航空整体结构件高效高精度加工关键技术研究

　　随着现代飞机高速、高机动性能要求的不断提高，飞机上越来越多地采用整体结构件，如飞机的大梁、隔框、壁板等普遍采用了整体化结构设计。整体结构件在现代飞机、航天器上的应用是制造技术的一大进步。

　　整体结构件具有重量轻，在刚度、抗疲劳强度以及各种失稳临界值等方面均比铆接结构胜出一筹的显着优点。然而，在整体结构件的数控加工过程中，常因毛坯的初始应力、结构的不对称性及加工工艺的不尽完善等因素的影响导致工件产生弯曲、扭曲以及弯扭组合等加工变形，对于薄壁结构还会产生失稳现象，严重影响了航空整体结构零件的生产效率和最终产品精度。同时，随着材料科学和加工技术的发展，许多高强度轻质合金材料如钛合金、镍基合金、新型高强度钢等在航空整体结构零件中得到广泛应用。但是，由于这些新型材料特殊的物理力学性能，使其成为典型的难加工材料，严重制约着加工效率和产品质量的提高，对加工制造技术提出了更高的要求。航空整体结构零件的加工精度和加工效率是制约现有先进机型批量化生产和新机型研发进度的瓶颈，这一工艺难题更是大飞机研制必须重点突破的制造工艺难题。本文以航空整体结构零件为研究对象，在分析航空整体结构件加工各工艺环节如刀具、机床、装夹和校正等工艺环节发展现状和存在问题的基础上，提出相应的解决策略，为实现航空整体结构零件高效高精度加工提出可行的技术方法，以起到抛砖引玉的作用。

　　一、航空整体结构件高效高精密切削加工刀具

　　航空整体结构件加工普遍采用数控加工技术，数控加工所依赖的关键技术之一就是数控刀具技术。数控刀具的性能和质量直接影响到数控机床生产效率的高低和加工质量的好坏。目前，我国航空制造业中的高档数控刀具几乎全部依赖进口。国外用于铝合金加工的30 000r/min以上设备开始应用于实际生产；随着新战机的开发，对不断涌现的难加工材料（钛合金、镍基合金、新型高强度钢、复合材料等）提出了越来越高的要求。开发我国航空整体结构件高效、高精密切削刀具不仅可以大大降低我国航空制造业的制造成本，提高加工质量，而且可以从根本上提升我国航空航天工业的数控加工水平。

　　加工效率的提高主要来源于新型刀具材料的开发与应用。到目前为止，已经开发了许多新型高效刀具材料，主要包括：粉末冶金高速钢（PM HSS）、硬质合金（特别是超细颗粒硬质合金）、金属陶瓷、立方氮化硼（CBN）和聚晶立方氮化硼（PCBN）、聚晶金刚石（PCD）和单晶金刚石。再加上复合涂层技术（物理涂层PVD和化学涂层CVD），使现代刀具材料的综合性能得到了提高，促进了航空整体结构件加工效率和加工质量的提高。下面介绍几种材料的刀具。

　　1. 高速钢刀具

　　粉末冶金高速钢是高速钢制造技术的突破，拓展了普通高速钢的应用范围，其最大优点是解决了碳化物偏析问题，大大提高了钢材的强度与韧性，无需再进行锻造加工来改善组织；另外，合金元素含量可以提高，使材料具有良好的耐磨性。尽管目前硬质合金取代高速钢成为刀具材料的主流，但高速钢的高强度和刃口的锋利性是硬质合金无法比拟的，再加上涂层技术使高速钢在复杂形状的精密刀具中仍占据这不可替代的地位，即使在一些航空难加工材料如钛合金，AF1410新型超强度钢的加工中高速钢刀具也发挥着独特作用。

　　2. 硬质合金刀具

　　20世纪40年代，以碳化钨为主要材料的用粉末冶金工艺制成的硬质合金出现后，刀具材料出现了一次大的飞跃，切削速度提高了至少三倍以上，耐热性（以前称为红硬性）从600℃提高到900℃以上。在我国，由于通用机床仍占有主要地位，目前硬质合金刀具的使用还没有达到国外的水平，但是随着数控机床的推广，其发展速度也明显提高，在航空制造业的带动下，国内一些知名刀具厂家开发的数控刀具（如厦门金鹭特种合金公司）已接近或到达国外同类产品的水平。

