李海滨
哈尔滨飞机工业集团有限责任公司黑龙江省哈尔滨市150066
摘要：航空铝合金是一种综合性能较好的轻合金材料，其高强度、耐热、耐腐蚀等优良特性，使得在航空整体结构件中被广泛使用。航空结构件整体化是新一代大型客机的发展趋势，已经成为现代飞机设计制造领域的一个重要标志。整体结构件的加工变形问题是航空产品加工工艺中的瓶颈之一,涉及力学、材料成形加工、切削加工和机械制造多个学科领域。本文针对航空铝合金结构件加工变形理论和方法进行了深入的分析，并提出了航空整体结构件加工变形控制的策略。
关键词：航空铝合金；结构件；数控加工变形；控制
航空整体结构件数控加工变形的问题涉及到了材料成型加工、力学、机械制造以及切削加工等多个学科领域。对飞机零件进行薄壁化设计可以有效地控制飞机的重量,结构的整体化可以大大的影响生产效率和制造的成本,还可以减少零件的数量以及连接装配的工作量。
一、铝合金整体结构加工变形现状
随着现代大型商用客机性能要求的不断提高，许多骨架零件尤其是主承力结构件，如飞机的整体框、整体梁、整体腹板、长缘条等普遍采用由大型整块毛坯直接“掏空”而加工成复杂槽腔、筋条、凸台和减轻孔等整体结构件。整体结构件体积大、壁薄、刚度差、易变形、切削加工余量大，加工周期长，加工质量和精度很难控制，对此类航空整体结构件实现高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造业面临的一个重要课题。高效加工是高速加工技术和切削工艺优化相结合的新工艺，是解决大型航空整体结构件的关键技术。高效加工技术的特征是加工过程中的高材料去除率和短的单件加工时间，并通过切削参数优化保证加工精度和表面质量。
大型航空整体结构件刚性差，切削力、切削热及切削振动等均容易导致零件变形，降低加工精度和加工表面质量。大型客机的带筋整体壁板、整体框、整体肋和梁缘条等均为复杂形状整体结构件，对高效加工系统提出了更高的要求。
高速切削是高效加工工艺实现的关键技术。国外的高速切削研究一直得到政府有关部门尤其是国防部门和企业的大力支持，例如空军年就耗巨资委托GE公司和洛克希德等公司开展先进加工研究计划，研究镍基合金、钛合金和黑色金属的高速切削问题；法国达索公司和波音公司等相继引进了高速铣削机床。波音公司每年切削加工所产生的铝合金切屑的重量就高达1.5万t，其飞机整体框架、大梁、缘条以及壁板(钛合金、铝合金)现均采用高速铣削加工技术，使生产效率和产品质量都大大提高。波音公司加工铝合金整体机翼框是目前最大的整体结构件之一，从4t重的毛坯到147kg的最终零件，仅耗时100h。目前铝合金的高速切削加工已经达到：主轴转速10000～35000r/min，进给速度10-20m/min，切削速度1500—6000m/min，材料切除率6000-8000cm3/min，刀具寿命60-90min。
我国的航空工业制造技术水平从总体上起步较晚，仍以传统的制造工业为主，水平不高。在飞机整体薄壁结构件的制造方面，对工艺技术的改进不多，沿用传统的铝合金零件加工编程方法，部分加工的技术人员习惯采用原有的切削工艺与主轴转速进行加工。按照我国传统的对铝合金零件的典型采用主轴转速1500-1800r/min，进给速度350-500mm/min；对细长薄壁结构件加工时，则采用更低的主轴转速600-800r/min和进给速度100-200mm/min。近几年我国航空飞机制造业发展较快，几大飞机制造企业花费巨资引进了先进大型高速加工中心，设备的先进性与自动化水平己经与发达国家基本相当。目前国内的高速切削的应用水平己达到：主轴转速8000-24000r/min，切削速度l000-1500m/min，进给速度1-5m/min，个别达10 m/min，材料切削切除率40-900cm3/min。但是，在很多情况下。由于缺乏高速加工技术的支撑，部分高速数控机床仍按普通机床一样使用，没有发挥出潜在高速、高效、高精度的生产能力，部分数控机床的转速和进给速度仅被利用20％一30％。很显然与发达国家应用情况相比还有一定的差距。
二、铝合金整体结构件加工变形策略
在大型整体结构件的加工过程中，通过优化加工工艺和改进装夹系统对加工变形进行主动控制是最有效的策略。一般的策略主要有：(1)优化刀具路径，利用未加工工件材料的刚性避免加工变形过大；(2)加工过程中，在主要变形方向，选择切削力较小的加工路径和加工参数；(3)选择合理的刀具几何参数。在实际的零件加工过程中，主要是根据零件自身的结构特征进行加工工艺和装夹系统的优化。因此对于不同的加工特征，优化策略基本可以分为两类。
1、加工特征为侧壁加工。在加工特征为侧壁加工中，径向切削力对加工变形影响最大，刀具和工件的径向刚度对加工变形影响大，其主要控制策略有：(1)采用分层环切的刀具路径，可以使加工过程中，零件局部保持高刚度。(2)合理选用加工方式。根据加工情况不同，采用逆铣方式町以避免让刀造成的加工误差：采用顺铣方式可以避免由于刀具和工件相互靠近造成的过切。当然，同时需要综合考虑加工方式对加工表面质量和刀具寿命的影响。(3)合理选择刀具参数。刀具圆角对切削力的分配具有重要的影响，在侧擘加工过程中，选用带有一定网角的刀具，可以使加工过程中的径向力向轴向力转换，如图所示。
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2、加工特征为底面加工。在加工特征为底面加下的零件中，主要控制策略有：(1)采用中心环切的刀具路径，可以使加工过程中，零件局部保持高刚度。(2)合理选择刀具参数。尽量选用不带有圆角的刀具，可以使加工过程中的轴向力较小。(3)合理选择夹具。选用真空夹具装夹，可以减小加工过程中的底面变形。而对于大型的薄壁件加工，如飞机蒙皮的铣削加工，则常采用组合式柔性多点支撑装置进行装夹。通过以上策略，可以在一定程度上减小大型整体结构件的加工变形。
有效的控制和解决航空整体结构件加工变形的问题成为了如今航空制造领域中最关键核心的技术问题，通过一些高效的切削技术和对工艺参数的合理选择以及有效的改进装夹系统等，都能够有效的控制结构件的加工变形，也能够使航空整体结构件达到高效精密加工的效果。各大航空制造企业应该总结以往的实践经验和不足，在引进国外一些先进高端技术和设备的基础上，不断地进行自主研究创新，并借助当前一些研究所和高校的技术、研究条件以及人才的优势，进一步的实现航空整体结构件的精密高效加工。
参考文献：
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