航空整体结构件加工技术

　　【编者按】随着材料科学与制造技术的发展，在航空整体结构件中越来越广泛地采用许多新型难加工材料，如钛合金、镍基合金以及超耐热合金等材料，对于开发适合航空整体结构件结构特点和材料特性的数控加工机床特性要求也将更高。

　　随着航空领域竞争的愈益激烈，对飞机性能提出了更高的要求。就现代飞机结构设计的特点是重量轻、结构强度高，降低飞机的自身结构重量，就意味着提高了飞机的机动性、增强了携带负载的能力，并能获得更远的飞行距离；而且，随着重量的降低、结构强度的提高，还可以延长飞机的服役寿命。为此，在飞机结构设计和制造中，一些大型复杂结构零件，尤其是主承力结构件（如飞机大梁、隔框、壁板等）普遍采用了整体化结构设计。整体结构不但可以减少零件数目，降低结构重量，而且使飞机的结构效率和可靠性成倍甚至数十倍地提高，可以说整体结构件在现代飞机上的应用是制造技术的一大进步。然而，在整体结构件的数控加工过程中，常由于毛坯的初始应力、结构的不对称性及加工工艺的不尽完善等原因导致工件弯曲、扭曲以及弯扭组合等加工变形；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，随着材料科学与制造技术的发展，在航空整体结构件中越来越广泛地采用许多新型难加工材料，如钛合金、镍基合金以及超耐热合金等，这些材料具有强度和硬度高、塑性和韧性好、导热性差、存在微观硬质点、化学性质活泼等特性，在切削加工过程中刀具所受的切削力和切削热明显升高，导致了严重的加工矛盾，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。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，特别是大飞机的研发，使得这一关键工艺问题显得尤为突出。

　　航空整体结构件的加工制造是一个系统工程，机床、刀具、装夹和工艺等都是这个系统中的关键技术环节。这中间的任何一环都将影响产品的加工质量。本文以航空整体结构件为研究对象，在分析各个加工关键技术的研究现状、存在问题和发展趋势的基础上，提出了相应的解决策略和可行的技术方法，力求为实现航空整体结构件的高效、高精度加工提供理论依据。

　　大型结构件加工对机床功能的需求

　　航空钛合金等难加工材料加工过程中切削力大、切削温度高，容易产生振动，因此在航空整体结构件加工制造中，要求机床具备高刚度、大功率和大扭矩的特性，同时具备更好的抗振能力。机床的主轴在加工过程中直接支持工件或刀具的运动，主轴的性能对工件的加工质量和机床生产效率均有重要影响，提高主轴刚度将是保证机床加工航空整体结构件精度的重要环节之一。机床的导轨和支撑件的联接部件，对工件加工质量和机床加工特性影响也很大，联接部件往往是局部刚度最弱的部分，联接方式对其刚度影响很大，如果导轨的尺寸较宽时，应用双壁联接型式，导轨较窄时，可用单壁或加厚的单壁联接，或者在单壁上增加垂直筋条以提高局部刚度。

　　目前高刚度、大功率和大扭矩特性的机床设计和开发，主要采用优化设计方法和有限元仿真分析方法。优化设计是优化理论在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的理论、方法和标准规范等建立一个反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型， 然后利用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。基于物理仿真的有限元方法是近几年来研究系统结构动力特性的有效手段，通过机床加工动态过程有限元分析能够预先观察机床的承力性能以及主轴部位载荷和应力的变化情况，从而可以利用有限元分析结果对机床动态特性进行优化设计。

　　在有限元分析中可用“粘合”方式来模拟机床零部件之间的固接关系，动平台与挡板之间的接触是滑动接触，并用油进行润滑，其滑动摩擦系数相对较小，可近似视为无摩擦滑动，在分析中可用“无摩擦接触”方式来模拟这种连接关系。对于主轴承载情况，可通过对主轴、刀具、工件施加位移、速度等边界条件，构建真实的主轴、刀具、工件作用过程。通过对机床不同部位的动态特性进行有限元仿真分析，对机床各个系统结构进行优化设计，最终开发出能够高效加工航空整体结构件的的机床系统。

　　随着许多新型航空材料的应用和航空整体结构件的几何形状及结构不断改进更新，对加工此类零件的机床特性要求更高，除刚度、功率和扭矩等特性外，还需要对机床的机械部分、冷却系统、工作空间以及机床联动性等进一步设计，开发适合航空整体结构件结构特点和材料特性的数控加工机床，实现航空整体结构件的高效高精度加工。

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