飞机机体零件的高速加工

2024年3月28日发(作者：佳能广告)

欧洲生产工程

飞机机体零件的高速加工

Rationalizationinairframemanufacture

为了在飞机机体整体构件的生产中充分发挥高速加工的潜力，应将包括切削过程、并行工程和

夹具构思在内的工艺过程作为一个整体来考虑。

结构件是飞机零件中最大的一种零件。这类零

件主要用铝合金制造。基于制造工艺和零件重量考

虑，以前主要采用铝板经铆接而成（至今仍有部分

零件采用此种方法制造）。现在采用了全然不同的设

计技术，需要将多种不同功能集成到一个结构件上。

这就是集成设计技术。这种零件是用一块实体铝坯

经铣削加工而成。这类零件很复杂，通常包含极小

的底面和薄壁（

0．6～2mm

），呈蜂巢状。这类零件的

几何形状由不同的表面及规定的曲面构成。接近飞

机外部轮廓的表面也是必须是自由曲面。

例如，

PilatusPC9

飞机的主梁，在以前的设计

中是由

156

个不同零件构成的。这样，就需要各种

折弯设备和装配夹具。在

PilatusPC12

飞机上，这

类部件采用了集成设计技术。零件的数量减少到

3

个，而且是采用简单的螺栓连接（图

1

）。在

25

年

前，这家飞机公司在开发飞机时，由于没有复杂的

软件工具，

NC

技术还处于初期阶段，只能用繁琐的

编程语言，如

APT

、

Fortran

等等定义复杂的几何形

状；

NC

机床还是采用

21／rD

控制，从而限制了复杂

形面和几何形状的生成

。

理，由于几何形状的不一致、拉伸

／

断裂等，致使废

品率极高。这种机架的装配需要

6

道工序，而且必

须考虑到材料的拉伸问题。

如今，编程系统和

CNC

机床已经能使我们铣

削加工出以前无法生成的形状。以前，采用传统技

术，需要

20

多个板材成型件才能构成的部件，现在

只用

2

个零件。几何形状极为复杂，必须完全满足

零件的所有要求。用一块实体铝坯铣制一个零件，

其中

98％

的材料都变成了废屑。

三步完成产品加工

NC

编程过程需要的专业知识要求最高，要求集

成各种不同生产工艺：

CAD／CAM

、切削刀具、夹具

设计和铣削技术。现在只需三道工序就可以制造出

这样一个机架部件：

1

）获取经过预切削并带有夹持

用孔的原材料，

2

）铣削零件，

3

）手动钻出铆钉孔

（利用夹具）。

零件毛刺在加工过程中完成。首件检验合格后，

铣削加工过程自动进行，无需操作员干预。这样就

大大简化了尺寸和裂纹的检测

，与以前的制造方法

相比，降低了生产成本。集成结构还对零件装配具

有重大影响。整个模块（部件）可以直接装配。所

制造的零件公差极为严格，具有很好的互换性。装

配精度得到保证，且过程稳定，大幅度缩短了所需

的装配时间。

适用于高速铣削的机床与刀具

坯料是用水刀将厚

127

㎜或

76

㎜的铝板切割到

图

1

整体结构的

PilatusPC12

飞机主梁

（图片提供：

StarragHeckert

公司）

近似形状。坯料尺寸为

840×665mm

，重

90kg

或

60kg

。夹具包括角度板和标准孔系及加工工件第二面

的真空接合适配板。机床采用特别适用于五轴联动

加工的斯达拉格海科特

STC1000／130

型机床：主轴

功率为

70kW

，在

100％

负载运行时最高转速达

由于上述原因，为控制铝件的重量，用铝板构

成机架，即将

20

余种不同形状的板材成型件组装和

连接在一起构成一个大的结构件。零件成型过程极

为复杂。工件材料要经过

12

次机械加工和

4

次热处

24000r／min

（图

2

）；主轴锥孔：

HSK63A

；机床

X／

Y／Z

轴行程为：

1700mm／1600mm1950mm

；主轴可倾

WMEM2

期

2009

年

4

月

150

欧洲生产工程

图

2

特别适用于五轴联动加工的

StarragHeckert

公司的

STC

1000／130

机床，功率为

70kW

时，主轴转速为

24

，

000r／min

范围：

－60／＋100°

；工作台是

B

轴。该机床采用钢板

焊接结构，具有较高的刚度。

整个加工过程需要

7

把切削刀具和

4

把钻头。

刀具为整体刀体，最大直径为

32mm

，形状配合的刀

片能防止其在以高达

24000r／min

的转速切削时离心

力可能造成的损坏。全部刀具直径都在

25mm

以上，

中空冷却，油雾润滑。起先直径小于

25mm

的刀具

为整体硬质合金刀，采用收缩式刀柄。刀具长度为

90～220mm．

。

全部切削刀具连同刀柄都经过平衡，在

24000r／

min

转时平衡质量为

Q2．5

。为保证加工过程的安全，

精确定义了每把刀具的切削参数，即采用专用软件，

对刀具组件进行了知识临界速度（自振）检测。零

件经二次装夹完成全部加工（包括铆接孔）。为防止

薄壁件在加工中的应力变形和保证严格控制的公差，

面铣和周边铣削采用了高速铣削加工工艺。在总的

铣削加工时间内，约

60％

的时间需要五轴联动加工，

粗加工占总加工时间的

40％

，手动加工主要是去毛

刺和钻部分铆钉孔。

结果超过预期

首先将工件用螺栓固定在夹具上，用雷尼绍测

头识别零件。第一道工序是用直径

63mm

的刀头，

沿

Z

面运动，将工件粗铣至接近最终形状。粗铣时

的进给速度可达

17m／min

，金属切除率达

6500mm

3

／

min

。

第二道工序是用

25mm

整体硬质合金立铣刀粗

铣出零件外形。由于这一轮廓面是曲面，要采用五

轴联动加工才能获得一致的精加工允差。随后用直

WMEM2

期

2009

年

4

月

欧洲生产工程

用

63mm

的铣刀，沿

Z

面粗铣出零件轮廓，以下工

序亦与上述第一次装夹的加工方法相同。随后的精

加工极为关键。此时，零件已经变得极薄，在振动

下极易损坏。为防止损坏零件，精加工时要先加工

零件轮廓，再加工凹槽。最后一道工序还包括使用

一把直径

10mm

立铣刀将零件与工艺搭子分离。

就零件加工情况来看，对于这种新型飞机，各

项结果均远远超出预期要求。所加工出的零件精度

完全位于要求的严格公差范围内，具有完全的互换

性。整个生产周期缩短了

75％

，并减少了生产人员。

由于采用了连续加工链，可以实现快速变换并简化

了物流链。

机床制造商：

StarragHeckertAG

径

16mm

整体硬质合金立铣刀，以

9m／min

的进给量

对此外形进行精加工（五轴联动）。零件的二次装夹

加工也采用同一夹具。

二次装夹时，利用专用工件适配夹具夹持零件

已加工面上的工艺搭子（图

3

）。其第一道工序仍是

CH－9404Rorschacherberg

Phone＋41／71／8588111

Fax＋41／71／8588122

www．starragheckert．com

CarlHanrVerlag

，

Munich

WMEM2

期

2009

年

4

月