飞机整体结构件数控加工中发生的问题与解决方案

摘  要：现代航空业的发展趋势是高机动、高安全性、高新材料，因此，在飞机上采用了大量的集成结构，从而大大减少了飞机组装的工作量，提高了飞机的整体性能，推进飞机结构性能的最优开发。但是，目前的制造加工工业，由于其加工工艺、材料等的特殊性，使得加工制造中出现了变形，对加工设备的要求也相对提高。为此，应采取主动、高效的工艺技术，提高飞机结构件数控加工的质量与效率，促进我国航空工业的发展。对此，本文讨论了飞机结构件数控加工中出现的问题和解决办法。

关键词：飞机整体结构件;数控加工;结构特点;分析;探讨

前言

在工業4.0时代到来的今天，航空制造业的数字化、自动化、柔性化、智能化是未来航空制造发展的必然趋势。国外军用民用飞机制造企业为了降低生产成本和人工成本，把飞机数字化生产线的制造技术作为其核心技术。基于同类产品的数字尺寸协调系统，大规模地运用了数字化脉冲线制造，并在不需要人为干涉的情况下，在数字化装配等制造领域，实现了流水线加工模式。近几年，航空生产技术迅速发展，航空产品、装备、工艺等以信息化为动力;管理、服务的数字化、自动化和智能化是航空工业发展的主要趋势。为了适应航空工业结构构件柔性化和自动化发展的需要，国外先进航空公司开始了以自动生产线为代表的飞机结构零件生产的新模式。为了满足新一代飞机的技术需求，使其生产效率和产品品质得到极大地提升，我国航空发动机制造企业积极发展飞机结构件生产线，实施数字化、自动化、信息化的生产线建设，提高飞机结构件加工数字化与自动化制造水平，推动飞机制造业的转型升级。本文介绍了飞机结构件三轴加工工艺模型，并对其工艺方法、数控编程、测试等进行了深入的研究，实现了自主研发和设计，从而突破了国外一些技术领域的局限，节省了生产成本;最后，实现飞机结构件的流水线制造，对于提高航空工业的整体技术水平，将会起到很大的作用。

1、飞机结构件概述

飞机的结构部件种类繁多，形状复杂，材料多样，是飞机机身结构和气动外形的主要部件。相对于普通的机械部件，它具有较高的加工难度和生产水平。例如：壁板、横梁、框架、座舱罩骨架等与构成飞行器气动外形的流线型曲面、各种异型断面、结合槽口;交点孔结合为一种复合结构。整体构件的尺寸较大，壁面较薄，容易发生变形，各部件之间的间隙只有2～5毫米，而腹板的厚度只有2～4毫米。航空工业中，零件的数控加工是航空零部件的重要组成部分，新一代战机中，CNC加工占75%以上，这些CNC件主要包括框架、横梁和肋条;壁板、连接件和蜂窝状构造，其中框、梁、肋、壁板和联轴节是飞机结构中最典型的部件，其加工周期长、数量大、工艺难度大。

2、飞机整体结构件结构特点

从目前我国航天飞行的实际情况来看，目前的飞机结构部件是以铝合金、钛合金和复合材料为主。在飞机的整体结构中，铝合金是最主要的成分。但随着我国化学材料的不断发展，复合材料产品在航空工业中的应用将会越来越广泛，其应用范围也会越来越广。

2.1飞机整体结构件的外部特点

飞机整体结构部件包括：机翼整体油箱壁板、机身活动舱门、机身整体框架和机翼横梁。①整体构件的形状和大小都很大。目前，大部分的整体结构都是采用一整片铝合金板材进行整体加工，但有些构件采用了框架结构，有些采用了梁结构，采用了不同的铝合金材质。所以各种形状和大小的材料都要依赖于大型CNC。②飞机的整体构件内部构造比较复杂。飞机的总体构型虽有一定的规律性，但其表面的加工弧度、变斜角等参数的控制与飞机的飞行原理等有着密切的关系，所以在制造过程中需要考虑的细节也很多。例如，在整个结构构件的内部，存在着许多“槽腔”，在加工过程中必须避免尖锐的棱角。③薄壁构造增多。飞机的整体构件没有太多的肋骨和肋骨，通常厚度为5～0.5mm，属于薄壁结构，对数控技术有很高的要求。

2.2飞机整体结构件的加工特点

①处理的工作量很大。以上所提及的整个飞机的结构部件都是采用全铝合金板材进行加工，其切割率高。总体上可达90%以上，而且整体结构件的质量也比较轻。为了适应飞机整体结构零件的精密要求，需要在加工过程中应用高速切削技术。此外，整个结构具有多个特点，总体大小差异很大，各部件的特点刚度要求也各不相同，对加工工艺的要求也很高。②对表面处理的质量有很高的要求。由于飞机整体零件的加工过程中，有些零件的连接部分需要进行CNC加工，对角度和叉耳槽等精度要求很高，所以在CNC加工中，需要一次装夹来实现。③它包含了许多特殊的结构，例如，薄壁结构，在制造过程中，对不同的装夹工艺、数控机床的走刀策略都有了更精确的要求，同时也要防止飞机的整体薄壁结构在加工过程中出现颤振。④需要更高的参数性能。在航空发动机的结构加工中，存在着大量的曲面，因此，数控机床必须进行五轴联动，对轴承等具有很高的柔性。

3、飞机整体结构件数控加工存在的问题

根据飞机整体结构零件的特性，目前的CNC加工技术存在着加工变形、零件产生偏移等质量问题。

3.1飞机整体结构件数控去除引起的工件变形

在切割过程中，零件的内部破坏会破坏零件的平衡，造成零件内部变形<0.3mm。从实际生产的飞机结构零件的加工过程中，分析了造成零件变形的机理，其机理有：①由于加工物料的残余压力释放而引起的结构件变形。以上所提及的飞机整体构件所需的材料体积大，且在处理过程中所产生的应力也比较集中。在整体结构零件的制造过程中，材料的内部应力会聚集在一起，而在某些工艺过程中，通过热处理等工艺过程，可以充分地释放出结构构件中的残余应力;从而造成已加工完毕的整体构件部分的变形。②刀具尺寸对整体构件产生的形变效应。在数控机床上，刀具尺寸的选取是实现飞机整体零件的关键。目前，在进行整体结构零件的切削时，必须要用钳子将刀片的位置和尺寸固定下来，而一旦切割完成，整个构件的内应力就会被释放出来，从而引起变形。可以认为，随着加工厚度的减小，所产生的应力和变形将更为显著。③切削过程中，对飞机整体结构零件的条件设定的影响。在整个结构件数控机床的制造中，要使整个零件充分自由地装配到夹具和机床的表面上是不可能的;失去夹持力的整体构件，将会发生表面的变形。

3.2数控机床加工中刀具对工件的变形影响

在对工件进行毛坯的加工时，必须采用夹具结构来固定工件，并根据照排系统设定的工艺过程，对零件的曲面进行控制。然而，由于工件自身的厚度较低，其整体刚度低，加工过程中所需的物料数量减少，而在高速切削过程中，其变形难以预测，难以控制。

4、导致整体结构件加工变形的具体因素分析

在对工件进行毛坯的加工时，必须采用夹具结构来固定工件，并根据照排系统设定的工艺过程，对零件的曲面进行控制。然而，由于工件自身的厚度较低，其整体刚度低，加工过程中所需的物料数量减少，而在高速切削过程中，其变形难以预测，难以控制。

4.1减少材料中剩余压力的释放造成的结构件变形

在结构制造过程中，由于结构构件的变形，其变形主要表现在三个方面：一是由于残余应力的释放而使结构件发生变形;其次，使用工具在切削工件时所产生的应力;第三，在切削或加工时，由于夹具的影响而引起的变形。

4.2刀具对工件的作用效果

工件的毛坯在加工后，由于夹具的夹持，必然会产生一些变形，而这种变形是由工件的加工夹具引起的;因此，这样的变化是很难避免的。从工件自身的特点出发，随着工件的整体厚度增加，其刚性也相应增加，剩余应力也相对较少。但由于工件的整体厚度很低，所以在卸载过程中，工件会发生很大的应力变形，这种现象必须得到充分的关注，并通过适当的退火处理来消除。

4.3工件在切削加工中的装夹条件

没有工件装夹的完全自由。在装夹完成后，工件受到夹持力的作用，使工件与夹具或床身接触。完成工件切割后，工件仍能均匀地与夹具或机床床表面相配合，卸下夹紧后，再无夹紧力;从而产生表面的拉、压应力，从而产生抗变形的作用。

5、飞机整体结构件数控加工的对策

5.1如何实现对结构件加工变形的抑制

5.1.1对毛坯工件的残余应力进行全面消除

通过研究，可以看出，在加工过程中，可以采用预拉伸、退火、冷加工等方法来去除残余应力。为了消除剩余应力，必须对具有特殊材料的坯件，如铝合金等进行冷加工。从冷加工的角度来看，它是将毛坯放入冷却介质中，待待成型的工件达到冷却状态后，再利用高速蒸汽将其喷出。该方法可有效地解决坯件的应力和变形，并最终消除了坯料的应力。

5.1.2对毛坯工件切削加工产生的应力全面消除

在对坯件进行切削时，坯件在刀具的切割下，会产生大量的热，并在一定程度上形成应力。这会造成坯件的变形。低应力切削技术是以降低切削单位体积能耗为目的，采用更高的切削速度和更少的切削用量，以减小切削硬化层，改善加工表面的完整性;此外，高速切削的硬铝合金加工速度非常快，超过95%的切削热都会从工件中排出，而不会因高温而产生弯曲和变形。在切削加工中，对刀具的内部冷却和压力的控制是十分关键的。

5.2切削加工工艺的优化

为了降低整体结构零件的加工变形，应从工艺的观点来考虑，合理地安排加工过程和各工序之间的余量分布。对两面的工件，要在两面都进行均匀的切削。同时，通过对夹具的改造，可以对工件的变形进行有效的控制。飞机整体薄壁结件的加工，需要使用真空夹具，而真空夹具可以保证良好的位置和支承;此外，在多槽加工复杂零件时，每一槽仅完成一道工序，然后用刀具对另一道槽进行切削;每一槽仅加工一层，多层可将复杂零件的多道槽完成，从而可降低复杂、多槽零件的加工变形。

5.3整体结构件加工变形的校正

根据目前的研究成果，目前对大型整体构件加工时的变形成因尚未形成统一的认识，采用的方法很难满足实际需要;因此，有必要对这些问题进行有效的纠正。从我国现行的矫正变形方法来看，大多是采用纠偏装置，实际实施效果不佳，成功率低。了解到，要对加工过程中产生的变形进行有效的修正，必须首先认识和识别工件的变形，然后采取相应的安全纠正措施;确保对已加工的工件进行有效的修正，且不会对工件造成伤害。

5.4对工件的变形情况进行了解和识别

在了解了工件的变形后，可以看出，工件的变形主要有弯曲和扭转两种。通过对其定义的推导，得出了弯曲变形的方向是纵向的，即工件在某一平面上的弯曲和变形，而扭转变形是三维的;是指在一定的角度上，所产生的扭曲变形。由于两者在变形模式、变形程度等方面存在着一定的差异，因此，要正确地识别出工件的变形，就必须对其采取正确而有效的纠正措施。3.2整体构件的安全校形总体构件通常存在着弯曲和扭曲两种情况，其校形工艺顺序为先扭后折。实践表明，这种次序对完全消除变形是有利的。采用科学的校正措施，确保了整体构件的加工精度。目前，對工件的校直大多是采用冲压、弯曲等方法。但是，某些工件由于本身材质的缘故，不能进行修正;此类工件，如果其变形超过了容许的产品，将会因为其变形过大而不能使用。

5.5优化飞机整体结构件的数控加工工艺

5.5.1优化切削加工工艺

目前，对飞机整体结构件数控加工工艺进行优化是降低其加工制造变形的主要途径。目前，为了达到最佳切削加工的目的，可以对整个结构零件的两个表面进行均匀的加工，并对其进行合理的加工。同时，对整个结构进行了两个侧面加工时，由于夹具的改进而引起的位移变形。例如，在薄壁结构的制造中，利用更薄的结构夹具来支持零件，保证了CNC的连续加工。

5.5.2展开对飞机整体结构件的变形校正处理

尽管在实际生产中，已有一系列的零件加工变形控制技术，但这种控制方法无法有效地实现产品的精度要求。同时，还可以采用一种修正的方法，对可能出现的变形进行修正，从而使加工后的工件的变形得到有效的修正。对飞机的总体结构进行精确的控制。首先，必须要对整个结构件的变形进行全面的认识和识别，这样才能对其进行相应的处理，比如结构件的加工变形一般是弯曲和扭曲。前者是纵向上的变形，后者是三维的，也就是说，在一定的角度上，它会发生扭曲。其次，对整个航空器进行了变形修正。在整个飞机结构构件的变形中，必须遵循先扭后折的原则，然后进行挠曲修正，这样才能完全避免整体构件的变形。目前在生产技术的支撑下，常用的纠偏方法有冲压和弯曲矫直器。但如果在数控加工过程中，由于零件的变形超出了容许值，就不能进行纠正。

5.6精度检查和相关调整

根据航空大型结构零件的精度要求，再结合机床的特点和寿命，确定相应的检验项目，并按此方案进行的检验方法有以下三种。

5.6.1日精度检查

机床精度日检验是由操作员每日进行的，每日的主要工作就是定位精度，主要是重复定位精度和机床原点精度，其次是用激光探测器对机床原点进行校正，日检时的精度可以根据坐标校正来调整，从而更好地保证加工部位的定位，保证产品的品质。

5.6.2月精度检查和相关调整

每月的精度检查项目都是由相关的维护人员来完成的，并且要有一定的时间来进行设备的几何精度的检测，每个检测项目都要设置一个与之相适应的允许偏差。月精度检查的主要内容是关于机床部件和重点项目，月精度检查的内容不多，操作也比较简单，一次检查的时间大概在一个小时左右，这样可以讓设备部门实时了解设备的动态。每月检查的内容有：主轴与Z轴平行度检查，主轴径向跳动，主轴轴向跳动;主轴与C轴的共轴度等多项工程。

5.6.3年精度检查

年精度检查包括了设备的年度精度检查，包括几何精度、位置精度和工作精度，检查的内容包括了各个坐标轴的垂直度、各坐标轴的重复定位精度、机床的动态精度等，其中芯棒、球头刀具、大理石方尺等等。

6、结语

综上所述，飞机的总体结构零件数量控制技术是关键。根据目前飞机总体结构的CNC加工技术，可以看出，由于飞机整体结构具有可复制性和较大的尺寸，结构中存在多薄壁结构、曲面结构等特征，而目前的数控机床设备并没有达到最佳的性能，因而在制造过程中会产生结构的畸变。因此，必须对其进行正确的处理，并对其产生的机理进行分析，提出相应的优化控制措施，使飞机的整体结构件数控加工过程精度得到最优控制。

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作者简介：

于天成，男，1991-06，汉族，辽宁沈阳，本科学，助教，研究方向：数控加工。