　　超细晶粒硬质合金通常是指WC平均粒度介于0.2～0.5μm的硬质合金。由于组织微细、WC与粘结相的结合强度大，使该合金同时兼有高韧性、高强度、高硬度而被誉为“三高合金”。

　　随着超细晶粒硬质合金性能的提高，其应用范围在不断扩大，超细晶粒整体硬质合金刀具在航空铝合金、钛合金的高速加工中发挥重要作用。

　　3. 超硬刀具

　　金刚石和立方氮化硼属于典型的超硬刀具材料，金刚石具有极高的硬度（可达10000HV）、极好的导热性、好的化学稳定性（除与Fe等反应外）和低的线膨胀系数；立方氮化硼也有很高的硬度，仅次于金刚石，耐热性非常好，耐热温度可以达到1400～1500℃，而且具有比金刚石更好的化学稳定性。这些特性使得它们成为高速切削钛合金理想的刀具材料。国外已綷-开始了使用金刚石和立方氮化硼刀具高速切削钛合金的研究和应用。随着各种新型难加工材料应用的增多，必然将促进超硬刀具材料进一步的发展与应用。

　　4. 涂层刀具

　　刀具表面涂层是解决刀具性能两个关键指标—强度和韧性这一对矛盾的有效途径。在先进制造业中，硬质合金刀具及高性能高速钢刀具，80%以上都采用了表面涂层技术，CNC机床上所用的刀具90%以上是涂层刀具。为了更好地解决难加工材料加工问题，材料科学家开发了许多新的涂层牌号，包括添加Si到TiN中形成的TiSiN涂层，或在A1TiN涂层中增加Al含量，或用Cr代替Ti开发出A1CrN涂层，以及具有更高硬度、韧性和抗高温氧化性能的纳米结构涂层等。航空难加工材料的发展，促使涂层技术及其工程应用的发展，如新型钛合金材料Ti5553（Ti-5Al-5Mo-3Cr），属于β型钛合金，与常用的航空用钛合金Ti-6Al-4V相比，具有更好的淬硬性和抗疲劳强度，更适合制造关键零件，但比传统的钛合金更难加工，加工Ti5553的刀具寿命不及Ti-6Al-4V的1/5，美国Niagara刀具公司与航空公司合作，综合利用涂层技术、新型刀具结构及工艺参数优化成功解决这一难加工材料的加工问题。

　　刀具结构参数优化。刀具结构的创新是提高刀具切削性能的重要途径。通过采用先进的CAD/CAE/CAM等技术，针对加工对象的结构和材料特性，涌现出了越来越多的先进的刀具结构，如多功能面铣刀、模块式立铣刀、大进给铣刀等；与此同时，出现了各种新型可转位刀片结构，如多功能、多盘的机夹梅花刀，形状复杂的带前角铣刀刀片等。通过采用先进的刀具结构，可以更好地发挥刀具材料和刀具涂层的功用，提高刀具的整体切削性能。

　　航空整体结构件大都采用铣削加工，刀具材料、涂层、刀具结构是提高切削性能的关键因素，而结构形状影响着加工精度和切削稳定性。在进行刀具结构设计时必须加强刃口微观结构设计研究，包括减振韧带、刀具钝化等。刀具钝化可显着提高刀具的切削性能和使用寿命，国外学者对刀具钝化技术给予高度重视，Yung-Chang Yen等人采用有限元仿真方法研究了刀具刃口半径对于切削加工的影响，包括对切削力、切削温度等因素的影响，K.D.Bouzaki等人采用有限元仿真和试验相结合的方法分析了刀具刃口钝化半径对于涂层刀具寿命的影响；N. Fang等人分析了刀具刃口钝化对于铝合金加工的影响，J. Rech等人分析了刀具刃口半径对于高速钢铣刀片抗磨损性能的影响。国内对刀具刃口处理研究较晚，国内的桂育鹏研发了小型可转位刀片钝化机，用于刀片刃口钝化，山东大学进行了钝化刀具和非钝化刀具铣削钛合金的实验研究。在航空材料加工中，无论是铝合金还是钛合金等难加工材料的加工，刀具刃口部分的结构设计与优化是影响加工效率和刀具寿命的关键因素之一。

