中航工業(yè)導(dǎo)彈院凱邁機電公司 （河南洛陽 471003） 劉仁春

技術(shù)科技術(shù)主管 劉仁春

1. 航空產(chǎn)品的制造加工難點

（1）難加工材料切削應(yīng)用。航空、航天零部件常采用鈦合金、高溫合金及復(fù)合材料等難加工材料，如何保證零件的加工有高的質(zhì)量又兼顧生產(chǎn)效率是航空制造企業(yè)面臨的一個課題。

（2）工藝及零件精度要求。航空、航天零部件大都采用復(fù)雜曲面和高結(jié)構(gòu)效率的整體、輕量化結(jié)構(gòu)，加工中要避免產(chǎn)生切削變形和提高效率，這對制造工藝以及制造設(shè)備提出了更高的要求。如何在生產(chǎn)實際中解決這些問題對航空工藝和加工設(shè)備提出了新的挑戰(zhàn)。

（3）過程控制及檢測要求。零件加工過程控制是對其滿足設(shè)計尺寸、特性要求而進行的一些檢測等，檢測的結(jié)果用來驗證在制造中結(jié)果與設(shè)計要求相符的一致性。而現(xiàn)在航空企業(yè)對工藝過程控制、零件表面完整性控制等環(huán)節(jié)比較薄弱。今后這方面是航空制造企業(yè)的改進方向之一。

2. 現(xiàn)代航空產(chǎn)品的制造特點

（1）產(chǎn)品的高性能和精密化。航空產(chǎn)品因為使用環(huán)境特殊，產(chǎn)品性能要求和可靠性要求高，產(chǎn)品在加工時使用鈦合金、復(fù)合材料等特殊材料較為普遍。同時，多數(shù)航空零件的幾何外形復(fù)雜，其制造加工精度要求更高，測量要求也較高。

（2）產(chǎn)品的輕量化和大型化。航空產(chǎn)品如發(fā)動機壓縮機轉(zhuǎn)子、飛機發(fā)動機葉片、飛機的整體艙段、起落架、機匣及天線罩，大量使用鈦合金、高強度材料和高溫合金等，同時在飛機機身、機翼上也廣泛使用復(fù)合材料。航空設(shè)計中要求飛行器既要有高強度的同時零部件又必須質(zhì)量輕。機翼壁板、梁、葉盤和發(fā)動機殼體要求整體結(jié)構(gòu)加工，減少了不必要聯(lián)接，增加了零件的整體剛性。這種零件大型化結(jié)構(gòu)要求是大型飛行器和宇航工業(yè)零件設(shè)計、制造的需求。

（3）產(chǎn)品的數(shù)字化和制造過程的智能化。航空產(chǎn)品零部件的數(shù)字化設(shè)計及制造等先進技術(shù)，應(yīng)用CAPP和CAD/CAM軟件，如西門子公司Teamcenter三維工藝軟件的應(yīng)用，柔性制造FMS技術(shù)也是發(fā)展的方向?；跀?shù)控加工工廠的數(shù)字化車間管理系統(tǒng)MES應(yīng)用，航空產(chǎn)品零部件的設(shè)計、制造及裝配要求是：簡單、準確、協(xié)調(diào)。

3. 航空制造業(yè)在加工中的難點和解決方案

（1）數(shù)控加工中零件程序編制調(diào)試、工裝夾具的設(shè)計制造、特殊刀具的準備和零件檢測等環(huán)節(jié)占用時間過多，致使加工效率不高，不能滿足航空企業(yè)制造的需求。

解決方案：采用合理的工藝路線規(guī)避復(fù)雜、低效的加工方法。提高編程人員的技能水平，結(jié)合CAM軟件和宏程序的編制提高數(shù)控加工效率。結(jié)合拼裝夾具和可替代的加工刀具完成加工（僅需調(diào)整程序）。盡可能地采用優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的工藝策略完成工藝方案的制定和實施。這種加工思想是精益制造在加工中的體現(xiàn)，在新品科研試制中實施，產(chǎn)生的良好效果尤為顯著。

