昌飛公司直升機關鍵構件加工概述

■文/黃峻 丁云清

隨著我國航空工業(yè)快速發(fā)展，航空產品中大量復雜高精度零件需通過高效數控加工提升效率，保證質量。本文結合直升機關鍵構件加工特性分析了其對數控機床的加工要求，通過國內外數控機床使用情況對比分析了國產數控機床存在的主要問題與不足，并進一步提出國產數控機床的改進建議。

1、引言

直升機關鍵構件包括槳轂、機身薄壁整體機加框及起落架、液壓系統(tǒng)件。隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，直升機批生產對關鍵構件的制造可靠性與加工效率提出越來越高的要求。數控機床是現代航空復雜零件加工的重要保障，其加工適應性也成為航空產品制造技術提升的基礎與關鍵要素。

2、直升機關鍵構件加工特性

1) 槳轂

① 槳轂材料

槳轂系統(tǒng)主要包括主槳轂、尾槳轂和自動傾斜儀三大部件。當前，世界上主流直升機大部分使用第三代球柔性槳轂技術。該種槳轂主要承力件材料已由高強度鈦合金（TB6）取代過去常用的優(yōu)質合金鋼。TB6鈦合金在國內是近幾年研制并開始工程應用的新材料，主要性能參數為：σb≥1200Mpa，斷面收縮率ψ（徑向≥6%，弦向≥4%）。TB6鈦合金的切削特性如下。

? 切削溫度高：TB6鈦合金的熱導率低（約為鐵的1/5、鋁的1/10），極大地限制了刀尖的冷卻條件和散熱能力。

? 彈性變形大： TB6鈦合金彈性模量低，加工易變形，已加工面回彈，與后刀面劇烈摩擦，尺寸精度難保證。

? 加工硬化：TB6鈦合金化學活性大，易與大氣中多種元素產生化學反應，形成硬而脆的外皮，切削過程中的塑性變形易造成表面硬化。

? 易粘刀：TB6鈦合金化學活性大，切削過程中與刀具親合力大，造成粘結磨損和擴散磨損，產生嚴重的粘刀現象和積屑瘤。

② 槳轂關鍵零件結構特點

直升機槳轂關鍵零件多為曲線回轉體帶復雜接頭、支臂結構，零件結構復雜，外形尺寸多為空間尺寸，帶空間扭角結構，有極高的裝配協調性要求，零件加工精度要求較高，各平面、型面、腔槽及大量精度孔與回轉結構間有較高的位置關系要求，如位置度0.03～0.1，對稱度0.02～0.1，孔尺寸精度IT6～7級，內花鍵精度5～6級，表面粗糙度Ra1.6～3.2μm。加工工序包括車削、銑削、鉆削、鏜削、鉸削、深孔加工、插齒加工等。

2) 機身薄壁整體機加框

① 機身薄壁整體機加框特點

機身薄壁整體機加框主要為機身連接、對接框，毛坯為鋁合金預拉伸板，零件加工余量大，材料去除率超過95%。以S-92型直升機為例，該型機大量采用薄壁整體框設計，整體框結構突顯“四化”特點。

? 大型化：典型零件后梁長2900mm，寬760mm，外形尺寸大；

? 復雜化：典型零件664站零件將原22個角盒類零件合并設計為一個整體結構，外形復雜，閉角結構多；

? 薄壁化：零件最小壁厚一般為1.2m m，筋板厚度最簿處0.5mm，腹板厚度最簿處0.6mm。

? 精密化：零件帶大量雙曲面理論外形配合面，表面粗糙度

② 機身薄壁整體機加框主要加工問題

? 變形問題：變形問題直接導致整體構件精度不能滿足設計要求，裝配、協調、互換無從談起；

? 顫振問題：顫振問題直接導致整體構件尺寸超差，表面粗糙度低下，嚴重降低零件壽命；

? 精度問題：薄壁公差需保證0.12m m的公差帶要求，2m×2m的腹板面需保證平面度0.15mm，接頭孔位及尺寸公差要求在0.03mm以下，表面粗糙度Ra<1.6um。

3) 起落架、液壓系統(tǒng)件

包含操縱系統(tǒng)、液壓燃油滑油系統(tǒng)、起落架、減擺器等產品制造。零件材料以高強度鋼為主，主要加工難點為高精度變徑深孔加工，最大孔深1000～1200mm，孔徑60～100mm，孔底帶型面，深孔內外圓與各接頭、叉耳間存在較高的位置關系要求，如位置度0.05～0.08，孔尺寸精度IT6～7級，表面粗糙度Ra0.8～1.6μm。加工工序主要包括車削、銑削、鉆削、鏜削、鉸削、深孔加工等。

