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随着现代航空制造业的高速发展,数控加工技术已经成为飞机制造的关键技术之一。数控加工技术的进步使飞机设计理念发生了转变,零件设计向整体化、复杂化方向发展,同时,设计理念的转变也给数控加工技术提出了新的挑战,如何高质量、高效率、低成本地完成大型零件的数控加工成为了必须攻克的难题。
国外发达国家航空制造史很长,特别是飞机大型复杂结构件的设计、制造技术都已非常成熟。随着近年来国内各类军民机的研制,国内主要航空企业在航空数控加工技术方面积累了大量的技术经验,解决了一系列关键技术难题,初步形成了以飞机大型复杂结构件制造为代表的关键技术优势。但是,随着我国大飞机项目的启动,航空零件数控加工技术将面临更大的挑战,因此,我们在数控加工技术领域还需要不断进行深层次的研究,以缩小和西方国家的差距。
国内航空零件数控加工技术现状
与其他行业产品相比,航空类产品零件具有一些显著的特征,从而决定了航空零件数控加工技术的特点以及发展的方向。这些特征主要体现在以下方面:
(1)产品类型复杂,具有小批量、多样化特点。由于现代飞机结构复杂,零件品种繁多,同时,飞机研制通常为小批量生产,因此无法采用大规模流水线生产方式来提高效率和降低成本,因此航空零件数控加工也必须适应这种特点。
(2)结构趋于复杂化和整体化,工艺难度大,加工过程复杂。现代数控技术的进步促使航空零件的设计趋于复杂化和整体化,简化装配,提高结构性能,这也给数控加工技术提出了更高的要求。
(3)薄壁化、大型化特点突出,变形控制极为关键。为了控制飞机重量,飞机零件的一个显著特点就是进行了薄壁化设计,另一方面,飞机的大型化也使得零件结构趋于大型化,出现了许多超大型零件,因此加工变形成为了突出的矛盾。如图1 所示为典型飞机薄壁结构件— 787短舱梁。
(4)材料去除量大,切削加工效率问题突出。飞机零件材料去除量一般都在90% 以上,切削效率对生产周期和成本影响较大。
(5)质量控制要求高。航空零件由于具有极高的安全性要求,对产品质量控制十分严格。
(6)产品材料多样。随着材料、冶金技术的发展,高强度钛合金、复合材料等的应用范围和用量正在逐步地得到扩展,对航空数控加工技术的适应性提出了广泛的要求。
(7)大型结构件毛料价值高,质量风险大。
加工机床对机床刀具精度的影响
机床精度对刀具精度的影响制造任何刀具时,机床的精度都是决定刀具精度的关键,细长杆状类刀具也不例外。澳大利亚ANCA公司生产的数控工具磨床共有五轴,即X、Y、Z三个坐标轴和A、C两个旋转轴(此外还有一根可装、卸的用于加工特长工件的P轴)。各轴的精度都很高,X、Y、Z三个坐标轴的定位精度可达0.001mm,A、C两个旋转轴的定位精度可达0.001°。机床的两个砂轮轴呈纵向排列,加工刀具的不同部位时,不仅可选择不同的砂轮,而且可选择不同的砂轮轴。需要换砂轮轴时,可由程序控制自动进行更换,两轴的重复精度很高,完全能满足加工细长杆状类刀具时的精度要求。
探测数据对刀具精度的影响该机床配有探测装置(配有两种形状的探针),测出的数据与刀具的精度有直接关系。由于探测时探针与工件接触的松紧程度由人工控制,因此所测量的数据包含了人为误差。通过探测数据和刀具参数补偿程序可对砂轮加工参数进行补偿和修正以满足被加工刀具的精度要求。
支撑块对刀具精度的影响该机床配备的支撑块主要用于加工细长杆状类刀具,其位置在横向、纵向都可调节,可根据实际情况进行定位。如果支撑块在横向(即刀具的轴向)的位置选择不合理,则不能加工出合格的细长杆状刀具。若支撑块离刀具刃口太远,磨刃口时不能很好地抵消或补偿由于强力磨削而产生的磨削力,则将失去支撑作用;若离刃口太近,则磨刃口时砂轮很容易磨到支撑块。支撑块在纵向(即刀具的径向)的定位也很重要:支撑块过低,给刀具的支撑力不够,会导致刀槽在轴向形成倒锥;支撑块过高,则支撑块硬顶着刀具,会导致刀槽在轴向形成顺锥。因此,支撑块的准确定位对刀具的精度也很重要。