新型复杂航空结构件数控加工技术

发表时间:2018/10/8   来源:《新材料.新装饰》2018年5月下   作者:常峰
[导读] 新型飞机为了达到优异的机动性能、飞行性能、轻量化、长寿命、低成本制造等技术指标,对机身结构及发动机提出了更高的要求。并采用最先进、最前沿的设计技术与没计理念使飞机结构件向整体化、薄壁化、结构承载与功能综合等方向发展。要求零件重量轻、加工精度高、加工效率高,大量采用了整体结构、薄壁结构及整体结构件.截面复杂、装配协调面多、精度要求高、外形尺寸大、壁薄、非对称与变截面等结构特征,加工精度比上一代机型明

(哈尔滨飞机工业集团有限公司,黑龙江 哈尔滨 150060)
摘要:新型飞机为了达到优异的机动性能、飞行性能、轻量化、长寿命、低成本制造等技术指标,对机身结构及发动机提出了更高的要求。并采用最先进、最前沿的设计技术与没计理念使飞机结构件向整体化、薄壁化、结构承载与功能综合等方向发展。要求零件重量轻、加工精度高、加工效率高,大量采用了整体结构、薄壁结构及整体结构件.截面复杂、装配协调面多、精度要求高、外形尺寸大、壁薄、非对称与变截面等结构特征,加工精度比上一代机型明显提高。
关键词:复杂航空;结构件;数控加工技术;

 
        数控机床切削性能和能力检测技术已形成了技术规范,可作为航空制造机床的检测和评价依据,促进国产高档数控机床的研发水平提升。应用国产多轴联动机床实现数控程序的高效编程和程序质量控制,以及加工精度的快速检测,能够大幅提高机床的应用效率。
        一、空结构件的工艺特点
        航空结构件决定了其工艺特点:结构复杂,加工难度大——零件外形涉及机身外形、机翼外形及翼身融合区外形等复杂理论外形,且需与多个零件进行套合;切削加工量大——材料去除率达到90%以上,部分零件甚至达到98%}薄壁,易变形——存在大量薄壁、深腔结构,为典型的弱刚性结构;加工精度高——装配协调面、交点孔等数量多,零件制造精度要求高;难加工材料比例大——以钛合金、复合材料为代表的难加工材料比重越来越大,对航空制造业提出了严峻的挑战。
        二、新型复杂航空结构件数控加工技术
        1.拐角加工工艺
        (1)拐角加工分析。在航空结构件加工中,不可避免地会遇到拐角区域的加工,如果在拐角处采用直线轨迹时,铣刀的切削弧长发生了突变,而每齿平均铣削力与切削弧长相关。因此,平均铣削力在拐角处也发生了突变。此时,铣刀中心点位于轨迹线尖顶点的位置,瞬时的铣削力从最大跌至最小,但瞬间又降至拐角铣削前的平均铣削力。实际加工过程中,为避免进给方向的突变,通常在拐角处采用圆弧过渡加工轨迹线的方式进行加工。铣刀切削弧长变化要小于尖角加工的方式,平均铣切削力的变化也缓和很多。因此,通过改变轨迹线可以大大缓解拐角处铣削力对刀具和工件的冲击。通过上述分析可知,改变拐角处的走刀轨迹可有效改善拐角加工的切削状态。由此国内外学者做了大量理论及实验研究,总结并研究出一些有效的加工方法,常见的拐角加工策略有靠刀法、留余量行切法、细化圆角法、单圆环加工法、双圆环加工法等,这些拐角加工优化方法在一定程度上提高了拐角加工的质量和效率,但当刀具长径比较大时( 一般超过5∶ 1),上述方法就无法从根本上解决拐角加工的质量及效率问题。
        (2)拐角的插铣加工。插铣又称为Z轴铣削,加工过程中刀具沿主轴方向做进给运动,利用底部的切削刃进行钻、铣组合切削。因插铣加工变径向进给为轴向进给,从而大幅度降低了刀具的径向切削力,并能保持切削力大小的稳定,从而减小加工中工件及刀具的变形,避免切削颤振的产生,对拐角及深腔加工具有重要意义。目前,部分航空制造企业已经引入插铣工艺方法,在零件精加工前进行拐角的插铣加工,一方面从根本上解决拐角加工难题,另一方面还可大大提高航空结构件精加工效率。
        2 薄壁加工工艺。薄壁部位在加工过程中容易产生变形及颤振,加工质量难于保证,国内外学者根据不同零件结构及变形因素提出了多种工艺方法,为了对薄壁加工过程进行深入分析,设计“日”字形铝合金薄壁结构工件作为实验对象,工件长360m m,宽250m m,高30m m,各处壁厚均为1m m。首先采用传统方式进行加工,在粗加工过程中周边及底部均留有3m m 余量,精加工过程中缘条侧面产生明显振纹,即使减小切削参数也无法完全避免。


