高速加工技术在大飞机零件加工中的应用

摘 要:首先描述了高速加工技术的优点,然后通过大飞机结构零件的特点分析,举例说明了高速加工在大飞机零件加工中的应用,同时指出了目前存在的问题。

关键词:高速铣削;大飞机;零件结构

中图分类号:TB

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)09-0323-02

1 高速数控加工技术

1.1 高速加工技术装备的特点

以高性能数控机床及先进刀具为基础的高速数控铣削加工技术为飞机主要结构件中的铝合金零件提供了高效率、高质量数控切削加工的解决方案。

该技术已经成为航空数控加工的一个发展方向,并开始从航空制造向其他制造领域推广应用。此类数控加工技术与装备的特点及要求可以概括为:

(1)采用高速主轴系统,提供尽可能高的材料去除速率(Material Removal Rate,MRR)。当前应用的高速主轴,转速可达42000r/min,甚至更高。

(2)采用高性能的进给系统,在加工中各种走刀路径获得很高的伺服动态特性,从而缩短切削加工时间。

(3)高性能切削数控技术的应用,使得飞机铝合金结构件数控加工时的材料去除速率高达5000 cm3/min～7000 cm3/min。

1.2 高速切削技术的优点

(1)进给速度也相应提高5-10倍;同时,机床空程速度也大幅度提高,极大减少了非切削时间,从而极大地提高了切削效率。

(2)切削力可降低30%以上,对薄壁件控制变形也有好处。

(3)可保持工件冷态,控制热变形。

(4)可加工出精密高的零件,提高表面光洁度。

(5)高速切削可加工各种难加工材料。

(6)降低加工成本,即高速加工的“一次过”技术。

2 大飞机结构件分类

2.1 按飞机零件的结构特点和用途分类

飞机零件的特点是结构复杂、重量轻、强度和精度较高、壁厚较薄。按照零件结构的外形和用途,大致可分为四类:构成飞机气动外形的薄壳零件,构成飞机刚性的骨架零件,内部设备零件,起飞、着陆和操纵结构零件等。飞机结构件主要指的是薄壳零件和骨架零件。

(1)薄壳零件。主要包括机身、机翼、尾翼的蒙皮、壁板和整流罩,其外形涵盖了单曲率、双曲率和异号曲率等复杂曲面,可以是开敞结构或封闭结构。其中,蒙皮、壁板又分为机翼蒙皮壁板、垂尾蒙皮壁板和机身蒙皮壁板三类。

(2)骨架零件。主要包括机身的隔框、梁和长橼条;机翼的大梁、支板和橼条、翼肋、分离面的接头和型材;座舱盖零件等。其中,隔框可分标准隔框和受力隔框等,梁可分整体梁和铆接梁等。

2.2 按零件的数控加工特征分类

按零件的数控加工特征分类,可将飞机结构件分为平面类零件、变斜角类零件和曲面类或立体类零件三大类。

(1)平面类零件。加工面平行、垂直于水平面或其加工面与水平面的夹角为定角度的零件。其特点是各加工单元面是平面或可以展开成为平面,三坐标数控铣床就可以满足加工要求。

(2)变斜角类零件。加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件,如飞机上的整体梁、框、缘条与肋等。特点是在加工中,加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线,采用四坐标和五坐标数控机床摆角加工即可,也可采用三坐标数控铣床进行行切加工。

(3)曲面类(立体类)零件。加工面为空间曲面的零件,特点是各加工面不能展开为平面,且加工面与铣刀始终为点接触,采用三坐标或五坐标数控铣床进行加工取决于曲面在空间的位置。

3 高速铣削技术应用

3.1 典型飞机结构件的数控加工策略

(1)为减少辅助时间,尽量在相同定位下采用同一把刀具,尽可能多地连续加工,以减少重复定位次数、换刀次数或改变夹紧次数。

(2)在同一次装夹中进行的多个加工内容,应先安排对工件刚性破坏较小的加工内容,以保持后续加工有足够的刚性。

(3)先进行内形内腔加工,后进行外形加工。一般情况下,半精加工或精加工前应首先安排精铣立筋、缘板高度的加工内容,防止由于立筋、缘板壁薄,加工中产生让刀、带刀、颤动等现象。