（2）數(shù)控加工設(shè)備中所用的刀具無法滿足加工的高質(zhì)量、高效率的零件加工需求。實際生產(chǎn)中刀具使用普遍存在切削效率低、刀具壽命短。尤其遇到難加工材料鈦合金、高溫合金等時，會嚴重影響產(chǎn)品尺寸的一致性和外觀質(zhì)量。刀具的選擇及刀具與數(shù)控機床的配合使用是企業(yè)面臨的突出難題。

解決方案：選用滿足加工的高質(zhì)量、高效率等零件加工需求的刀具。根據(jù)航空制造中加工的需要采購合適的設(shè)備和刀具，在滿足加工質(zhì)量的情況下提高加工效率。

（3）大型的航空部件和整機的裝配需要大型的裝配工裝和調(diào)整儀器、自動裝配線。我國在航空裝配中與先進國家還有差距。

解決方案：航空企業(yè)需結(jié)合《中國制造2025》和國家“十三五”規(guī)劃，在行業(yè)內(nèi)部借助大飛機項目和工業(yè)機器人技術(shù)，發(fā)展我國的自主航空裝配技術(shù)。

4. 現(xiàn)代航空制造中新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用分析

（1）現(xiàn)代航空制造業(yè)對機器人技術(shù)的應(yīng)用。目前我國工業(yè)機器人主要是滿足國內(nèi)市場，而且應(yīng)用于汽車行業(yè)，包括焊接、檢測、搬運、研磨拋光和裝配等復(fù)雜作業(yè)，在其他領(lǐng)域仍有發(fā)展的空間和市場前景。我們可以抓住《中國制造2025》和國家“十三五”規(guī)劃中對工業(yè)機器人和航空制造業(yè)支持，結(jié)合各自的特點在航空制造業(yè)中發(fā)展機器人技術(shù)和數(shù)控機床技術(shù)，使其在制造、航空器裝配上發(fā)揮優(yōu)勢，提高航空產(chǎn)品質(zhì)量和效率。

（2）現(xiàn)代航空制造業(yè)對高速加工技術(shù)的應(yīng)用。高速切削技術(shù)具有加工效率高、切削負荷低、傳入工件的切削熱少及加工變形小等顯著優(yōu)點，20世紀90年代中期已成功應(yīng)用于航空制造業(yè)，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。

飛機結(jié)構(gòu)件中有很多薄壁件及難加工材料，在加工中極易產(chǎn)生變形。航空零件復(fù)雜，其加工余量大，結(jié)構(gòu)件尺寸精度和表面粗糙度要求較高，高速切削加工飛機薄壁零件有助于降低切削力，減小切削變形，提高加工精度和加工效率。高速切削時切屑排出速度快，切屑可帶走大部分切削熱，使散熱效率提高，減小工件表面的切削熱。

（3）現(xiàn)代航空產(chǎn)品的3D打印技術(shù)的應(yīng)用。3D打印技術(shù)屬于增材制造技術(shù)，它以低成本和短周期的特性，能滿足制造中超大、超厚和復(fù)雜型腔等特殊結(jié)構(gòu)及極其復(fù)雜外形的中小型零件的加工需要，已成為現(xiàn)代航空航天等產(chǎn)品制造工藝先進性的重要標(biāo)志之一。

鈦合金、高溫合金和超高強度鋼等大型復(fù)雜整體高性能金屬結(jié)構(gòu)件的激光（電子束）快速成型技術(shù)，以金屬粉末為原料，通過激光熔化堆積，從零件數(shù)模直接完成全致密和整體復(fù)雜的高性能金屬零件近凈成形。與傳統(tǒng)鍛造技術(shù)相比，具有無需鍛造設(shè)備和鍛造模具，材料利用率高、周期短、成本低、柔性高和響應(yīng)快等特點，該技術(shù)在飛機、發(fā)動機等的研制中有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 航空鈦合金薄壁零件

