了深入的研究，實現(xiàn)了自主研發(fā)和設(shè)計，從而突破了國外一些技術(shù)領(lǐng)域的局限，節(jié)省了生產(chǎn)成本;最后，實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件的流水線制造，對于提高航空工業(yè)的整體技術(shù)水平，將會起到很大的作用。

1、飛機結(jié)構(gòu)件概述

飛機的結(jié)構(gòu)部件種類繁多，形狀復(fù)雜，材料多樣，是飛機機身結(jié)構(gòu)和氣動外形的主要部件。相對于普通的機械部件，它具有較高的加工難度和生產(chǎn)水平。例如：壁板、橫梁、框架、座艙罩骨架等與構(gòu)成飛行器氣動外形的流線型曲面、各種異型斷面、結(jié)合槽口;交點孔結(jié)合為一種復(fù)合結(jié)構(gòu)。整體構(gòu)件的尺寸較大，壁面較薄，容易發(fā)生變形，各部件之間的間隙只有2～5毫米，而腹板的厚度只有2～4毫米。航空工業(yè)中，零件的數(shù)控加工是航空零部件的重要組成部分，新一代戰(zhàn)機中，CNC加工占75%以上，這些CNC件主要包括框架、橫梁和肋條;壁板、連接件和蜂窩狀構(gòu)造，其中框、梁、肋、壁板和聯(lián)軸節(jié)是飛機結(jié)構(gòu)中最典型的部件，其加工周期長、數(shù)量大、工藝難度大。

2、飛機整體結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點

從目前我國航天飛行的實際情況來看，目前的飛機結(jié)構(gòu)部件是以鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料為主。在飛機的整體結(jié)構(gòu)中，鋁合金是最主要的成分。但隨著我國化學(xué)材料的不斷發(fā)展，復(fù)合材料產(chǎn)品在航空工業(yè)中的應(yīng)用將會越來越廣泛，其應(yīng)用范圍也會越來越廣。

2.1飛機整體結(jié)構(gòu)件的外部特點

飛機整體結(jié)構(gòu)部件包括：機翼整體油箱壁板、機身活動艙門、機身整體框架和機翼橫梁。①整體構(gòu)件的形狀和大小都很大。目前，大部分的整體結(jié)構(gòu)都是采用一整片鋁合金板材進行整體加工，但有些構(gòu)件采用了框架結(jié)構(gòu)，有些采用了梁結(jié)構(gòu)，采用了不同的鋁合金材質(zhì)。所以各種形狀和大小的材料都要依賴于大型CNC。②飛機的整體構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)造比較復(fù)雜。飛機的總體構(gòu)型雖有一定的規(guī)律性，但其表面的加工弧度、變斜角等參數(shù)的控制與飛機的飛行原理等有著密切的關(guān)系，所以在制造過程中需要考慮的細節(jié)也很多。例如，在整個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部，存在著許多“槽腔”，在加工過程中必須避免尖銳的棱角。③薄壁構(gòu)造增多。飛機的整體構(gòu)件沒有太多的肋骨和肋骨，通常厚度為5～0.5mm，屬于薄壁結(jié)構(gòu)，對數(shù)控技術(shù)有很高的要求。

2.2飛機整體結(jié)構(gòu)件的加工特點

①處理的工作量很大。以上所提及的整個飛機的結(jié)構(gòu)部件都是采用全鋁合金板材進行加工，其切割率高?？傮w上可達90%以上，而且整體結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量也比較輕。為了適應(yīng)飛機整體結(jié)構(gòu)零件的精密要求，需要在加工過程中應(yīng)用高速切削技術(shù)。此外，整個結(jié)構(gòu)具有多個特點，總體大小差異很大，各部件的特點剛度要求也各不相同，對加工工藝的要求也很高。②對表面處理的質(zhì)量有很高的要求。由于飛機整體零件的加工過程中，有些零件的連接部分需要進行CNC加工，對角度和叉耳槽等精度要求很高，所以在CNC加工中，需要一次裝夾來實現(xiàn)。③它包含了許多特殊的結(jié)構(gòu)，例如，薄壁結(jié)構(gòu)，在制造過程中，對不同的裝夾工藝、數(shù)控機床的走刀策略都有了更精確的要求，同時也要防止飛機的整體薄壁結(jié)構(gòu)在加工過程中出現(xiàn)顫振。④需要更高的參數(shù)性能。在航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)加工中，存在著大量的曲面，因此，數(shù)控機床必須進行五軸聯(lián)動，對軸承等具有很高的柔性。

