大型航空结构件数控加工装备与先进加工技术

发表时间:2018/10/8   来源:《新材料.新装饰》2018年5月下   作者:王洪林
[导读] 随着航空工业的快速发展.现代飞机为满足可靠性.机动能力,信息感知能力、寿命、结构轻量化等方面日益提高的性能要求,大量新技术、新材料、新结构被航空制造领域所应用,航空制造领域中的结构件大型化.复杂化.材料多元化、制造精确化等问题急需解决.高速、高精.复合等数控加工要求已成为现代飞机结构件数控加工装备的主要发展方向。
(哈尔滨飞机工业集团有限公司,黑龙江 哈尔滨 150060)
摘要:随着航空工业的快速发展.现代飞机为满足可靠性.机动能力,信息感知能力、寿命、结构轻量化等方面日益提高的性能要求,大量新技术、新材料、新结构被航空制造领域所应用,航空制造领域中的结构件大型化.复杂化.材料多元化、制造精确化等问题急需解决.高速、高精.复合等数控加工要求已成为现代飞机结构件数控加工装备的主要发展方向。
关键词:航空结构件;数控加工;装备;技术
 
        随着航空工业的不断发展,飞机性能不断提升,飞机结构件日趋大型化、复杂化,对相应的数控加工装备及数控加工技术提出了更为苛刻的要求。本文从航空结构件的发展特点出发,结合国内外航空制造业现状,对大型飞机结构件的数控加工装备及数控加工技术进行探讨,论述了当前大型航空结构件数控加工装备的发展方向及先进数控加工技术。
        一、航空结构件的特点
        航空结构件几何结构的复杂性、难加工性导致其加工精度难以保证,为满足新一代飞机结构件的精度要求。航空结构件是构成飞机骨架和气动外形的重要组成部分,随着飞机结构件设计水平的提高以及数控加工技术的发展。航空结构件呈现出以下的特点:
        (1)尺寸较大:相对于传统小型结构件的组装模式,目前的结构件大量采用整体框、梁等结构,使得零件外形尺寸较大,其中梁类零件长度在通常在1m~12m之间,框类零件轮廓尺寸最大可达4m×2.5m。
        (2)结构复杂:以整体、单件的方式代替传统的组装、多件的结构模式,导致零件的结构复杂:零件大量采用双面薄壁、多加强筋、多转角、深槽腔以及鼓包、交点孔等结构。如图1所示。
        (3)精度要求高:为满足精确装配需要,零件气动外形、结合叉耳、鼓包、交点孔以及关键部位壁厚、槽宽等特征的精度要求较高,通常公差要求需满足±0.05mm。甚至达到±0.02mm。
        (4)材料多样性:飞机结构件需满足高强度、耐疲劳等特性。因此除了常用的铝合金材料,还会包括一些高强度难加工材料,如钛合金、不锈钢等。
        二、航空数控装备
        1、航空数控装备逐步精密化。随着飞机整体性能要求的提高,飞机结构件正向尺寸更大、精度更高的方向发展,大型结构件的精密加工是实现飞机结构件高效数控加工必须面对的挑战。而随着数控机床基础大件结构特性和热稳定性的提高、全闭环控制技术、温度实时补偿技术、在线监控技术等的突破,可使数控机床获得更好的加工精度。目前,提高机床精度的措施主要有:框中框热对称结构设计,可获得高刚性、高精度和低移动质量;有限元结构优化设计,使机床结构刚性均匀分布,固有频率提高3~ 4倍,减小振动,提高表面加工质量;对发热元件进行实时温度控制和补偿;机床几何精度误差和热变形实时监控与补偿。这些技术的应用使得机床精度大为提高,当前纳米级数控机床已在生产中得到应用,最为典型的代表是瑞士D I X I 公司的精密镗铣床:定位精度≤ 0.8μ m,重复定位精度≤ 0.1μm。
        2、航空数控装备的智能化、柔性化。数控机床智能化是指数控机床能够获得加工过程中产生的应变、振动、热变形等与加工相关的信息,并自动补偿和优化机床加工性能,以提 高加工精度、表面质量和加工效率。

