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著优点。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不锈钢分样筛难题。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碎石生产线密切削加工刀具
　　
　　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、复合圆管带式输送机材料等）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输送带生产线用。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. GS型香蕉型滚轴筛高速钢刀具
　　
　　粉末冶金高速钢筛分机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. 硬质合金轻型直线筛刀具
　　
　　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立式复合式破碎机数控刀具（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。

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