大型複雜飛機結構數控加工工藝

在飛機研製和生產過程中，數控加工面臨三大問題——加工損傷、加工不穩定、加工變形。 2007年以來，PTJ Shop在航空業多個項目的支持下，成功解決了上述問題。

加工損傷、不穩定和變形的根本原因來自於數控中“機床-刀具-工件”工藝系統的動態相互作用 加工過程. 傳統的基於經驗和單一因素的理論和方法並不能解決上述問題。

總體思路是解決問題。 通過建模，分析“過載→損壞”、“顫振→穩定性”和“應力→變形”的力學性質。 從理論預測來看，“證明”和“裝備裝備”是“耗散”的。 從反取消、軟硬件結合入手，突破以下關鍵技術：

• 1）切削力/熱負荷平衡預調加工技術，適用於難加工材料和復雜結構的加工；
• 2）大型薄壁結構件穩定高速銑削加工技術；
• 3）大型複雜結構件全過程殘餘應力和變形預測與控制技術。

PTJ Shop自主研發：數控銑削時變切削力預測及參數優化軟件及微潤滑裝置、數控切削動力學仿真優化軟件及被動阻尼吸振裝置、加工變形仿真軟件及“熱-振”複合應力均衡裝置應用於飛機大型複雜結構件的數控加工過程中，解決了加工不穩定、損壞、變形等問題。

關鍵技術研究與應用：

1、難加工材料切削力/熱負荷平衡預調加工技術

機加工損傷的問題在於 激光切割 力/熱負荷大且變化劇烈 數控加工 加工過程中，對刀具和工件的衝擊造成機械損傷和表面燒傷，特別是在難加工材料的數控加工中。

傳統的避免和減少機加工損傷的方法是大幅度減少切削量，使用大量切削液，大大犧牲了切削效率。 面對新的加工需求，基於動態切削力建模，考慮工藝系統的多重約束，提出了一種可變螺旋曲線的徑向螺旋分層局部圓銑方法，以優化刀具路徑和預調切削參數。 切削力均衡，防止切削力過載和衝擊。

時變切削力預測和參數優化軟件 數控加工 飛機 部分 已開發，並已形成應用規範； 開發了三類準乾式切削精密潤滑裝置。 TC4鈦合金超大整體車架，針對加強筋、邊緣、內部形狀等複雜結構進行加工和測試，實現150m/min以上的穩定切割速度，關鍵部位表面粗糙度達到Ra1.6~ Ra0.8。

2.大型薄壁構件穩定的高速銑削加工技術

加工不穩定的問題是薄壁高筋結構導致工藝系統動態特性惡化，產生切削顫振。 面對新的加工需求，在分析工藝系統交互作用的基礎上，建立了“機床-刀具-工件”動態模型。 通過測試識別，仿真計算出顫振穩定域曲線。 在工藝系統的多重約束下，提供優化的切削參數，實現高速高效切削，無顫振，“防止”加工不穩定。

在顫振模型的基礎上，研製了多種阻尼減振裝置，並安裝在被加工結構或機床的相應部位，以抑製或衰減發生的振動，實現加工振動的“消除”。

自主開發了識別測試硬件、X-Cut/e-Cutting軟件、阻尼裝置，並在大量測試的基礎上建立了工藝數據庫。 飛機鋁合金機身框架的示例測試表明：

實現弱剛性邊緣無顫振穩定加工；

材料去除率提高一倍以上；

關鍵部位的表面粗糙度達到Ra0.8 μm。

3、全過程殘餘應力和變形預測與控制技術

大型複雜構件的變形主要來源於：

• 1) 坯料在切削過程中不斷釋放和重新分佈的殘餘應力引起的變形；
• 2）刀具與工件（包括夾緊）在切削力作用下的變形相對變形。

因此，飛機結構件殘餘應力的形成和葉片彈性變形的演化是預測和控制加工變形的核心。 針對大型複雜飛機部件，對結構件從毛坯到成品的殘餘應力進行仿真分析，預測殘餘應力分佈狀態和加工變形規律，優化工藝參數控制殘餘應力狀態實現對後續CNC加工變形的預測。 “保護”; 研製了“熱-振”複合殘餘應力均化裝置，將“點-腔”式熱振複合效應作用於工件，進行殘餘應力均化，“消除”工件變形。

該項目成果整體技術達到國際先進水平，在切削力/熱負荷平衡預調整加工技術方面達到國際先進水平。

本文鏈接： 飛機大型複雜結構數控加工關鍵技術研究

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