　二、适应航空整体结构件加工要求的机床开发

　　在新型飞机的设计中，新材料、新工艺和新结构不断得到应用，对加工设备规格和性能参数提出了新的要求。

　　在新材料中，钛合金和复合材料的应用越来越广泛，包括钛合金框、梁肋、接头及复合蒙皮、骨架等的应用。铝合金虽然仍作为主体材料获得广泛应用，但所占比例在不断减少，新材料的应用比例在不断增大。为提供加工质量和加工效率，在航空整体结构件数控加工中，必须开发和选用适合其结构特点和材料特性的数控加工设备。

　　作为主体材料的高强度铝合金整体结构件，其毛坯是60～300mm厚的铝合金预拉伸板材或铝锭，长度从1m以内直到30m。毛坯的金属切除率在80%以上，新式战机甚至高达95%。由于在飞机结构设计中广泛采用三维CAD和有限元分析，其结构得到不断优化，材料性能获得充分利用，从而在提高结构件强度的同时，显着降低其重量，这就导致结构形状复杂化、空腔多、壁厚薄，这就要求提高机床的联动性，许多航空整体结构件需要5轴联动的机床才能加工；同时要提高机床转速，从机床的角度保证航空整体结构件的高效加工。

　　钛合金、镍基合金、高强度钢等新型材料在飞机结构件中的应用可显着提高新型飞机的综合性能，但这些材料大都属于难加工材料，给加工制造带来很大困难。在加工过程中，在正确选择刀具材料和结构参数，并进行工艺参数优化的基础上，需要针对被加工材料的特性，有针对性地开发相应机床，例如针对钛合金加工过程中功率消耗大、切削速度比铝合金加工低、加工过程中极易产生振动等特点，辛辛那提机床公司专门开发了针对钛合金加工的高刚度、大扭矩、大功率数控加工机床，最近又推出加工材料范围从铝合金到钛合金的数控加工中心。

　　三、航空整体结构件数控加工变形控制技术

　　1. 基于有限元仿真航空整体结构件数控加工变形预测与控制

　　航空整体结构件结构复杂，尺寸大，加工过程中常因复杂的动态热－力耦合作用导致加工变形，加工变形预测与控制是航空整体结构件制造工艺研究的关键问题之一。近年来，随着计算机技术与数值计算理论和方法的飞速发展，有限元仿真技术开始在切削加工工艺理论研究中得到广泛应用。相对于实验研究和理论分析，有限元仿真技术能够节省大量的时间和成本，并能够获得实验难以测试的物理力学参数如应力、应变、应变率和温度等，利用有限元仿真技术研究和解决整体结构件数控加工变形问题成为当前研究的热点和重要方向之一。基于有限元仿真航空整体结构件数控加工变形预测与控制的研究主要包括如下几方面：

　　（1）考虑毛坯初始残余应力影响的加工变形预测有限元仿真分析

　　Wang等人在商业化有限元软件MSC.Marc系统上，集成了数控加工过程有限元仿真模块，分析了毛坯初始残余应力对零件整体加工变形的影响。孙杰在对整体结构件加工变形问题的研究中，通过有限元模拟研究证明：毛坯初始残余应力对隔框零件整体加工变形起着主要影响作用； A strom采用单元生死技术研究了零件在初始内应力作用下的整体变形，刀轨路径通过参数方程给定；Guo等人在给定毛坯初始残余应力和装夹条件下，利用有限元仿真技术模拟了不同的铣削加工走刀路径对航空框类零件加工变形精度的影响，并得出从外向内的铣削路径产生的加工变形小的结论；王树宏综合考虑毛坯初始残余应力、装夹条件和铣削力等因素的影响，建立了多因素耦合影响的铣削加工变形有限元分析模型，并将其应用于实际框类零件铣削加工变形的预测分析；浙江大学在航空整体结构件加工变形预测和控制方面进行了较为系统的研究，王立涛采用有限元仿真技术研究了框类整体结构件加工方式和加工工序对加工变形的影响规律，结果表明，内环铣使已加工表面应力失衡而严重影响零件变形并可能导致平面度超差，蜿蜒和并进模式由于多处应力集中而引起零件不规则变形，而外环铣则比较理想；黄志刚综合考虑了毛坯初始残余应力，切削力、切削热、装夹以及加工路径等因素的相互耦合作用，建立了铣削加工过程热力耦合有限元模型，通过对顺序铣削、奇偶铣削以及偶奇铣削三种加工顺序模拟结果的比较，得出了奇偶铣削引起的加工变形最小的结论；董辉跃、成群林、杨勇等在黄志刚工作的基础上，对整体结构件有限元建模过程进行了改进，在切削载荷的获取和施加、有限元网格划分、走刀路线的自动化实现等方面进一步完善，最后对实际大尺寸航空整体结构件——前梁铣削加工全过程进行了模拟研究，预测了零件整体加工变形。所建立的有限元分析模型及梁类零件仿真结果与实验结果如图1～3所示。山东大学路冬考虑装夹布局因素的影响规律对整体结构件加工变形过程进行了有限元模拟研究，并基于加工变形结果进行了数控加工工艺优化研究[34]。

