航空结构件的特点及工艺性分析航空结构件几何结构的复杂性、难加工性导致其加工精度难以保证，为满足新一代飞机结构件的精度要求。需要对数控加工过程中影响航空结构件加工精度的各种因素进行深入分析。
航空结构件的结构特点航空结构件是构成飞机骨架和气动外形的重要组成部分，随着飞机结构件设计水平的提高以及数控加工技术的发展。航空结构件呈现出以下的特点：
(1)尺寸较大：相对于传统小型结构件的组装模式，目前的结构件大量采用整体框、梁等结构，使得零件外形尺寸较大，其中梁类零件长度在通常在1m～12m之间，框类零件轮廓尺寸最大可达4m2.5m。
(2)结构复杂：以整体、单件的方式代替传统的组装、多件的结构模式，导致零件的结构复杂：零件大量采用双面薄壁、多加强筋、多转角、深槽腔以及鼓包、交点孔等结构。
(3)精度要求高：为满足精确装配需要，零件气动外形、结合叉耳、鼓包、交点孔以及关键部位壁厚、槽宽等特征的精度要求较高，通常公差要求需满足0.05mm。甚至达到0.02mm。
(4)材料多样性：飞机结构件需满足高强度、耐疲劳等特性。因此除了常用的铝合金材料，还会包括一些高强度难加工材料，如钛合金、不锈钢等。
航空结构零件的复杂结构特点以及较高的精度要求，使零件在加工中体现出了作为飞机零件的工艺特点：
(1)易变形：由于航空结构件存在大量薄壁结构，是典型的弱刚性零件，受加工允许的精度范围。
(2)难加工：一方面，航空结构件采用的钛合金、高温合金和复合材料本身属于难加工材料。另一方面，其复杂深腔结构造成刀具长径比很大，刀具刚性变差，容易产生颤振和变形，影响加工精度，同时由于槽腔狭窄、排屑困难，产生的切屑容易挤压刀具形成二次切削，影响表面质量。
影响航空结构件加工精度的因素制约航空结构件精确加工的因素较多，其中最主要的体现在机床、工艺系统和工艺方法等方面。
(1)机床精度：数控机床精度又主要体现在几何精度、动态精度两个方面。几何精度是指机床静态时主要部件的形状、位置精度，包括工作台面的平行度、坐标之间的垂直度、摆角定位精度等；机床几何精度仅为机床的理论精度，在机床实际使用过程中，受到机床外部环境、内部结构热变形、加工过程的振动等因素影响，机床动态精度将远低于静态精度。
(2)工艺系统：工艺系统由刀具系统、工件、夹具等要素组成，刀具系统结构复杂，刀柄夹持方式较多，刀具材料、结构形式多样。导致刀具系统制造的误差积累，造成刀具轴线和机床主轴轴线不重合，从而导致零件过切或变形影响零件加工精度：由于航空结构件尺寸大、壁薄。如果加工区域温度远高于其他区域。会造成工件变形；大尺寸、刚性的结构件装夹时须考虑零件各个部位的压紧状态，以及夹具与机床工作台之间采用定位销连接，这两个因素同样会因误差积累而产生夹具找正误差。
(3)工艺方法：加工过程中的切削参数、走刀轨迹等对零件的加工精度也会构成影响。切削参数包括切削速度、进给量、轴向切深、径向切宽等，不合理的切削参数往往会使切削力不稳定、加快刀具磨损，影响零件加工精度及表面质量；实际机床运行中拐角处进给停顿、铣刀的切入点和切出点均会产生接刀痕迹，以及不合理的加工顺序都会导致零件刚性变差从而进一步影响表面粗糙度和精度。
提高精确制造能力的途径
针对影响航空结构件加工精度的各种因素，需要从机床、工艺系统、工艺方法等方面采取相应措施以提高航空结构件的加工精度。
机床精度控制