3.2 典型构件高效切削技术应用

(1)机翼整体壁板的高速高效切削技术的应用。机翼整体壁板分为上壁板和下壁板,上壁板选材为7000系列铝合金预拉伸板材,下壁板选材为2000系列铝合金预拉伸板材;零件外表面为机翼理论外形,内表面为变厚度多槽腔结构。一般的加工流程为先展开数控铣切加工,然后喷丸成型,属典型的薄壳、平面类零件。该类型零件外廓尺寸大、材料利用率低。数控加工首要解决的问题是加工变形控制,其次是加工效率。因此,采用高速加工技术是此类零件铣切加工的最佳解决方案。

如某型号飞机机翼后上壁板,原材料为7055-T7751铝合金板材,毛料厚度21mm,零件轮廓13000mm×2500mm×18mm,材料利用率7.8%。零件外形面局部有下陷,内形面多处腹板下陷和窗口,腹板厚度最小2mm,材料去除量集中在内形面,形成非对称加工格局,加工变形大,易产生翘曲甚至卷曲变形。加工使用机床最高转速10000r/min,使用R63的大直径密齿镶齿刀具,实际使用8000r/min的中高转速切削内外表面和腹板下陷,切削线速度达到了1582m/min,大大提高了材料的去除效率,同时控制了变形,满足了后续喷丸工序的要求。

(2)飞机机翼大梁高效切削技术应用。机翼整体大梁一般选择7+00系列铝合金预拉伸板材,零件上、下两侧为机翼理论外形,一面为梁基准面。另一面为多槽腔结构,腹板多处装配定位孔,属典型的支架、变斜角类零件。该类零件一般为长条形、深槽腔结构,外廓尺寸大,材料利用率低,数控加工的难点包括加工变形控制、转角表面质量控制和加工效率等,因此,高速加工技术仍是最佳的解决方案。

如某飞机的中后梁零件,材料为7050-T7651铝合金预拉伸板材,毛料厚度100mm,零件外廓尺寸8800mm×760mm×92mm,材料利用率3%。该零件为典型的单面结构,一面基准平面,另一面包括上下两侧机翼理论外形、槽腔、下陷和装配定为孔;腹板和缘板厚度尺寸为2-6mm,腹板厚度和理论外形公差均为+0.13/-0.08 mm,零件平面度全长范围要求悬挂状态下5mm。该零件的高效铣削方案如下。

①一块毛坯套裁粗加工两件,节约材料和辅助准备时间;

②槽腔深,刀具悬伸大,选用9600r/min的中高转速和R40的大直径刀具,加工线速度达1205m/min;

③采用分层对称去余量法,有效控制加工变形和缩短加工流程;

④采用了五坐标插铣技术加工深槽腔转角,保证深槽腔小转角的加工质量。

(3)大飞机起落架零件数控加工应用。大型飞机起落架零件大多采用钛合金或超高强度钢锻件毛坯,如B777的主起落架载重梁采用Ti-10V-2Fe-3Al合金锻件,重3175kg,投影面积1.23m2;B747主起落架梁采用Ti-6Al-4V合金锻件,重1290kg,投影面积4m2,长6m,是迄今为止最长的钛合金锻件。

由于起落架零件材料的比强度高、弹性模量小、热导率低,采用锻件毛坯进行切削加工的方式,切削性差。在零件几何结构方面,起落架零件的内外圆表面、凸台、孔等均需要进行数控加工,且几何和形位精度要求高,对数控机床精度、刚性的要求以及对刀具的要求都非常高,同时要求在一台数控机床上可实现多功能的复合加工,如车、铣、钻、镗等多种切削加工,以达到一次装夹完成全部加工的目的。此外,采用车铣方式加工回转表面,还可获得变单刀连续车削为多刀非连续铣削,从而降低切削力,改善刀具散热条件,减小刀具磨损。因此,高刚性多功能的复合加工数控技术及装备、新型涂层刀具材料及刀具结构设计已成为起落架零件切削加工的重要关注点。

4 目前存在的问题

(1)高速数控设备少,零件生产批量小,大型结构件制造的专业化程度低,加工效率低。(2)高效高速加工制造工艺的基础技术比较薄弱,制造流程繁琐,周期长。

(3)几何尺寸检测的理念落后,没有与数字化定义、控制有机结合,辅助时间长。

5 结束语

近年来,高速加工技术在航空零件的研制生产中发挥了越来越重要的作用。随着应用范围的不断推广,数控高效加工在技术和管理等方面仍需不断地发展完善,以满足快速发展的航空制造要求。

参考文献

[1]陈蔚芳等编.现代数控技术及应用[M].北京:科学出版社,2005.

[2]张俊生主编.金属切削机床与数控机床[M].北京:机械工业出版社,1994.

[3]李正峰主编.数控加工工艺[M].上海:上海交通大学出版社,2004.