3、飛機整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工存在的問題

根據(jù)飛機整體結(jié)構(gòu)零件的特性，目前的CNC加工技術(shù)存在著加工變形、零件產(chǎn)生偏移等質(zhì)量問題。

3.1飛機整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控去除引起的工件變形

在切割過程中，零件的內(nèi)部破壞會破壞零件的平衡，造成零件內(nèi)部變形<0.3mm。從實際生產(chǎn)的飛機結(jié)構(gòu)零件的加工過程中，分析了造成零件變形的機理，其機理有：①由于加工物料的殘余壓力釋放而引起的結(jié)構(gòu)件變形。以上所提及的飛機整體構(gòu)件所需的材料體積大，且在處理過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力也比較集中。在整體結(jié)構(gòu)零件的制造過程中，材料的內(nèi)部應(yīng)力會聚集在一起，而在某些工藝過程中，通過熱處理等工藝過程，可以充分地釋放出結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的殘余應(yīng)力;從而造成已加工完畢的整體構(gòu)件部分的變形。②刀具尺寸對整體構(gòu)件產(chǎn)生的形變效應(yīng)。在數(shù)控機床上，刀具尺寸的選取是實現(xiàn)飛機整體零件的關(guān)鍵。目前，在進行整體結(jié)構(gòu)零件的切削時，必須要用鉗子將刀片的位置和尺寸固定下來，而一旦切割完成，整個構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力就會被釋放出來，從而引起變形。可以認為，隨著加工厚度的減小，所產(chǎn)生的應(yīng)力和變形將更為顯著。③切削過程中，對飛機整體結(jié)構(gòu)零件的條件設(shè)定的影響。在整個結(jié)構(gòu)件數(shù)控機床的制造中，要使整個零件充分自由地裝配到夾具和機床的表面上是不可能的;失去夾持力的整體構(gòu)件，將會發(fā)生表面的變形。

3.2數(shù)控機床加工中刀具對工件的變形影響

在對工件進行毛坯的加工時，必須采用夾具結(jié)構(gòu)來固定工件，并根據(jù)照排系統(tǒng)設(shè)定的工藝過程，對零件的曲面進行控制。然而，由于工件自身的厚度較低，其整體剛度低，加工過程中所需的物料數(shù)量減少，而在高速切削過程中，其變形難以預(yù)測，難以控制。

4、導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)件加工變形的具體因素分析

在對工件進行毛坯的加工時，必須采用夾具結(jié)構(gòu)來固定工件，并根據(jù)照排系統(tǒng)設(shè)定的工藝過程，對零件的曲面進行控制。然而，由于工件自身的厚度較低，其整體剛度低，加工過程中所需的物料數(shù)量減少，而在高速切削過程中，其變形難以預(yù)測，難以控制。

4.1減少材料中剩余壓力的釋放造成的結(jié)構(gòu)件變形

在結(jié)構(gòu)制造過程中，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形，其變形主要表現(xiàn)在三個方面：一是由于殘余應(yīng)力的釋放而使結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形;其次，使用工具在切削工件時所產(chǎn)生的應(yīng)力;第三，在切削或加工時，由于夾具的影響而引起的變形。

4.2刀具對工件的作用效果

工件的毛坯在加工后，由于夾具的夾持，必然會產(chǎn)生一些變形，而這種變形是由工件的加工夾具引起的;因此，這樣的變化是很難避免的。從工件自身的特點出發(fā)，隨著工件的整體厚度增加，其剛性也相應(yīng)增加，剩余應(yīng)力也相對較少。但由于工件的整體厚度很低，所以在卸載過程中，工件會發(fā)生很大的應(yīng)力變形，這種現(xiàn)象必須得到充分的關(guān)注，并通過適當?shù)耐嘶鹛幚韥硐?/p>

4.3工件在切削加工中的裝夾條件

沒有工件裝夾的完全自由。在裝夾完成后，工件受到夾持力的作用，使工件與夾具或床身接觸。完成工件切割后，工件仍能均勻地與夾具或機床床表面相配合，卸下夾緊后，再無夾緊力;從而產(chǎn)生表面的拉、壓應(yīng)力，從而產(chǎn)生抗變形的作用。