5. 航空鈦合金薄壁件加工工藝案例分析

某一航空鈦合金薄壁件（見圖1）的尺寸如圖2所示，該零件加工工序分為粗加工（粗車）、去應(yīng)力時效、半精加工及精加工（半精車、精車）。其中粗加工以去除余量、釋放加工應(yīng)力為主要目的。加工設(shè)備選用臥式車床，中間安排去應(yīng)力時效熱處理工序，半精加工、精加工工序的主要目的是進一步去除零件材料上的余量。需要著重強調(diào)的是鈦合金加工過程中硬化較嚴重，安排精加工之前的余量需要大于0.15mm，讓所給的余量大于硬化層深度。消除硬化層的存在，影響零件的后續(xù)加工。在精加工前的半精加工中將影響后續(xù)加工的零件尺寸、表面形狀及相互位置，表面粗糙度的應(yīng)力進一步釋放出來。另外通過相應(yīng)的工藝手段將加工應(yīng)力的影響減小到最小，以保證最終能加工出合格的產(chǎn)品零件，同時驗證工藝方案的正確、合理性。

（1）工藝路線安排：粗車（外圓φ199mm和孔φ195mm）→去應(yīng)力時效（熱處理）→半精車（外圓φ198.5m m和孔φ1 9 5.5 m m）→精車（外圓φ198mm和孔φ195mm）→車工（切斷、去毛刺）→交檢。

（2）刀具及切削參數(shù)的選擇和裝夾方案的設(shè)計：外圓車刀粗車YG8硬質(zhì)合金主前角5°～8°，后角 7°～12°，主偏角95°，副偏角35°，刃傾角約－5°；切削參數(shù)：v= 58m/min，f=0.2mm/r，ap=1.5mm。精車陶瓷刀主前角8°，后角12°，主偏角95°，副偏角35°，刃傾角－8°左右；切削參數(shù)v= 80m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2mm。鏜孔車刀粗車YG8硬質(zhì)合金主前角6°，后角 9°，主偏角95°，副偏角約35°；切削參數(shù)v=70m/min，f=0.2mm/r，ap=1m m。精車陶瓷刀主前角8°，后角12°，主偏角95°，副偏角35°；切削參數(shù)v=100m/min，f=0.15mm/r，ap=0.2mm。切斷刀采用3mm寬的切槽刀；切削參數(shù)v=70m/min， f=0.1mm/r，ap=0.25mm。

裝夾方案的設(shè)計：粗加工時因為有夾頭，此時工件的剛性較好，使用車床普通自定心卡盤，夾緊力大，可以防止在大切削力加工過程中零件松動，夾頭不切斷。半精加工、精加工時夾緊力要小，防止裝夾變形，此兩步工序中需要使用軟包爪，并且考慮到此時工序工件已經(jīng)形成薄壁結(jié)構(gòu)，在零件內(nèi)孔增加心盤裝于工件內(nèi)孔，以增加整個工藝系統(tǒng)的剛性。軟包爪如圖3所示，心盤如圖4所示，圖5所示為軟包爪與心盤裝夾零件。

圖2 圓筒

圖3 車床軟包爪

圖4 心盤

圖5 圓筒半精車、精車

6. 國內(nèi)外機床工具的差距

國內(nèi)機床工具較國外的目前還有一定差距，航空制造企業(yè)一般會根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的特點和加工需求進行選擇，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）國產(chǎn)機床的精度保持性總體低于國外設(shè)備，且數(shù)控機床的控制軟件研發(fā)和應(yīng)用于發(fā)達國家還有不小的差距。

（2）數(shù)控機床上使用的某些國產(chǎn)刀具無法滿足精密加工的需要。大量使用國外的刀具可以完成加工任務(wù)，但是成本增加許多。我們的民族刀具工業(yè)如何成長、發(fā)展是值得我們高度關(guān)注的問題。另外，國外刀具企業(yè)在研發(fā)新的刀具產(chǎn)品和先進的切削理論上要比國內(nèi)刀具企業(yè)具有優(yōu)勢。