第五章 飞机结构件的数控加工技术
基于特征的飞机结构件数控加工工艺研究
基于特征的飞机结构件数控加工工艺研究摘要：本文介绍了飞机零件数控加工的背景，分析了飞机零件数控加工的特点和难点，应获取连接特性和尺寸信息，并根据网络信息评估网络的相对强度，根据通用信息对飞机结构件的相对强度进行评估，根据该功能对飞机结构的相对强度进行刚度校核，确定飞机零件切削参数优化模型，分析影响切削参数的因素，考虑对切削参数的影响，数控零件加工实验分析飞机部件编程和加工的典型特性，区分飞机部件的典型特性和组合，分析了不同测试方案的可行性。
关键词：飞机结构件；数控加工；装夹设计；参数优化一．飞机结构件数控加工工艺概述在现代飞机设计制造中，为了提高结构件的可靠性，飞机的结构件以厚壁和薄壁的总框架为基础。
因此，在设计和操作上具有物理精度高的优点。
以前的小零件焊接和激光焊接的处理率为90%或98%，大型五金件一起存放可以大大减少零件的数量和装配过程，减轻机器的重量。
提高飞机零部件的强度和可靠性，提高飞机生产质量。
飞机结构的结构主要取决于飞机的气动外形，其周长轮廓与其他部件的轮廓紧密对齐。
同时，薄壁结构弱化其结构，结构顶部复杂，底板厚度小于1mm。
为了满足精密装配的要求，飞机工业需要各种形状、部件的位置和尺寸等最大精度，都是高于上一代飞机的平均高精度。
飞机结构件复杂，操作困难。
这些部件具有复杂的理论形式，如机身形状、机翼形状和机身面积形状需要多个部件的组合。
这种薄壁结构容易变形。
有大量的薄壁和深壁，典型的组合结构比较薄弱。
由于飞机结构件的结构特征和精度要求，飞机结构件的数值控制加工有以下特点和难点。
首先是加工过程中容易变形。
飞机的结构复杂，特点类型多，结构件的紧固位置，例如开口管、飞边孔等必须考虑这一点。
第二，飞机的构造有丰富的薄壁构造和刚度。
因为加工中的切削参数的调整不恰当，所以会影响加工品质和效率的问题。
由于飞机的结构件加工特性的多样性，切削参数必须考虑特性的特性。
最后，由于飞机的结构件尺寸大，盲目性高，一般工艺只能在试验后加工。
基于MBD和特征的飞机结构件数控加工方法
1） 准确性定义。采用主几何模型和公差定义， 保证飞机 结 构 件 的 位 置、形 状 和 误 差 的 准 确 定 义。 其中，主几何模型由坐标系统、基准面 / 基准线系统、
（ 1 南京航空航天大学 机电学院，南京 210016； 2 成都飞机工业（ 集团） 有限责任公司，成都 610092）
摘 要： 针对当前基于特征的飞机结构件数控加工由于特征信息不完整导致的工艺决策、数控编程
以及在线检测自动化程度不高、质量不稳定、效率低等问题，提出了基于 MBD 和特征的飞机结构件
针对以上问题，提出了基于 MBD 和特征的飞机 结构件数控加工方法。该方法将 MBD 技术和特征 技术相结合，以飞机结构件 MBD 模型为唯一依据， 自动识别模型中的几何特征信息和非几何信息，并 根据该信息进行自动工艺决策、数控编程和在线检 测，提高了工艺决策、数控编程以及在线检测的质量 和自动化程度。
数控加工方法。该方法以飞机结构件 MBD 模型为唯一依据，自动识别模型中的几何特征信息和非
几何信息，并以此为基础进行自动工艺决策、数控编程和在线检测。MBD 模型中非几何信息的自
动获取大大减少了人工交互，避免了由于人员个体输入产生的数据异意性、不完整性和冗余性，提
高了工艺决策、数控编程和在线检测的自动化程度、质量和效率。根据以上研究，在 CATIA V5 平
包括通用公差和特定公差，通用公差应用于 公差
所有未标注特定公差的产品结构特征上
注解
对零件特定结构特征进行注解说明
飞机结构件数控加工精度控制关键技术
飞机结构件数控加工精度控制关键技术熊青春; 王家序; 周青华【期刊名称】《《航空科学技术》》【年(卷),期】2019(030)007【总页数】12页(P8-19)【关键词】数控铣床; 飞机结构件; 误差建模; 加工误差预测; 加工精度控制【作者】熊青春; 王家序; 周青华【作者单位】四川大学空天科学与工程学院四川成都 610065; 成都飞机工业(集团)有限责任公司四川成都 610092【正文语种】中文【中图分类】V261.2新一代飞机为满足长寿命、结构轻量化等方面的性能要求，大量采用新技术、新结构、新材料。