5、飛機整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的對策

5.1如何實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)件加工變形的抑制

5.1.1對毛坯工件的殘余應(yīng)力進行全面消除

通過研究，可以看出，在加工過程中，可以采用預(yù)拉伸、退火、冷加工等方法來去除殘余應(yīng)力。為了消除剩余應(yīng)力，必須對具有特殊材料的坯件，如鋁合金等進行冷加工。從冷加工的角度來看，它是將毛坯放入冷卻介質(zhì)中，待待成型的工件達到冷卻狀態(tài)后，再利用高速蒸汽將其噴出。該方法可有效地解決坯件的應(yīng)力和變形，并最終消除了坯料的應(yīng)力。

5.1.2對毛坯工件切削加工產(chǎn)生的應(yīng)力全面消除

在對坯件進行切削時，坯件在刀具的切割下，會產(chǎn)生大量的熱，并在一定程度上形成應(yīng)力。這會造成坯件的變形。低應(yīng)力切削技術(shù)是以降低切削單位體積能耗為目的，采用更高的切削速度和更少的切削用量，以減小切削硬化層，改善加工表面的完整性;此外，高速切削的硬鋁合金加工速度非常快，超過95%的切削熱都會從工件中排出，而不會因高溫而產(chǎn)生彎曲和變形。在切削加工中，對刀具的內(nèi)部冷卻和壓力的控制是十分關(guān)鍵的。

5.2切削加工工藝的優(yōu)化

為了降低整體結(jié)構(gòu)零件的加工變形，應(yīng)從工藝的觀點來考慮，合理地安排加工過程和各工序之間的余量分布。對兩面的工件，要在兩面都進行均勻的切削。同時，通過對夾具的改造，可以對工件的變形進行有效的控制。飛機整體薄壁結(jié)件的加工，需要使用真空夾具，而真空夾具可以保證良好的位置和支承;此外，在多槽加工復(fù)雜零件時，每一槽僅完成一道工序，然后用刀具對另一道槽進行切削;每一槽僅加工一層，多層可將復(fù)雜零件的多道槽完成，從而可降低復(fù)雜、多槽零件的加工變形。

5.3整體結(jié)構(gòu)件加工變形的校正

根據(jù)目前的研究成果，目前對大型整體構(gòu)件加工時的變形成因尚未形成統(tǒng)一的認識，采用的方法很難滿足實際需要;因此，有必要對這些問題進行有效的糾正。從我國現(xiàn)行的矯正變形方法來看，大多是采用糾偏裝置，實際實施效果不佳，成功率低。了解到，要對加工過程中產(chǎn)生的變形進行有效的修正，必須首先認識和識別工件的變形，然后采取相應(yīng)的安全糾正措施;確保對已加工的工件進行有效的修正，且不會對工件造成傷害。

5.4對工件的變形情況進行了解和識別

在了解了工件的變形后，可以看出，工件的變形主要有彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種。通過對其定義的推導(dǎo)，得出了彎曲變形的方向是縱向的，即工件在某一平面上的彎曲和變形，而扭轉(zhuǎn)變形是三維的;是指在一定的角度上，所產(chǎn)生的扭曲變形。由于兩者在變形模式、變形程度等方面存在著一定的差異，因此，要正確地識別出工件的變形，就必須對其采取正確而有效的糾正措施。3.2整體構(gòu)件的安全校形總體構(gòu)件通常存在著彎曲和扭曲兩種情況，其校形工藝順序為先扭后折。實踐表明，這種次序?qū)ν耆冃问怯欣?。采用科學(xué)的校正措施，確保了整體構(gòu)件的加工精度。目前，對工件的校直大多是采用沖壓、彎曲等方法。但是，某些工件由于本身材質(zhì)的緣故，不能進行修正;此類工件，如果其變形超過了容許的產(chǎn)品，將會因為其變形過大而不能使用。