在加工实验件所用翻板铣
        机床上,对φ 20m m 整体硬质合金铣刀进行锤击实验,在不考虑工件刚性的情况下得到颤振稳定域曲线。再根据工件有限元仿真结果,选择工件刚性最薄弱的部位( 各筋条及缘条靠近中间顶部) 进行锤击实验,获得其动力学特性,与“机床-刀具”系统的动力学特性相结合得到弱刚性情况下的颤振稳定域(考虑工件动态特性),稳定域取值很低,非常容易发生颤振。改变原有加工方法,根据基于“机床- 刀具”系统动态特性计算的颤振稳定域曲线和切削力仿真结果优化选取更高效率的切削参数后,采用“层优先”方式加工。采用此方法可以保证刀具每次加工薄壁时均对薄壁的根部进行加工,可以看作刀具仅对工件的根部位置激振,此时形成的“机床- 刀具- 工件”系统基本可以视刀具接触的工件局部位置为刚性体,从而实现无颤振的高效加工,加工表面质量得到明显改善。基于上述原理,保持铣削过程工艺系统刚性的加工方法还可推广到其它一些方式,如常见的“阶梯铣”、“错层铣”等,这些方法的本质都在于使加工过程中被加工区域具有足够刚性,以避免加工颤振及变形的产生。
        3.数控机床切削性能和能力检测评估方法。提出一种通过铣削颤振理论检测机床切削能力的测试试件。试件可用来测试机床不发生颤振的切深范围、转速范围。结合颤振理论,采用加工时在工件切削方向安装加速度传感器测试机床发生颤振时的振动状况,应用表面粗糙度仪或轮廓仪测试加工表面轮廓在相应颤振时的刀具、工件频率,进而识别出发生颤振时影响加工纹理分布的频率分布。另外,由切深-转速组合试验可在不借助外部设备时获得机床颤振稳定域曲线。由上述方法,综合评定机床适合切削的最大切削能力范围。提出一种用于数控铣床加工热误差的检测试件和检测方法,通过机床的连续运转,间隔固定时间精加工小孔,同时应用温度传感器实时采集和记录温度变化信息,依据不同机床形式和热稳定时间确定加工孔数量。最后,将实际加工获得的零件进行检测,检测内容包括孔径尺寸、孔中心距X和Y轴向基准距离、孔深、孔底面粗糙度等,在有条件的场合还可同时记录加工孔时的切削力信号,进而结合加工状况进行加工热误差研究。
        三、发展趋势
        飞机结构件是构成飞机机体骨架和气动外形的主要组成部分,随着现代飞机为满足隐身、超声速巡航、超常规机动、高信息感知能力、长寿命、结构轻量化等方面的性能要求,大量地采用新技术、新结构、新材料,其结构件呈现出以下的发展趋势。
        (1)结构大型化。相对于以往的小型结构件焊接、组装模式,采用大型整体结构件可大量减少结构件零件数量和装配焊接工序,并有效减轻飞机整机重量,提高零件强度和可靠性,使飞机的制造质量显著提高,如F-22战机后机身整体框毛坯尺寸达到4000mm×2000mm。
        (2)结构复杂化。飞机整体结构日趋复杂,其外形多数与飞机的气动外形相关,周边轮廓与其他零件还有复杂的装配协调关系。同时,薄擘加筋结构使得结构件刚性弱,筋顶结构复杂,壁厚最薄部位不足lmm。
        (3)材料多元化。随着新一代战机性能的逐步提高,新型高性能材料不断引入,高强度难加工材料和低密度轻质材料成为航空结构件的两大类主要材料,结构件材料逐渐由铝合金为主转变为铝合金、钛合金、复合材料并重的局面。
        (4)制造精确化。精确制造对结构件形位、尺寸公差都提出了更高的要求,以满足精确装配的需要,如腹板最高精度达到士0.1mm,比前一代飞机提高一倍以上。
        上述几类新型复杂航空结构件都是飞机关键承力件.其数控加工技术体现了我国航空制造业数控加工的技术水平。
参考文献
[1]林胜.柔性制造技术及其发展.航空制造技术,2017(5):ll一24.
[2]王世鹏,解艳彩.闫雪峰.柔性制造单元上下料机构的改进设计.组合机床与自动化加工技术.2017(6):85—90.

 

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