在飞机设计中，为提高飞机的强度和可靠性，承力结构件主要采用整体构件，以薄壁整体框架结构为主，这使其在切削过程中材料去除量大，去除率高达90%以上。
如图1所示，相比以往的飞机结构件焊、铆接的组装模式，大型整体结构件减少了零件数量以及装配焊接工序，提高了结构强度和可靠性，同时有效减轻整机重量，使飞机的性能显著提升。
飞机结构件的快速发展在提高了飞机性能的同时，也给制造技术带来了严峻的挑战。
加工精度是评价零件合格与否的重要指标，也是反映数控加工技术水平的首要指标。
分析数控加工的误差影响因素，对加工误差进行预测和补偿控制，实现加工精度的提升对企业增效降成本具有重要意义。
影响数控机床加工精度的因素众多[1，2]，如机床制造误差、热变形误差、振动误差、控制系统误差等。
依据数控机床的结构、控制系统等的不同，多轴数控机床的定位精度由不同的误差源决定。
在某个特定的数控机床上，有多个误差来源，包括几何、静态和动态负载、热误差、伺服系统参数不匹配等，这些误差源以一种复杂的方式影响刀尖的定位精度，最终影响零件的加工精度。
图1 某型飞机中机身加强筋结构Fig.1 The fuselage stiffener structure of an aircraft数控加工精度保障方法可分为两大类[3]：误差防止法和误差补偿法。
数控加工技术在飞机制造中的应用
数控加工技术在飞机制造中的应用摘要：近年来，随着国家经济快速发展，社会的不断进步，人民生活水平的日益提高，使得科学技术在不断进步，其中数控加工技术的出现，进一步的增加了飞机制造中的精确度。
飞机中的零部件均属于金属性的材料，因而就需要就会在数控加工的技术对这些金属材料进行加工，进而提高金属材料的精确度，确保飞机在飞行中的安全性。
因而，数控加工技术在飞机零部件的制造中起着非常重要的作用。
因此，为了进一步的了解数控加工技术在飞机制造中的作用，本文对数控加工的定义，组成，注意事项，数控加工技术在飞机制造中的具体应用以及数控加工技术在飞机制造中的影响进行了分析与研究，进一步的促进了数控加工技术在飞机制造中的应用程度。
关键词：数控加工技术，飞机制造，应用1.数控加工技术1.1数控加工的定义及数控机床组成数控加工，简单来说，指的是在数控机床上对加工零件进行的一种加工工艺方法，数控加工的机床与传统的加工机床的工艺规程是大致相同的，数控加工的工艺方法是借助数字化的信息来控制零件和各种刀具的位移来实现机械加工的加工方法。
数控化的加工能够解决传统机械加工中的问题，例如零件种类繁多，形状多样的零件以及一些精度较高的零件加工的要求。
数控机床主要是由控制介质，数控装置，伺服系统以及机床本体来组成。
数控机床主要是借助记录在媒体上的数字信息经过数控装置来对机床实施控制，使得它自动的执行规定加工过程的机床。
控制介质又叫做信息载体，在该介质中包含了加工某一个零件的所有信息，一般常见的介质有穿孔带，磁带以及一些磁盘等等可以大量的储存一些信息的载体。
伺服系统是用于连接机床运动部件和数控系统的主要装置，属于数控加工中的执行部分。
数控装置是数控机床中的关键所在，用于接收控制介质发送的信息，经过一系列的变化和处理来转换成对应的脉冲信号来进一步的控制机床的运动来进行加工。
机床是数控机床的机械部分，包括了一些主动传动装置，进给传动装置，床身，工作台以及其他的辅助等部分，还有一些其他特殊的组成部分。
数控技术在飞机零件加工中的应用
数控技术在飞机零件加工中的应用摘要：随着计算机技术的日益成熟，飞机制造技术也不断的进行革新、改革创新传统技术，此外，飞机制造中新结构、新材料的使用也促使飞机制造技术的不断创新。
