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    高效切削利器助推飞机结构件加工技术发展

    放大字体  缩小字体 发布日期:2022-09-05 09:04:34    来源:本站    作者:标准件之家    浏览次数:881
    导读

    西安飞机工业集团有限责任公司(以下简称西飞)是中国大中型民用飞机的重要研制基地,不仅承担着国内大型飞机整机或部件的研制生产任务,还承揽了波音737-700飞机垂尾和空客A319飞机翼盒等国际合作转包项目。西飞数控中心是西飞大型复杂结构件的专

    Xi安飞机工业集团有限公司(以下简称西飞)是中国重要的大中型民用飞机研发基地。不仅承担国产大型飞机的科研生产任务,还承担波音737-700垂尾、空客A319翼盒等国际合作分包项目。西飞数控中心是西飞大型复杂结构件的专业制造商。加工的主要产品有:翼梁、壁板、梁间肋、车架、大型支撑接头、对接接头。产品材质多为2000系和7000系超硬铝合金,还有少量TC4和TC6钛合金以及30CrMnSiA和300M高强度结构钢。毛坯类型主要是预拉伸板和自由锻件。西飞数控中心加工的航空结构件不仅型腔多、壁厚薄、精度高,需要满足飞机机翼结构件的共同特点,如飞机的变斜角理论曲面,还具有外形尺寸大、型腔深、对参考面轮廓要求严格的特点。由于原材料的去除率通常可达90% ~ 95%,最高可达97%,而且型腔的深度大多在80mm左右,最深的可达200mm以上,刀具悬伸量大,刚性差,容易造成切削周期长、表面质量差、加工变形大、加工效率低等问题。这对飞机结构件的数控加工技术和高效刀具提出了更高的要求。机翼大梁、面板、翼肋的原材料都是Cs状态的超硬铝合金。因为铝合金(Cs状态的超硬铝合金)的强度b为0.48MPa,布氏硬度为156HBS,延伸率s为5%,1000导热系数为142 W/(mk),强度和硬度低,塑性小,刀具磨损小,导热系数比铜合金高。所以铝合金翼梁、面板、梁间筋非常适合高速切割。大型铝合金支撑接头和对接接头的毛坯为自由锻件或模锻件,原材料经过退火处理。主要加工工序为粗加工、强化热处理和精加工。由于铝合金熔点低,温度升高塑性增加。在高温高压作用下,切屑界面摩擦力很大,容易粘刀形成切屑团,特别是退火后的铝合金不易获得良好的表面质量。此外,这类接头多为深槽腔、高凸耳结构,刀具悬垂性大,刚性差,容易振动,切削效率也很低。由于钛合金的比强度(抗拉强度与密度之比)高达23 ~ 29,且在300 ~ 500仍能保持较高的比强度,对碱、酸等介质具有良好的耐腐蚀性。目前,钛合金材料在飞机结构中的比重越来越大,外形尺寸超过1000mm、特殊关键部位超过400mm的大型承力框和对接接头也越来越多地采用钛合金材料。但由于钛合金与氧、氮、氢、碳发生化学反应,形成硬度高或脆性大的表层,导热性差(为45#钢的1/5 ~ 1/7),导致切削钛合金零件时切削刃载荷大,切削温度高,刀具磨损严重。经过多年的积累,特别是通过国家九五、十五计划和近年来的专项技术改造,国内航空制造业先后从欧洲、美国和日本引进了大量高精度数控加工设备。这些数控设备具有高转速、大功率、高移动速度、高精度和精度保持等特点。缓解了飞机结构件制造设备长期短缺的被动局面。然而,加工设备尤其是刀柄和刀具的加工技术落后、性能低下、质量差的问题已经暴露出来,严重制约了数控设备的正常使用。因此,从2000年开始,通过技术总结和学习

    新技术、新工具的推广应用:1。提高了深槽腔的表面加工质量。深槽腔是飞机大梁和接头的典型工艺结构特征,也是零件表面质量差、局部啃刀和加工效率低的重要原因。当刀具从直边移动到槽角时,切削量发生变化,会引起刀具载荷的大小和方向发生很大变化,造成刀具振动、咬角,零件的表面质量和几何尺寸超差。这种超差会随着进给速度越快越严重,随着槽越深越容易发生。这个问题在几年前通过使用新的铣削技术和铣刀得到了解决。比如对于半径较小的拐角结构,采用多层线切割、笔头铣刀、五坐标编程等方法,都取得了很好的加工效果。这种新技术、新刀具的应用,不仅解决了型腔拐角容易超差的技术难题,还解决了加工效率低的问题。通过对现场数据的计算和统计分析,飞机大梁和接头数控机床的切削周期缩短了10%以上。2单位时间的材料去除率和加工面积大大提高。粗加工是去除大量切削余量的工艺环节,半精加工和精加工是通过刀具切削达到工艺所要求的几何尺寸精度和表面质量的工艺环节。根据不同的工艺环节,高速高效技术除了尽可能充分利用主轴输出功率外,在新工艺、新刀具上也有不同的侧重点。在进行下一次粗加工时,在机床转速足够高、输出功率足够大的情况下,使用波纹齿铣刀可以减少切削刃与材料的接触长度,降低刀具的切削载荷。通过增加每齿进给量,可以提高材料切削去除率。采用大直径端铣刀,结合斜面切削、螺旋线切削、拐角铣削等技术,可以通过增大刀具径向切削量ae来提高材料去除率。整体铣刀采用轴向切削深度大、轴向切削力小的菱形硬质合金刀片,结合了层优先对称和较高机器速度的编程策略。通过增加刀具的轴向切削量ap,也可以提高材料去除率。精加工时,在保证加工质量的前提下,主要通过增加单位时间内的切削面积来达到较高的加工效率。目前大量使用预动平衡调试过的刀具系统。

