飞机机架零件的高速加工
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摘要: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而成(至今仍有部分零件采用此种方法制造)。现在采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。

图1 整体结构的Pilatus PC 9飞机主梁(图片提供:StarragHeckert公司)
例如,Pilatus PC 9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Pilatus PC 12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,从而严重聘用制了复杂形面和几何形状的生成。
由于某种原因上述原因,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。现在只需三道貌岸然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。

图2 特别适合于五轴联动加工的StarragHeckert公司的STC 1000/130机床,功率为70kW时,主轴转速为24,000r/min

适用于高速铣削的机床与刀具

坯料是用水刀将厚127mm或76mm的铝板切切割到近似形状。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STC 1000/130型机床:主轴功率为70kW,在100%负载运行时最高转速达24000r/min (图2);主轴锥孔:HSK63A;机床X/Y/Z轴行程为:1700mm/1600mm1950mm;主轴可倾范围:-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和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。

图3 二次装夹时,利用一专用工件适配夹具夹持零件已加工面上的工艺搭子

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。第一道貌岸然工序是用直径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6500mm3/m
原载:《世界制造技术与装备市场》2009年2月
上载于:2009-4-17 15:59:41

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