Delcam自适应加工助力大型航空结构件数控加工

大型航空结构件主要有轮廓尺寸大、多槽腔、槽腔深、壁厚薄且通常具有变斜角理论曲面等结构特点。毛坯多为板材，数控加工时材料去除率达到90%～95%，最高的达到97%～98%。由于加工中大量材料被去除，新产生的内应力和材料原有的残余内应力重新分布，导致大型结构件加工变形很大，加工质量很难保证，因克服变形需多次切削和参数调整，加工效率较低。

同时，由于飞机性能的提高，大型结构件的结构形式也发生了变化，越来越多的传统组件被新型整体结构件代替。以机翼壁板为例，它通常有薄板式壁板、承力蒙皮与长橼铆接/焊接组合式壁板、整体壁板3种典型形式。整体壁板是一种重量轻、强度高的构件，蒙皮和加强筋由整块材料加工而成，蒙皮不失稳，改善了气弹特性，同时由于减少了铆钉数量，机翼表面更加光滑，提高了气动外形准确度，使得机翼壁板的重量降低了10%～15%，但相对于前2种形式的壁板，制造难度大幅度增加。

回顾我国航空结构件数控加工的发展历程，从70年代采用数控加工技术加工生产零件以来，主要经历了2大阶段。第一个阶段是70年代初期至2000年左右,这一阶段的特点是使用数控机床的主要目的在于解决加工对象的可加工性问题,切削材料以铝合金为主,也有少量的TC4、TB6钛合金，这一阶段可以称为数控化阶段。第二个阶段是从2000年至今，大体可以称为高速高效阶段。这一阶段的主要特点是加工对象的可加工性已不是主要问题，工作重点转移至了提高数控加工效率和实物加工前对加工结果的准确预知。在这一阶段，生产厂建立了数控加工基础数据库，切削材料依然主要是超硬铝合金材料，TC4、TB6钛合金材料大量增加，同时高强度钛合金如TC18、TC21的加工也开始出现。在这一阶段，精确几何仿真技术已成熟应用，并开始使用物理仿真技术分析预测加工对象的加工变形。

基础数控工艺技术

大型航空结构件的工艺流程长、工艺环节多、周转困难、定位装夹工作量大、加工过程中保证尺寸协调一致性难度大，因此，制订工艺方案时要重点解决好几个问题：（1）按照工作集中的原则设计工艺流程，减少周转次数和运输工作量，缩短加工周期；（2）减少工件的定位装夹次数，消除多次装夹的定位误差，工件定位便于加工中检查效验，提高加工精度；（3）设置工件加工坐标基准点时，应能够将工件因温度变化产生的变形量沿工件长度方向均匀分布；（4）编制数控程序时，特别是一把刀具连续切削量较大时，要充分考虑刀具的切削寿命，避免在加工程序执行中刀具过度磨损而降低加工质量；（5）利用防差错技术，设置刀具效验、刀具补偿效验、工件坐标系效验等功能，杜绝因工人操作不当造成的质量事故。

设计大型航空结构件的工艺流程、确定工件定位装夹方案、编制数控程序都依托于成熟先进的基础数控工艺技术。基于制造厂的实际工艺资源的配置状况，依据工序集中或工序分散的原则，利用CAPP平台上典型结构件数控加工的工艺知识库，运行利用成组技术并可自动识别CATIA/UG产品设计实体数模结构特征和拓扑关系的数模导入分析系统，在CAPP平台上自动生成大型结构件的工艺流程和加工方案。

通过对CATIA/UG进行二次开发，建立基于CAM系统的企业典型结构特征的走刀策略库，针对结构件各个部位的结构特征和参数，优化工件具体部位的走刀策略。

CAD/CAM系统与企业数控设备资源库、刀具数据库、切削参数数据集成在CATIA/UG系统，依据工艺知识库建立的工艺流程和走刀策略库建立的数控编程操作调用设备、切削工具系统、切削参数数据库，选择高性能切削刀具及夹头，确定优化的切削参数。

变形模拟仿真分析控制技术

加工变形问题是大型航空结构件数控加工关注的首要问题，加工变形主要是由于工件内部存在内应力造成。利用有限元分析技术，结合现有加工工件结构、毛坯类型、切削参数、实际加工变型方式和变形量等基础数据，准确分析预测加工变形的趋势、变形方向和变形量。根据变形模拟仿真分析，可以制订优化工艺加工的先后顺序，通过优化工艺余量在不同加工环节的分配，选择高性能切削刀具及与夹头的连接方式，调整切削宽度、切削深度、切削转速、进给速度等切削参数和冷却润滑方式，有效控制工件实物加工的变形。

高速高效编程和切削技术

高速切削编程不同于普通中低速切削编程，要求数控机床运行NC程序切削工件时，切削去除量必须保持均匀，避免因切削去除量的突然增大使切削力突然发生较大变化从而造成刀具损坏、工件超差或报废，甚至机床发生故障。为此，定义为毛坯模型的编程方式，通过CAM 系统高速切削模块的自动运算，既保证走刀轨迹连续光顺，又保证切削去除量的均匀准确。

由于大型航空结构件具有深槽腔的特点，切削刀具悬伸较大，刀具悬伸量与直径之比普遍大于3∶1，部分可达到5∶1，导致切削过程中振颤加大，不但降低了高速切削的表面加工质量，也降低了切削加工效率。

要解决以上问题，一方面是利用物理模拟仿真技术，通过模拟计算工件-夹具-机床-夹头-刀具这个封闭的工艺环境的自激振动频率，确定切削振颤稳定域，从而选取合适的切削参数，在保证高速切削的前提下，减少切削过程产生的振颤，保证获得较高的表面加工质量。另一方面是使用具有抗振减振功能的夹头，如液压式夹头，这种刀具夹头的油腔结构及其中的高压油使结构阻尼增加，能抑制切削加工过程产生振动，可明显改善被加工表面粗糙度。

实时的自适应加工技术和在机测量技术

航空结构件数控加工程序在生产机床上的正常运行通常要考虑3个基本因素：工件在机床上的实际定位装夹位置与理论设计的一致性、实际加工工件的工序初始形状与CAD/CAM模型的一致性、实际加工完毕后得到的形状和尺寸与理论计算的一致性。

利用Delcam PowerINSPECT自适应加工功能，加工前测量工件实际的定位装夹部位的特征尺寸，判定装夹器具与程序轨迹是否会发生干涉。同时，通过测量工件或定位器具的基准点和参照点，准确计算工件定位与理论要求的偏差，并对数控程序进行平移、旋转的自动转化处理。对加工后得到的形状和尺寸，特别是理论曲面的位置和形状、大尺寸不易手工量取的相互位置尺寸等，利用Delcam PowerINSPECT OMV在机检测功能，加工后可以在数控机床上对刚加工完成的工件进行加工验证测量。OMAT-Pro是操作员对机床运行过程进行优化、监视和控制的得力工具，通过对加工过程进行实时监控，并按一定的原则对进给速度进行优化，即可保护刀具、工件和机床不受损伤，又可显著缩短程序实际运行时间。

结束语

近几年，国内航空制造企业的大型航空结构件数控加工技术越来越成熟，铝合金整体壁板、整体大梁、钛合金整体框等类型的零件加工质量越来越稳定，同时加工效率也大幅度提高。随着柔性加工、智能加工、绿色加工、信息化制造等技术逐步深入地开展研究与应用，我国大型航空结构件必将进入到一个全新的时代。

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Delcam自适应加工助力大型航空结构件数控加工

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