目前，飞机先进制造技术数字化制造技术以及集成整体结构组成当前，数控技术在飞机零件加工制造中的应用水平较高，无论是主轴还是数控设备其利用率均非常高，数控技术的应用不但大大提高了劳动生产率和加工效率，而且还能有效缩短加工周期。
基于此，文章对数控技术在飞机零件加工中的应用进行了研究，以供参考。
关键词：数控技术；零件加工；技术措施1数控技术在飞机零件加工中的工艺浅析1.1DNC技术DNC技术即为分布式数字控制技术该技术在20世纪80年代已经广泛的应用于西方国家的飞机零件制造当中去。
经过几十年的发展，该技术在我国发展相对比较成熟，该技术再飞机零件加工中的应用可以有效提高其技术效益和经济效益，促进生产率的提高。
此外，DCN技术的应用使得机械加工车床具备了数字化加工生产线以及加工实体仿真手段，对飞机零件加工制造业的发展有着重要的作用。
1.2CAD/CAM系统计算机信息技术的兴起，CAD/CAM系统的应用使得飞机生产方式产生了巨大的变化。
CAD/CAM是计算机辅助设计与制造系统，其直接关系到数控加工工艺的水平。
计算机信息技术的兴起使得计算机图形处理水平不断提高，促使CAD/CAM系统中的图形交互的自动编程方法应用日益广泛，该编程方法在应用中有着操作简单、易于检查、高精度、高速度的特点，凭借其特点，该方法在CAD/CAM系统中得到了广泛利用。
在应用中借助各种技术资源与工艺知识数据库，最终使得机械制造工艺先进、加工程序优质，在促进成产效率与设备利用率大大提升的同时，能够大大降低工艺零件生产周期。
1.3高速切削技术相比飞机零件制造中的传统切削，高速切削的优点明显，首先在进给速度提高8倍的情况下，降低加工时间一倍以上，材料去除效率相比之前提高300%，而且切削力在降低25%的情况下，提高刀具耐用度80%。
数控加工技术在飞机制造中的应用
框类零件是飞机机身横向结构的主要承力件，是形成和保持机身径向外形的主要结构，其外形以机身外形数模为制造依据，整 个外形曲面均是机身理论外形曲面的等距过度面。框类零件的毛坯形式多为模压件，在国外则用厚预拉伸板较多。加工中，除 精加工外，框大部分采用三坐标
表１ 高强度钢材料的切削速度 ｍ／分
数控铣床即可进行加工，零件装夹均采用局部平面定位和工艺孔定位的分离式夹具。为控制加工变形，通常采用如下工艺方 法：
ａ、为保证上下平面保持平行，采用上下反复加工的方法，每次下刀深度控制在５ｍｍ之内，越接近最终尺寸，下刀量要逐渐 减小，最后一刀控制在１ｍｍ左右。
ｂ、控制舱内外形的收缩变形，采用先粗加工机身理论外形，再加工舱内外形的方法。
ｃ、为控制扭曲度，采用多次分层，双面尽量对称加工方法。一方面可使先加工部分的变形在后加工工序中回弹，另一方面使 变形也被铣掉一部分，从而达到较理想的几何形状。 ｄ、为减小零件加工的热变形，主要控制切削深度ａｐ值和切削宽度ａｅ值，ａｐ≤ｒ（刀具底角半径），ａｅ≤Ｒ（刀具半 径）；在主轴转速ｎ≥３０００转／分，切削速度Ｖｆ≥２０００ｍ／ｍｉｍ又减小加工热变形，提高切削质量是明显的。 １．４ 接头
二、数控技术应用的影响
数控技术的应用对飞机制造中常规加工所产生的影响是深远的，其影响主要表现在以下几个方面：
１、对标准工装的影响：传统的标准如样件、量规，用于协调飞机部件之间的安装关系。
２、对模线样板的影响：传统的以模线样板作唯一原始依据的制造方法将逐步被
数据所代替并逐渐消亡。
３、对零件和工装的加工影响：数控加工取代了按样件、样板、靠模加工的方法。
接头是飞机上的重要受力件，它要传递和连接飞机的各部位，因此其结构特点是几何形状复杂，空间角度多，加工精度和协调 性要求高，要求材料的强度和刚性好，抗疲劳也要好。此类零件毛坯一般为效率低、产品合格率低。为了解决变形问题，零件 加工分粗、中精及精阶段，并且每次加工时加工整个零件实体，使得应力得以充分释放。为了提高加工效率，在深层加工时采 用不同加工深度的刀具联合使用，充分发挥短刀加工效率高的加工优势，减少长刀的加工量，从而提高加工效率和产品的合格 率。
模型飞机设计及其数控加工