　　（2）薄壁结构件加工变形的预测与控制

　　针对薄壁型结构件产生的局部加工变形问题，武凯等人采用有限元仿真技术研究了薄壁腹板、侧壁加工变形规律及其变形控制方案，指出大切深法以及分步环切法可以充分利用薄壁件自身刚性，减小加工变形，提高加工精度；王志刚等人[36]基于材料始终处于弹性范围的假设，分析了薄壁零件的加工变形，数值模拟时考虑了切削力作用下侧壁的弹性变形，但没有考虑初始残余应力和切削热对变形影响；Wan等人[37]基于三维非规则网格的刀具/工件变形的耦合迭代以及恒定网格下材料去除效应的变刚度处理方法，研究了零件铣削加工中的变形，并预测了加工表面误差；王兆峻等人研究了毛坯初始残余应力对薄壁件加工变形的影响而没有考虑切削载荷的影响。

　　尽管采用有限元仿真技术能够对航空整体结构件加工变形进行预测，但是，由于模拟中材料模型和实际工件材料的物理属性不能很好的吻合，而且建模过程进行了一定的简化，没有考虑到周围环境的影响，如温度的影响导致的热变形，以及机床振动、刀具磨损等因素产生的影响，因此，有限元模拟结果和实际变形情况仍有较大的差距。在仿真过程中，摩擦模型及材料断裂准则与实际情况也存在一定的差距。今后，随着切削加工物理建模环节的完善和计算机数值仿真技术的发展，有限元模拟加工变形的精度将会得到较大的提高，使有限元仿真分析对实际生产的指导进入应用阶段。

　3.2 面向高精度加工的装夹具优化

　　夹紧力是影响航空整体结构件变形的重要因素之一，工件在机床上的装夹精度是影响整个加工精度的重要因素，20~60%的加工误差是由装夹引起的。夹具的刚度和稳定性直接影响工件的尺寸和形状误差，尤其对弱刚度结构件，夹紧力引起的变形更是不容忽视。通过调整夹具元件的位置或添加必要的夹具元件，能够达到减少变形的目的[40]。然后，夹具设计未受到同工件结构设计一样的重视。随着对航空整体结构件加工精度要求的提高，对装夹方案优选研究逐渐受到重视。

　　分别建立了有限元仿真分析模型，对装夹部位与装夹顺序等对加工变形的影响进行了定量分析。文献提出了夹具工件系统的准静态模型，基于有限元方法对夹紧元件的布局进行优化。Necmetin采用遗传算法，基于ANSYS有限元数值计算进行装夹位置优化。以加工过程中航空框类整体结构件的最大变形最小为目标函数，采用遗传算法和有限元法相结合的方法，建立了航空框类整体结构件夹紧点位置及夹紧点数目递推优化模型，根据该优化模型对航空整体结构件进行装夹布局优化。Haiyan et al建立了确定加工过程中所需最小夹紧力的分析模型。Satyanarayana et al基于理论和实验研究，对夹紧元件的接触和摩擦问题进行了分析，为装夹方案优化有限元分析建模边界条件的确定提供依据。