    统、耐磨损的粉末冶金高速钢或硬质合金材料的刀具以及硬度高、耐磨性好的刀具涂层、更加可靠的Big-plus BBT、HSK的强力液压和热装式刀柄,使得刀具和刀柄、刀柄和机床的连接更加精确,刚性也更好,加工时,机床转速可以达到20000~30000r/min,进给移动速度达到10000mm/min以上。

    3 新式结构的刀具系统拓展了数控机床加工能力

      飞机结构件例如支撑接头和对接接头,主要由槽腔、耳片、耳片上精度高并且直径较大的装配定位孔、外形轮廓等结构特征组成。传统的工艺方法是在数控铣床上加工槽腔、耳片、外形轮廓等结构后,加工转移到镗床上,利用专用的镗具装夹定位零件,从而最终加工出图纸要求的孔。而飞机的梁、框和梁间肋等结构件,在零件腹板一般设计有位置度要求较高并且直径较小的精度定位孔,在缘板上设计有用于装配连接用的铆钉位置初孔,在未采用U钻、超精钻和高速铰刀等新工具以前,这些孔一般都是采用数控机床钻初孔、利用钻模或钻孔样板装夹定位零件,在钻床上或手工钻孔铰孔的方法进行加工。

      然而以上的制孔方法,由于需要进行再次装夹,不但导致加工位置精度的降低,也因为增加了工艺流程,延长了零件的制造周期。由于在近几年引进了预调简单、操作可靠的数控机床用高精度镗刀,使得在一次装夹下完成精铣、镗孔的镗铣复合技术得以应用推广。这一技术的应用不但减少了新型飞机研制时对镗孔夹具的需求,节约了研制成本,而且大幅度地减少了零件的研制周期。同时,因为该类镗刀预调精确简单可靠,在零件批生产中依旧可保证极高的加工精度、稳定的产品质量和生产效率。

      对于腹板和缘板上较小直径的孔,由于使用了U钻、超精钻和高速铰刀等新式精度孔制孔工具,同时使用角度铣头,在三坐标数控机床或五坐标机床主轴摆动很小角度的状态下,就可完成这些部位精度孔和零件侧壁凹槽的加工。由于采用了新工具,数控制孔工艺技术得到了发展,使得在数控机床上通过一两次装夹就能够完成零件所有工艺结构的全部加工,这种工序集中、工种复合的加工技术已成为现代飞机结构件数控加工的发展方向。

    4 加工变形控制和钛合金的高速切削技术得到了发展

      在零件加工变形控制方面,除采用分层、对称去除余量、设计合理的走刀轨迹、选取合适的工艺切削参数等措施以外,在具有主轴内冷功能的数控机床上,利用刀具中心高压冷却方式,也是保证深槽腔加工时零件充分冷却,减少因切削热产生加工变形的有效方法。

      在钛合金零件的切削加工方面,由于大量的选用钨钴类硬质合金材料的整体硬质合金刀具、整体硬质合金的钻头和铰刀、镶齿焊接刀具和可转位刀具代替传统的钴高速钢材料的刀具,使得刀具切削刃更加锋利,同时提高了切削刃的强度和抗崩损能力,加工钛合金时刀具的被严重磨损的情况有所减轻。采用合适的切宽ae、切深ap和进给量,通过提高切削速度,提高了钛合金零件的加工效率。由于采用了新刀具,切削钛合金的切削速度已由传统的20~30m/min,提高至90~110m/min,飞机钛合金结构件的切削加工能力得到了大幅提升。

    结束语

      高效切削工具的引进和推广,助推了飞机结构件数控加工技术的又一次快速发展,缩短了我们与国外同行的技术差距。但目前国内使用的高精度刀柄、高性能的高速切削刀具、高精度的制孔工具等很大程度上依赖国外进口,采购周期长,购置费用高,而且刀具的高精度重复刃磨和重复涂层无法得到保证,刀具重复利用率低。这些导致了目前国内飞机结构件制造过程中刀具成本居高不下,因交货不及时影响零件生产的现象也时有发生,在一定程度上制约了新刀具的使用和新技术的推广,因此,高效切削工具国产化需求日益迫切。同时,目前国内在切削刀具的全寿命监控和管理方面刚刚处于起步阶段,在未来一定时期内,自行设计、制造和使用好高效切削工具,促进我国早日实现从制造大国向创造大国的飞跃,无论对于中国的切削工具制造业还是航空制造业,都是必须面对和尽快解决的问题。
     
    (文/标准件之家)
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