5.5優(yōu)化飛機整體結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工工藝

5.5.1優(yōu)化切削加工工藝

目前，對飛機整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工工藝進行優(yōu)化是降低其加工制造變形的主要途徑。目前，為了達到最佳切削加工的目的，可以對整個結(jié)構(gòu)零件的兩個表面進行均勻的加工，并對其進行合理的加工。同時，對整個結(jié)構(gòu)進行了兩個側(cè)面加工時，由于夾具的改進而引起的位移變形。例如，在薄壁結(jié)構(gòu)的制造中，利用更薄的結(jié)構(gòu)夾具來支持零件，保證了CNC的連續(xù)加工。

5.5.2展開對飛機整體結(jié)構(gòu)件的變形校正處理

盡管在實際生產(chǎn)中，已有一系列的零件加工變形控制技術(shù)，但這種控制方法無法有效地實現(xiàn)產(chǎn)品的精度要求。同時，還可以采用一種修正的方法，對可能出現(xiàn)的變形進行修正，從而使加工后的工件的變形得到有效的修正。對飛機的總體結(jié)構(gòu)進行精確的控制。首先，必須要對整個結(jié)構(gòu)件的變形進行全面的認識和識別，這樣才能對其進行相應(yīng)的處理，比如結(jié)構(gòu)件的加工變形一般是彎曲和扭曲。前者是縱向上的變形，后者是三維的，也就是說，在一定的角度上，它會發(fā)生扭曲。其次，對整個航空器進行了變形修正。在整個飛機結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形中，必須遵循先扭后折的原則，然后進行撓曲修正，這樣才能完全避免整體構(gòu)件的變形。目前在生產(chǎn)技術(shù)的支撐下，常用的糾偏方法有沖壓和彎曲矯直器。但如果在數(shù)控加工過程中，由于零件的變形超出了容許值，就不能進行糾正。

5.6精度檢查和相關(guān)調(diào)整

根據(jù)航空大型結(jié)構(gòu)零件的精度要求，再結(jié)合機床的特點和壽命，確定相應(yīng)的檢驗項目，并按此方案進行的檢驗方法有以下三種。

5.6.1日精度檢查

機床精度日檢驗是由操作員每日進行的，每日的主要工作就是定位精度，主要是重復(fù)定位精度和機床原點精度，其次是用激光探測器對機床原點進行校正，日檢時的精度可以根據(jù)坐標校正來調(diào)整，從而更好地保證加工部位的定位，保證產(chǎn)品的品質(zhì)。

5.6.2月精度檢查和相關(guān)調(diào)整

每月的精度檢查項目都是由相關(guān)的維護人員來完成的，并且要有一定的時間來進行設(shè)備的幾何精度的檢測，每個檢測項目都要設(shè)置一個與之相適應(yīng)的允許偏差。月精度檢查的主要內(nèi)容是關(guān)于機床部件和重點項目，月精度檢查的內(nèi)容不多，操作也比較簡單，一次檢查的時間大概在一個小時左右，這樣可以讓設(shè)備部門實時了解設(shè)備的動態(tài)。每月檢查的內(nèi)容有：主軸與Z軸平行度檢查，主軸徑向跳動，主軸軸向跳動;主軸與C軸的共軸度等多項工程。

5.6.3年精度檢查

年精度檢查包括了設(shè)備的年度精度檢查，包括幾何精度、位置精度和工作精度，檢查的內(nèi)容包括了各個坐標軸的垂直度、各坐標軸的重復(fù)定位精度、機床的動態(tài)精度等，其中芯棒、球頭刀具、大理石方尺等等。

6、結(jié)語

綜上所述，飛機的總體結(jié)構(gòu)零件數(shù)量控制技術(shù)是關(guān)鍵。根據(jù)目前飛機總體結(jié)構(gòu)的CNC加工技術(shù)，可以看出，由于飛機整體結(jié)構(gòu)具有可復(fù)制性和較大的尺寸，結(jié)構(gòu)中存在多薄壁結(jié)構(gòu)、曲面結(jié)構(gòu)等特征，而目前的數(shù)控機床設(shè)備并沒有達到最佳的性能，因而在制造過程中會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的畸變。因此，必須對其進行正確的處理，并對其產(chǎn)生的機理進行分析，提出相應(yīng)的優(yōu)化控制措施，使飛機的整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工過程精度得到最優(yōu)控制。

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作者簡介：

于天成，男，1991-06，漢族，遼寧沈陽，本科學(xué)，助教，研究方向：數(shù)控加工。