大型复杂飞机结构数控加工工艺

在飞机研制和生产过程中，数控加工面临三大问题——加工损伤、加工不稳定、加工变形。 2007年以来，PTJ Shop在航空业多个项目的支持下，成功解决了上述问题。

加工损伤、不稳定和变形的根本原因来自于数控中“机床-刀具-工件”工艺系统的动态相互作用 加工过程. 传统的基于经验和单一因素的理论和方法并不能解决上述问题。

总体思路是解决问题。 通过建模，分析“过载→损坏”、“颤振→稳定性”和“应力→变形”的力学性质。 从理论预测来看，“证明”和“装备装备”是“耗散”的。 从反取消、软硬件结合入手，突破以下关键技术：

• 1）切削力/热负荷平衡预调加工技术，适用于难加工材料和复杂结构的加工；
• 2）大型薄壁结构件稳定高速铣削加工技术；
• 3）大型复杂结构件全过程残余应力和变形预测与控制技术。

PTJ Shop自主研发：数控铣削时变切削力预测及参数优化软件及微润滑装置、数控切削动力学仿真优化软件及被动阻尼吸振装置、加工变形仿真软件及“热-振”复合应力均衡装置应用于飞机大型复杂结构件的数控加工过程中，解决了加工不稳定、损坏、变形等问题。

关键技术研究与应用：

1、难加工材料切削力/热负荷平衡预调加工技术

机加工损伤的问题在于 激光切割 力/热负荷大且变化剧烈 数控加工 加工过程中，对刀具和工件的冲击造成机械损伤和表面烧伤，特别是在难加工材料的数控加工中。

传统的避免和减少机加工损伤的方法是大幅度减少切削量，使用大量切削液，大大牺牲了切削效率。 面对新的加工需求，基于动态切削力建模，考虑工艺系统的多重约束，提出了一种可变螺旋曲线的径向螺旋分层局部圆铣方法，以优化刀具路径和预调切削参数。 切削力均衡，防止切削力过载和冲击。

时变切削力预测和参数优化软件 数控加工 飞机 部分 已开发，并已形成应用规范； 开发了三类准干式切削精密润滑装置。 TC4钛合金超大整体框架，针对筋、棱、内部形状等复杂结构进行加工和测试，实现150m/min以上的稳定切削速度，关键部位表面粗糙度达到Ra1.6~ Ra0.8。

2.大型薄壁构件稳定的高速铣削加工技术

加工不稳定的问题是薄壁高筋结构导致工艺系统动态特性恶化，产生切削颤振。 面对新的加工需求，在分析工艺系统交互作用的基础上，建立了“机床-刀具-工件”动态模型。 通过测试识别，仿真计算出颤振稳定域曲线。 在工艺系统的多重约束下，提供优化的切削参数，实现高速高效切削，无颤振，“防止”加工不稳定。

在颤振模型的基础上，研制了多种阻尼减振装置，并安装在被加工结构或机床的相应部位，以抑制或衰减发生的振动，实现加工振动的“消除”。

自主开发了识别测试硬件、X-Cut/e-Cutting软件、阻尼装置，并在大量测试的基础上建立了工艺数据库。 飞机铝合金机身框架的示例测试表明：

实现弱刚性边缘的无颤振稳定加工；

材料去除率提高一倍以上；

关键部位的表面粗糙度达到Ra0.8 μm。

3、全过程残余应力和变形预测与控制技术

大型复杂构件的变形主要来源于：

• 1) 坯料在切削过程中不断释放和重新分布的残余应力引起的变形；
• 2）刀具与工件（包括夹紧）在切削力作用下的变形相对变形。

因此，飞机结构件残余应力的形成和叶片弹性变形的演化是预测和控制加工变形的核心。 针对大型复杂飞机零部件，对结构件从毛坯到成品的残余应力进行仿真分析，预测残余应力分布状态和加工变形规律，优化工艺参数控制残余应力状态实现对后续CNC加工变形的预测。 “保护”; 开发了“热-振”复合残余应力均化装置，将“点-腔”式热振复合效应作用于工件，进行残余应力均化，“消除”工件变形。

该项目成果整体技术达到国际先进水平，在切削力/热负荷平衡预调整加工技术方面达到国际先进水平。

本文链接： 飞机大型复杂结构数控加工关键技术研究

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