目前,很多机床都逐步集成Artis 等自适应控制系统,不仅可通过机床主轴监控(刀具平衡检测、冲突检测、轴承检测等)及刀具监控(破损检测、磨损检测等)实现刀具、机床的过载保护,而且可通过加工过程中的数据采集及系统自动判断进行实时速度调控,从而实现稳定负载的高效加工。为进一步提高设备利用率及数控加工效率,航空制造业开始大量引进柔性制造单元及柔性制造系统,而卧式加工中心及立卧转换加工中心由于其排屑性能良好,在柔性制造单元及柔性制造系统中得到了更为广泛的应用。在柔性制造系统中,多台加工设备及刀具在线检测、加工坐标系自动找正辅助装置结合在一起可以实现高效率的自动化加工:工作台自动交换与装夹系统实现加工零件的自动更换;加工坐标系找正系统采用测头实现加工坐标系的自动找正、设定和补偿;刀具在线检测系统实现对使用刀具的长度、直径等主要参数进行检测并自动输入,根据使用要求对刀具误差进行补偿或状态判断。
        三、数控加工技术的新发展
        大型航空结构件的数控加工,关键在于质量和效率。而制约数控加工质量和效率的主要因素,一方面在于机床硬件条件,而更为重要的还在于支撑高效数控加工的相关使能技术。
        1、刀具技术的发展。刀具技术是数控加工的关键技术之一,也是限制难加工材料加工效率的一个技术瓶颈。随着刀具技术的进步,刀具材料和刀具结构不断改进,刀具种类越来越多,如何合理选择刀具及切削参数是提高数控加工效率的核心所在。在铝合金材料加工方面,高速切削技术已经得到全面应用,在高速粗加工过程中大量应用可转位高速立铣刀,在大功率高速机床上可达到6000c m3/ min 的金属去除率,加工成本也可得到有效的控制;整体硬质合金刀具是当前铝合金高速加工的主要刀具,主要用于铝合金零件的精加工或窄槽的粗精加工,可获得好的表面质量并具有较长的刀具寿命。而陶瓷、金刚石及立方氮化硼等超硬刀具有极高的耐磨性,几乎不受切削速度的限制,切削抗力小,没有积屑瘤,能够最大限度地发挥高速机床的加工效率,非常适合于铝合金的高速加工,将逐步成为铝合金高速加工的首选刀具。
        在钛合金材料加工方面,由于钛合金的切削加工性较差(其相对切削性在0.15~0.25 之间),采用传统加工方式时切削速度一般不超过50m /min,粗加工金属切除率一般不超过40c m3/ min,精加工金属切除率不超过10c m3/ min。目前,国内一些航空制造企业已经开始探索并应用钛合金高效加工方法:粗加工采用可转位玉米铣刀实现大切深、小进给的强力切削,该刀具有效避免了大悬伸刀具在加工过程中的振颤现象,比普通圆柱立铣刀加工效率更高;精加工前先使用插铣刀具对圆角进行加工,使精加工余量均匀;精加工过程中采用PVD 涂层硬质合金刀具进行小切宽、大切深的高速铣削方式,使精加工时间缩短60% 以上。
        2、工装技术的发展。目前,国内大型航空结构件的装夹方式较为单一:铝合金结构件主要采用预留工艺耳片,并使用螺钉压紧或真空吸附;钛合金等难加工材料主要采用压板压紧;蜂窝芯材料则主要采用双面胶带粘结固持。而数控发达国家已大量使用带气动、液压及控制系统的自动夹具。采用数控多点自动调节、真空吸附或机械夹头的柔性夹具,可实现对不同形状的大型结构件在机床上的柔性、快速定位和装夹,已成为数控工装设计制造的发展方向,是提高数控加工效率的另一关键技术。这项技术在加工薄壁结构件、大型复材结构件及蒙皮类零件时的优势尤为明显。
        随着我国大型飞机项目研制工作的逐渐深入,在动力,机体结构、材料等方面带来的技术特征与我国以前研制的中小型飞机存在很大的差别,为我国大型飞机的研制工作带来了严峻挑战。作为由航空工业集团公司主管的中央级大型综合技术刊物,为推动数控加工技术在航空等高端技术领域的发展.促进航空数控加工技术在航空制造业的高效应用提供有价值的参考。
参考文献
[1] 李华臣,王洪生.柔性制造技术及其发展[J].航空制造技术,2012(5):ll一24.
[2]王世鹏,解艳彩.柔性制造单元上下料机构的改进设计[J].组合机床与自动化加工技术.2013(6):80.
[3]陈小明.航空大型数控机床的设计特点[J].航空制造技术,2013(6):53.
 
投稿 打印文章 转寄朋友 留言编辑 收藏文章
  期刊推荐
1/1
转寄给朋友
朋友的昵称:
朋友的邮件地址:
您的昵称:
您的邮件地址:
邮件主题:
推荐理由:

写信给编辑
标题:
内容:
您的昵称:
您的邮件地址: