飞机复杂零件的加工与质量控制研究

高 薇

（中建材（上海）航空技术有限公司，上海 200125）

0.引言

我国在21 世纪初期，航空工业逐渐发展起来，通过高速数控等加工技术实现了现代飞机的大规模整体结构制造，部分复杂零件通过有效的加工方案能够提高加工质量和效率。针对当前飞机制造业的航空产品越来越趋向于个性化发展，本文则介绍了其中相对复杂的零件制造工艺与质量控制方法，一是有利于对飞机整体结构设计的研究，二是能够推动我国航空事业的不断发展。

1.飞机复杂零件所存在的特点

1.1 加工质量难以控制

飞机复杂零件往往是指飞机零件的结构复杂，其对质量要求极高，并且在同一种零件加工过程中，可能会使用到不同种类的制造工艺，使得工序极其烦琐，也对加工过程质量控制工作产生了极大的挑战。尤其是在零件单个的工序控制工作之中，对特定环节的质量检查标准以及控制标准要求不同，使得工作人员必须要在复杂的工序之中梳理出一套高效的检测办法，要点较多，很容易出现遗漏，加大了质量控制过程的难度。

1.2 制造时误差性较高

飞机零件与其整体结构质量有着较大的关联，如一环零件出现问题，则可能造成整体飞机质量不佳，从而产生安全隐患。而这也充分凸显出了在加工过程中必须要提高零件的精准度，而往往复杂零件质量控制工作难度较大，很容易在生产加工过程中出现误差现象。其主要原因，还是因为加工工序紊乱或者检测顺序未能按照既定要求所导致。误差性较大具体表现在，尺寸出现误差以及制造出现误差，在加工过程中需要对零件的误差源加以追溯。

1.3 整体结构尺寸较大

当前复杂的飞机零件主要有以下几种类型：第一，框架零件；第二，梁结构零件；第三，肋部位零件；第四，壁板；第五，接头处零件；第六，橡条。这几种类型零件所存在的普遍特点就是尺寸较大，为提高飞机零件的精准度和精密度，我国大部分的飞机复杂零件都采用整体加工方式，部分壁板可以达到10m 以上，许多大框架类结构零件长度和宽度均可达到2m 以上，这对加工零件的设备要求极高，部分零件必须要使用大型数控机床才能进行加工。

1.4 几何形状十分复杂

飞机复杂零件的形状也十分复杂，其具体表现在几何形状方面。第一，在复杂零件的内表面及外表面处，需要应用到大量的飞机理论，存在较多的曲面几何形状，像双曲面、单曲面以及变斜角曲面等。第二，部分整体式结构的飞机零件，由大量的“槽腔”形状所构成，内部的筋条需要保持两两相交的状态，但为了防止零件内部结构出现较为尖锐的内、外角，每一相交处的圆弧过渡大小不一。尺寸大，再加上薄壁结构，很容易出现加工过程中变形的情况。

2.飞机复杂零件制造加工原则

2.1 选择适合的加工方法

飞机复杂零件的形态特征不同，所采用的加工方式也不同，当前依照其功能特征来区分，可以将飞机的复杂零件加工类型分为三大类，分别是平面类零件、变斜角类零件以及曲面类零件。就平面类零件加工而言，主要对各加工单元的控制工作要求较为严格，可选择三坐标数控铣床进行加工。而变斜角类零件，加工的难度要大于平面类，多用于框架结构之中，在加工时多采用四坐标结合无坐标的数控机床摆角加工工艺，部分零件也可以选择三坐标数控铣床进行加工。曲面类零件的加工重难点在于空间曲面上，其不能像平面类那样展开各加工面，因此可选择三坐标铣床和五坐标数控铣床加工工艺，具体需要根据曲面空间所在的位置选择[1]。

2.2 保证整体结构衔接度

飞机复杂零件的尺寸较大，其对于整体结构的衔接性以及精准度要求极高，在加工时部分零件由于会使用到整块的铝合金板，因此，在加工方法上多会采用内掏空的办法，使得材料的切除率也逐步提升。据资料表明，在加工此类复杂的飞机零件时，其切除率可达到90%以上。由于这种零件在一架飞机之中，可能会出现上千个，因此对于各个零件的衔接度要求较高，工作人员必须要选择高速、高效、高匹配度的方法开展，从而保证整体生产任务。在零件加工的过程中，部分零件还具有装配连接的接头功能，因此，在加工过程中要保证带空间角度的定位装配孔与叉耳槽一致，提高对接头加工的精准度，部分零件需要一次装夹，从而实现多工序的精准加工。

3.飞机复杂零件加工过程分析

3.1 基本流程

复杂飞机零件的加工基本流程可分为三大板块：工件准备、零件装夹、工件加工。在工件准备环节，需要准备好原材料或是输入工件，装夹环节是飞机复杂零件加工的基础，该环节主要是起到了正确定位的作用，能够为飞机零件的加工过程做一个保障，所采用的夹具必须是特制专用夹具。在实际加工过程中，工序极为复杂，并且影响零件加工质量的过程变量以及中间或最终质量特征变量较多。如该零件的加工工序较多，则可根据实际情况将工序进行并联。其加工工序基本流程如下：工序流程（加工者或机械，在特定位置之中进行加工）、安装环节（安装装夹以完成加工内容）、工步部分（零件表面以及需加工刀具不改变工序内容）、工位环节、走刀部分（在既定工步之内的每一次切削作业）[2]。

3.2 加工方案

3.2.1 加工方式确定

首先，在加工以前要加大对零件特点的分析，包括零件的毛料以及结构特点等。在加工方式的确定上，则要选择相匹配的设备设施。我国当前常用的是高速加工技术，主要采用数控设备，这样可以提高加工零件的精准度。在确定好机床以及以后，则要对加工步骤进行规划，例如，某零件采用三坐标机床开零件两侧压板槽，加工零件可采用两面粗精加工方式，在进行第一面加工时，由于其尺寸较大，可先对外形的一半高度进行加工，将可以加工的部位加工到位。第二面加工则要对剩余部分和内形、腹板地面实施，并要根据精准度适时调整加工程序。

3.2.2 切削参数确定

明确好上述内容后，则要对零件材料切削的参数加以确定，在此环节要注意，不同的机床、刀具、被加工材料以及加工方式所使用的切削参数不同，因此要结合实际情况定夺。而在粗精加工之中的粗加工环节，目的是根据零件实际需求，将原材料的大部分余料去除，在此种情况之下，所选择的切削数值要尽量选择最大值，从而为后期的加工步骤提供方便。而在进行精加工时，则要对零件的形状、尺寸进行细修。因此，切削参数的设定要贴合设计参数，保证其精准性，在此过程中可以进行多次切削实验，从而确定加工过程中所存在的影响因素，将切削参数调整精准。

3.2.3 装夹方式确定

在装夹方式的选择上，具体要根据实际的加工方案确定，在本文加工案例之中的零件采用了两面粗精加工的方式，因此，在确定装夹方式时，则需要在第一面以及第二面加工过程中进行分别装夹。在第一面装夹时，根据实际加工所需毛坯数量，将其同时放置在工作台上进行操作，在确定装夹位置的同时，根据生产以及物料的实际需求，可选择不同加工位置装夹同一零件，也可选择装夹不同零件。在进行第二面的装夹时仍要根据实际生产需要选择，可采用组合的方式开展，如螺钉辅助压紧以及真空吸附相结合的装夹方式等[3]。

3.2.4 装夹安排工作

在安排时，由于飞机复杂零件加工的特殊性，要尽量秉持效率最大化的生产原则。根据毛坯以及实际加工设备情况可以考虑不同的零件同时生产与加工。例如，有多个不同的梁间类型零件需要加工时，在进行第一面的粗精加工时，工作人员则可接着准备第二面的精粗加工所需要的装夹内容，这样当完成了第一面的工作之后，第二面的准备工作也就位，便可立马开始接下来的作业环节，保证一环扣一环，从而实现生产效率的最大化。

3.3 加工效果

依据上述决策及加工步骤方法，经结果表明，可实现飞机复杂零件的批量生产，并且通过零件第一面加工完直接转向第二面加工连贯式作业的方式，能够进一步减少飞机复杂零件的半成品加工数量，实现真正意义上的缩短零件加工工期。同样在物料状况以及生产周期条件允许的状态之下，通过合理安排加工工序的方式，能够解决过去部分飞机复杂零件加工过程中所出现的机床停滞问题，工作人员无需再等待零件装夹的时间，便可进一步实现机床设备的效益最大化，充分利用了生产加工资源[4]。

4.飞机复杂零件加工质量控制

4.1 核心控制技术

在质量控制方面，主要需减少加工过程中飞机复杂零件所产生的误差，这种误差会以传递的方式，影响到零件的后期使用，并且不同工序之间由于加工部位和内容不同，所产生的误差以及传递效果也有着较强的差异性，其均会为后续的加工作业带来影响，虽部分在表面质量上不会出现问题，但为避免造成生产加工资源的浪费，提高加工零件的实效性，则要利用评估加控制的方式对其关键作业点予以把控。在控制时，首先要以设计要求以及加工需求为主线，为整体过程精准度以及质量控制做一参考，从而保证后期生产过程的高精度，降低生产加工成本。

4.2 发展高速数控

基于飞机复杂零件的加工实际需求，为能够进一步提高其加工质量，建议发展超高速的数控加工技术，这样在生产的过程中，便可实现机电一体化功能的灵活运用，从而取得良好的技术经济效益，实现生产力的最大化。当前国际上许多发达国家都开始采用了超高速的五轴数控加工技术进行飞机复杂零件的加工，其不仅主轴的转速极高，在坐标的削进速度上也极快，对于整体结构的大面积原材料加工而言，其材料的切除率可以维持在7000cm3/min～8000cm3/min。据资料表明，采用此种加工方法的生产效率，能够在高速加工生产作业的基础速度之上提高一倍左右，虽这一类的机床价格较高，投入资金较多，但就加工质量控制以及未来国际市场主流的航空制造技术来看，此种设备的应用定会成为主流趋势。

4.3 克服回摆问题

当前在我国较为先进的飞机零件加工技术之中，通常会使用五轴高速加工法，而具体的加工方式则使用了A、C 轴摆角的办法，但由于飞机零件的几何形状较为复杂，因此变斜角型面的角度值会出现变化不规则的状况，从而导致在加工走刀环节，C 轴出现回摆现象，这会进一步损伤零件，影响实际的生产加工效率。基于此，本文则提出了两种解决控制方法，第一种采用虚拟主轴，这种主轴无法在独立的状态下完成A 和C 摆角的机械动作，并且中间间隔了一个高精度的转轴头，能够提高摆角动作的灵活度，克服了C 轴回摆的问题，A、C 的摆角同样不会出现极值，能够满足飞机复杂零件高精度、高效率加工的需求。第二种则是采用三轴铣头，常见的五轴机床基本都是两个旋转轴，采用三轴铣头可实现各个构成摆角的联动，对于加工而言，能够产生最佳的运动方式，从而解决C 轴回摆和A、C 极值问题。

4.4 做好平衡监测

在实际加工的过程中主轴的运动对加工质量和加工设备的影响较大，因此，为能够保证在机械加工过程中仍可以保持高速运转的状态下实现主轴的动平衡，则要采用先进的物联网轴动监控功能。此项技术主要是为了避免在加工过程中由于设备因素对加工零件质量所造成的影响，并且电动主轴十分容易损坏，通过这种方式还可以进一步延长加工设备的寿命，减少投资成本。其安设的原理是，在高速数控机床之上，利用物联网监测技术对电动主轴的动平衡情况进行实时监控，假如动平衡的指标超过了既定指标，则会立刻向工作人员发出警报，停止危险作业，对相关构件进行调试能够减少设备对飞机加工制造过程的影响。

5.结语

基于复杂飞机零件的基本特点，对加工工艺要求极高，且质量极难控制。相关技术人员在进行加工的过程中，在满足设计要求的基本条件之下，要高度重视加工工序流程，加大对单个加工环节的质量把控，明确飞机零件的基本特点，选用适合的加工方案，从而进一步提高飞机零件的精度，推动我国航空制造业的发展，实现从制造大国走向制造强国的战略目标。