　　装夹方案的优选在航空整体结构件加工中的地位尤为突出，需要进一步开展薄壁件跟踪刀具轨迹的智能装夹系统和基于应力均布的装夹系统研究，这些工作理论和实践均需加强。

　　航空整体结构件数控加工变形是切削加工过程中毛坯初始残余应力、切削过程中的热应力和机械应力、装夹应力等耦合作用的结果，尽管开展了切削加工过程变形预测与控制、基于变形最小装夹方案优化研究，但所进行的研究工作大都是独立进行的，需要开展综合考虑加工应力与装夹应力在切削加工过程中的变化特点与对加工变形影响的研究。另外，工艺规划和数控编程技术在航空整体结构件加工变形控制中也发挥重要作用。

　　4 整体结构件的数控加工变形校正技术研究

　　目前，对航空整体结构件加工变形问题的研究主要包括两个方面：加工变形的控制和已产生加工变形零件的校正。航空整体结构件数控加工变形控制已经取得一定成果，但对某些结构复杂、刚性差，特别是非对称薄壁结构件，加工变形仍然无法得到有效控制，短时间内还很难将所有整体结构件的加工变形都控制在设计精度范围之内。为了获得工件的最终制造精度，必须对变形零件进行校正。可以说变形校正是保证整体结构件最终制造精度不可缺少的重要手段和工艺环节。

　　由航空整体结构件的结构形式，决定了其加工变形也有其独特特点，目前，航空整体结构件的主要变形形式、校正方式及校正难点。

　　针对不同航空整体结构件的结构特点和变形特点，需要采取与之相适应的校正理论和方法，国外对航空整体结构件的变形校正非常重视，如波音公司已经建立了热校正、应力松弛校正等的相应技术规范和操作标准；空客公司开发了滚压校正的专用装置。我国目前对变形校正的研究主要集中在航空整体结构件机械校正理论和方法的研究，重点研究反变形校正的压下位移量和极限校正载荷。对U型截面工件反变形校正压下位移量和安全校正参数进行了系统分析；建立有限元模型分析复杂结构航空整体结构件的变形校正载荷，将变形校正载荷的确定建立在定量计算的基础上。进一步建立了基于二倍斜率法确定极限校正载荷的方法。极限安全校正载荷的计算和确定非常关键，确定不当将引起昂贵整体结构件的报废，研究了采用二倍斜率法确定校正极限载荷的方法，所谓二倍斜率法是基于工件的载荷－位移关系曲线分为弹性变形区和塑性变形区，求出线弹性部分直线相对于纵轴的斜率，然后作一条斜率为该斜率2倍的直线，与原载荷－位移关系曲线相交，交点对应的载荷即为所求的校形时的极限载荷。图4和图5分别是山东大学试验和有限元仿真分析获得铝合金梁比例件的压力-挠度曲线及二倍斜率法确定极限载荷的方法。实验数值和有限元仿真分析结果是吻合的。实际生产中，可对有限元计算获得的极限校正载荷增加一个安全余度，即对通过二倍斜率法获得的极限校正载荷乘以一个小于1的系数，作为实际生产中的控制载荷。

　　对于结构复杂特别是薄壁零件，当无法采用反变形校正时，可采基于应力再分布的滚压校正方法进行校正，山东大学在该领域做了较系统的研究工作，图6是滚压校正有限元分析模型。

　　6 结论与展望

　　（1）针对航空结构件材料的物理力学特性，开发和选用相应的刀具材料、刀具结构是实现航空整体结构件高效高精度加工的关键环节之一。

　　（2）钛合金等难加工材料在加工过程中功率消耗大、易产生振动，为实现难加工材料航空整体结构件的高效高精度加工，除了进行相应的工艺参数优化外，需要开发与其加工特性相适应的加工中心。

　　（3）变形控制是航空整体结构件加工中需要研究解决的重要课题，在充分利用有限元数值计算对加工过程进行仿真并进行变形预测的研究基础上，结合装夹技术、工艺规划、冷却方式、数控编程等多项技术的综合研究成果，实现航空整体结构件加工变形的有效控制。

　　（4）变形校正是航空整体结构件制造中不可缺少的重要环节，反变形校正的压下位移量的定量计算和极限校正载荷的确定直接关系到变形校正的生产效率和安全性。要进一步加强滚压校正、应力松弛校正等新型校正理论和方法的研究。

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