模型飞机设计及其数控加工模型飞机设计及其数控加工的背景和意义模型飞机设计是指通过一系列工程技术方法和原理，为了模拟真实飞机的外形和功能，设计出小型的模型飞机。
这些模型飞机不仅可以作为玩具，还可以用于航空教育、研究和训练。
随着科技的发展和人们对飞机的兴趣增加，模型飞机设计及其数控加工成为一个热门的领域。
数控加工是一种利用计算机控制机床进行加工的方法。
模型飞机设计与数控加工的结合，可以实现对模型飞机的精确、高效加工，提高生产效率和产品质量。
同时，通过数控加工可以实现一些复杂的机构和细节设计，使得模型飞机更加细致而真实。
本文将探讨模型飞机设计及其数控加工的背景和意义，并介绍相关的技术和方法。
通过了解模型飞机设计及其数控加工的基本原理和应用，读者可以更好地理解这一领域的重要性，从而为模型飞机设计和加工提供指导和启示。
二、模型飞机设计的基本原理该部分将讲解模型飞机设计所涉及的基本原理和概念。
模型飞机设计的基本原理包括以下几个方面：空气动力学：模型飞机设计的基础是空气动力学原理。
了解气流、升力、阻力、升降舵、翼型等概念对于设计一个稳定飞行的模型飞机非常重要。
结构力学：模型飞机的结构必须能够承受各种载荷，如重力、气动载荷等。
了解材料力学、应变、强度等概念对于设计一个强度合理的模型飞机至关重要。
控制原理：模型飞机的飞行需要进行控制，而控制原理研究的是飞机的操纵系统。
掌握飞机的操纵面、传动系统等相关知识，能够设计出合理的控制机构。
数字设计技术：在现代模型飞机设计中，数控加工已经成为重要的工艺。
通过数字设计软件，可以进行三维建模、分析和优化，有效地提高设计效率和准确性。
以上是模型飞机设计的基本原理的简要介绍，对于进一步深入研究和具体应用模型飞机设计具有重要指导意义。
三、数控加工技术在模型飞机制造中的应用本部分将探讨数控加工技术在模型飞机制造过程中的优势和应用方法。
数控加工技术是一种利用计算机控制机床进行加工的方法，它具有高精度、高效率、灵活性强等特点，被广泛应用于各种工业领域，包括模型飞机的制造。
飞机制造过程中的数控加工技术应用
飞机制造过程中的数控加工技术应用飞机制造是一个需要高精度、高性能加工技术的行业，而数控加工技术是现代制造业中不可或缺的一部分。
数控加工技术已经被广泛应用于飞机制造的每个环节，从飞机零部件的设计、加工到组装，都有数控加工技术的影子。
本文将从飞机制造中数控加工技术的应用入手，深入探究数控加工技术在飞机制造中的作用，包括其发展历程、应用范围及未来的发展趋势。
一、数控加工技术在飞机制造中的发展历程数控加工技术最初的应用是在20世纪60年代，当时的主要目的是提高加工效率和精度。
经过几十年的发展，随着工业自动化程度的提高，数控加工技术的应用范围越来越广泛，并且不断改善和升级。
而在飞机制造行业中，数控加工技术的应用也经过了一定的发展历程。
早期的飞机制造过程主要采用人工操作和传统的机械加工方式，色差、误差大、效率低下，难以满足飞机质量和生产效率的要求。
1970年代末，随着航空工业的发展和自动化水平的提高，数控加工技术被引入飞机制造中。
在数控机床上，只要将设计好的CAD图形转化为NC程序，数控机床就可以自动完成对工件的加工。
二、数控加工技术在飞机制造中的应用范围数控加工技术在飞机制造中的应用范围非常广泛，包括飞机零部件的制造、试验、组装等多个环节。
在飞机零部件的制造中，数控加工技术主要用于机翼、发动机舱壁、底盘等零部件的加工。
相比传统的机械加工方式，数控加工技术可以提高加工的精度和效率，缩短制造时间。
此外，在试验环节中，数控加工技术也可以用于飞机模型的制作和测试，为飞机设计提供更为准确的数据和参考。
在组装环节中，数控加工技术也有非常重要的应用。
为了确保飞机的结构安全和飞行性能，飞机的组装需要非常高的精度和可靠性。
数控加工技术可以实现高精度零部件的精确组装，大幅提高组装精度和效率，确保飞机的安全飞行。
三、数控加工技术在飞机制造中的未来发展趋势随着科技的进步和需求的不断变化，数控加工技术在飞机制造中的应用也在不断地发展和改进。