从提高机床本身结构精度方面．可采用热对称结构设计，使机床获得高刚性、高精度：基于有限元的优化结构，使机床结构刚性均匀分布、振动减小；静压导轨和滚动导轨改变导轨的摩擦性质，提高导轨精度。
从提高误差监控能力方面，针对大型航空结构件加工周期较长的特点可采用在线检测手段以实时监控并补偿机床的几何精度和热变形误差；新一代自适应控制系统，通过对机床主轴及刀具监控。采集数据并自动判断，再进行实时速度调控，实现刀具、机床的过载保护，提高零件的加工精度。
从控制外部环境方面，由于热环境对大型数控机床影响极大。其热变形控制显得尤为重要，采用温控设备保持稳定的环境温度，能减少机床结构热变形，保证机床良好的工作状态。稳定零件的加工精度。提高工艺系统的刚性和精度
(1)提高刀具系统的刚性和加工精度。
要提高刀具的加工精度和刚性，可采取如下措施：
应用高性能刀具材料：硬质合金材料在高温条件下能保持高的硬度、热膨胀系数小；陶瓷、金刚石等超硬刀具材料具有更好耐热性和耐磨性。可以显著提高刀具的切削精度。
采用合理的刀具几何结构：针对不同的材料选用不同的刀具结构，比如加工硬度低的铝合金材料可选取较大前角，而对硬度高的材料(如高温合金)，前角应很小甚至取负值，可有效减少刀具磨损。
采用合理的刀柄结构：热缩刀柄简化了刀柄结构、减少了刀具系统累积误差；针对悬长大于200mm的刀具，使用专用减震刀柄，可有效地增大振动衰减比。
(2)提高零件的装夹稳定性
针对大型航空结构件，目前普遍采取在周边用螺钉压紧工艺凸台方式装夹，避免零件整体位移，但对于弱刚性零件，还需增强其内部结构的稳定性，如大型壁板类零件采用真空吸附方式，能有效避免加工时零件振动；如蜂窝类零件采用基于摩擦学的磁力固持方式。能保证每个芯格的稳定性。
为适应新一代飞机结构件加工需要，采用数控多点自动调节技术的柔性夹具已逐步投入应用，该技术可实现不同形状的大型结构件在机床上的柔性、快速定位装夹，已成为数控工装设计制造的发展方向，特别在薄壁结构件、大型复合材料结构件生产中体现出了明显的优势。优化工艺方法
通过改进加工工艺方法，也可以减少零件变形、增加加工区域的刚性。
(1)优先采取高速加工方案：铝合金切速大于1 200m／min、钛合金切速大于100 m，min的高速方案能显著减小切削力。减少零件变形，提高零件表面质量。
(2)应用物理仿真技术：通过对机床、刀具和工件的稳定域分析。实现铣削过程的力学仿真，是优化切削参数的重要途径同时物理仿真技术还能模拟加工硬化层的残余应力，能有效预测并控制零件变形。
(3)根据特征制定走刀轨迹：采用分层等高加工。控制切削载荷均匀性；薄壁结构采用阶梯对称铣削的加工方式，充分利用零件未加工部分作为加工时的支撑以增强薄壁件刚性；应用插铣加工方式，去除转角大余量，能减少转角处切削力突变，提高加工精度。
国产机床在大型高精度零件加工中的应用
在应用国产三轴机床过程中，成飞公司通过深入分析机床变形、加工应力、刀具等方面的因素，采用在线检测实时监控补偿技术、恒温浸泡冷却法环境控制技术、余量均匀去除的走刀方式、高精度高刚性小晶粒整体硬质合金刀具等技术实现了中科院大型电子对撞机核心部件大端板的加工，在1米的距离内达到了0.025mm的位置精度，填补了国产大型机床高精度加工技术的空白。
国产机床具有相对完善的售后服务，目前国产三坐标机床在航空企业应用已比较成熟，其整体加工精度达到了进口机床水平。但由于航空结构件曲面复杂，国产机床还不能满足加工中的多轴联动精度要求，因此其技术还有待进一步提高。
(审核编辑: 智汇张瑜)