3、直升機關鍵構件加工對機床要求

1) 槳轂

? 具備整體高剛性、高功率、高扭矩，且恒扭矩范圍大，在受制于TB6材料可切削性能差而要求低線速度加工的不利條件下，通過大切削量實現TB6材料的高效加工；

? 具備過主軸中心高壓內冷系統(tǒng)，為難加工材料加工提供充分的冷卻和斷屑條件，提高刀具壽命和零件質量；

? 具備復合化加工能力，能在盡可能少的裝夾次數中保證較高空間形位公差零件的技術要求；

? 定位精度、重復定位精度高，且精度穩(wěn)定性、保持性要好，滿足高精度產品加工技術要求。

2) 機身薄壁整體機加框

? 主軸高轉速，各軸快進給（含旋轉軸），通過高速加工帶走大量切削熱，解決薄壁零件加工變形與顫振的問題；

? 五軸聯動精度（RTCP）高，保證帶理論外形復雜雙曲面結構的五軸聯動加工精度要求；

? 五軸聯動過象限誤差補償能力強，避免五軸聯動過象限時的抖動現象發(fā)生，保證較好的表面粗糙度要求；

? 熱變形控制技術，減少零點漂移，保證大尺寸零件長時間加工時機床狀態(tài)的一致性和可靠性，避免需通過無謂人工補償方法增加復雜零件加工難度；

3) 起落架、液壓系統(tǒng)件

? 具有高精度深孔精密鏜銑加工能力，保證深孔類難加工材料的鏜銑加工要求；

? 具有深孔磨削能力，實現高精度深孔零件精密加工要求；

? 具有復合加工能力，解決起落架、液壓系統(tǒng)件中帶接頭、叉耳結構的復雜回轉體零件加工形位公差要求；

4、國內外機床使用現狀

1) 應用現狀

近幾年，航空制造業(yè)配置了一大批數控三軸及五軸高速銑削加工中心、數控三軸及五軸強力加工中心、車銑復合加工中心、數控五軸復合材料切鉆設備等，現有設備中以進口五軸高端設備為主，并輔以部分國產三軸加工設備，目前，基本采用以國產設備粗加工、進口設備精加工模式進行復雜構件制造。進口設備在剛性、精度、可靠性、切削能力等方面具有明顯優(yōu)勢。

從使用情況看，部分國產數控設備質量一般，在設計、制造、安裝方面都存在一些問題。尤其是大型龍門或者五軸加工中心，由于設計、制造經驗不足，問題較多。曾出現的問題包括：三坐標加工中心導軌潤滑存在制造缺陷；滑枕部分設計不合理，維修主軸拉刀機構時，需拆卸Z軸電機、主軸電機、齒輪箱，工作量大且可維修性差；油冷機功率偏小，齒輪箱的冷卻效果不佳，造成齒輪箱溫升較高；滑枕防護罩設計不合理，主軸電機散熱效果不好，造成滑枕熱變形，工件加工精度超差；五軸加工中心結構不合理，軸頭漏油、A軸伺服報警，刀庫液壓部分有故障，設備利用率很低；數控車床存在設計缺陷，冷卻液箱設計不合理，漏液等。

2) 國產機床與國外機床主要差距

? 主軸、滑枕等熱變形較大，影響加工精度；

? 漏水、漏油較普遍，刀庫可靠性較差，故障率較高；

? 結構欠合理，加工產品適應性不強；

? 基于高可靠性條件下的復合化加工能力不足；

? 機床剛性、可靠性、精度及精度保持性較差。

5、國產機床改進建議

經過幾十年發(fā)展，國產數控機床歷經從無到有、從仿制到自主研制的不同階段，已解決能不能干出來的問題，進入 “十二五”及今后新的發(fā)展時期，需進一步突破高精尖制造的瓶頸。從整體上看，國產數控機床制造企業(yè)還普遍存在做大不做強的弊端，數控系統(tǒng)和關鍵功能部件發(fā)展技術水平滯后較嚴重，高檔數控機床的關鍵核心制造技術基本依賴進口，與國外先進技術相比，依有較大差距，可持續(xù)發(fā)展能力不強。近年來，國際數控機床制造技術不斷向高精度、高性能、智能化、復合化方向發(fā)展，對機床可靠性要求明顯提高，數控機床產品功能的持久性、精度的穩(wěn)定性、運行的無故障性以及可維修性和經濟性要求也越來越高。國產數控機床制造業(yè)還需全方位改造技術，提升水平。

1) 在機床精度方面，國產機床靜態(tài)幾何精度已達到較高水平，但動態(tài)精度、五軸聯動精度、高速插補精度以及精度保持性還需進一步提高；

2) 三軸加工中心需解決漏水、漏油問題，提高刀庫的可靠性；

3) 進一步提高五軸加工中心整體可靠性，提升復雜曲面五軸聯動加工運動軌跡優(yōu)化控制技術；

4) 在誤差補償技術方面，需進一步增強反向間隙補償、熱變形誤差補償、過像限誤差補償和空間誤差補償等技術水平；

5) 結合航空產品工藝需求，提升機床結構合理性與加工適應范圍；

6) 提升基于高可靠性條件的復合加工水平，應用立式或臥式復合加工手段實現更高柔性加工；

7) 加在針對航空制造業(yè)非金屬材料加工設備的研發(fā)制造能力；

8) 提升機床智能化水平，實現機床加工過程自適應控制、在線實時防碰撞保護及智能故障診斷與修復；

9) 加快響應速度，提升售后服務質量與水平；

10) 進一步完善優(yōu)化機床細節(jié)設計、制造。