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5.1 飞机结构件的特点和分类
飞机零件尺寸大，壁薄，易变形。零件槽间距离仅 2～5mm，腹板厚度也仅有2～4mm，筋顶形状复杂， 几何形状不规则。
飞机零件按形状可以分为：
A类：飞机壁板、骨架、支架。 B类：飞机框、肋、梁。 C类：锁环、盖板、垫板。
常用的飞机零件材料
• 铝合金是飞机的主要结构材料，在飞机上的用量一般占70 ％-80％。5.3 飞机整体壁Fra bibliotek的数控加工实例
5.3 飞机整体壁板的数控加工实例
5.4 飞机大梁的数控加工
5.4 飞机大梁的数控加工
序号
材料名称
1
合金结构钢
2
铝合金
3
钛合金
低合金高强度钢 低合金超高强度钢
硬铝 超硬铝 α＋β两相钛合金
常用材料的牌号
30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A
LY12 LC4 TC4
铝合 和腹板面，翻面铣完内形和腹板面
金
以模线样板划线，将预拉伸板毛坯粗
2
预拉 伸板
铝合 金
铣成外形轮廓，然后铣正反面内形和腹板， 最后翻面铣完内形和腹板面
5.5 飞机框、肋的数控加工
5.5 飞机整体框的数控加工实例
5.5 飞机整体框的数控加工实例
5.6 难加工材料的数控加工技术
难加工材料的切削加工特点 不锈钢加工 钛合金加工 复合材料加工
• 复合材料
飞机零件数控加工的特点
飞机零件材料通常为难加工材料，这些难加工材 料的切削加工性是由其常温特别是高温状态下的物 理力学性能决定的，也与切削加工时所用的刀具材 料、切削方式、加工条件、机床性能、工件刚性及 装夹方法等因素有关。在飞机结构件的加工过程中， 不但要保证零件本身的加工精度，而且还要保证零 件满足协调性要求，二者缺一不可。
5.2 飞机整体壁板的数控加工方法
整体壁板是指将蒙皮、筋条、凸台等部分结构
组成的整体件。
1
2
3
1 腹板 2 筋条 3 孔及孔周边加强凸台
飞机整体壁板的特点
外形准确，表面光滑，可以减少飞机在飞行中的阻力； 在保证同样强度和刚度的情况下，结构重量较轻； 便于应用计算机辅助设计、辅助制造（CAD/CAM）技术； 整体壁板是飞机整体油箱的最好零件，它不但提高了油箱 的密封性，而且减少了密封材料的用量； 减少了零件和连接件的数量，简化了协调关系，减少了装 配工作量。
5.4 飞机大梁的数控加工
5.4 飞机大梁的数控加工
5.5 飞机框、肋的数控加工
5.5 飞机框、肋的数控加工
5.5 飞机框、肋的数控加工
序 号
毛坯类型
加工特点
对外形、内形、腹板进行粗、精加工后，
合金 再进行热处理，最后对框缘结合槽口、梁
钢
1
模压 件
结合槽口和结合孔进行细加工 铣定位基准面，一次定位铣完外形、内形
钛合金加工
提高钛合金加工效率的途径： 正确选择切削刀具材料； 采用多切削刃刀具切削； 减少钛合金铣削过程中的振动； 合理选择工艺参数。
复合材料加工
最常见的多功能复合材料本身既是结构材 料，同时又具有其他功能，如隐身飞机的机 身采用碳纤维或碳化硅纤维增强环氧树脂， 加入铁氧体填料构成的复合材料．特别是有 蜂窝夹层的复合材料，其本身不仅是轻质高 强的结构材料，而且还具备一旦电磁波(雷 达波)射向机身，在面层先吸收部分电磁波 并使透入的波在夹层中多次散射吸收，以逃 避雷达的搜索而实现隐身的功能。
蜂窝夹层结构复合材料
蜂窝夹层结构复合材料由面板(蒙皮)与轻 质蜂窝芯材用浸渍树脂液改性环氧胶粘剂或 改性酚醛胶粘刑粘结而成的具层状复合结构 的材料。夹层结构面板可用强度较高的铝、 不锈钢、镁、铁板或碳纤维、玻璃纤维、芳 纶纤维复合材料板，常用蜂窝芯材可为铝箔、 玻璃都、芳纶纸板、牛皮纸板等(根据不同 性能要求)片材粘接成六角形、菱形、矩形 等格子的蜂窝状作为夹层结构。
蜂窝芯铣切夹具
定位型面
蜂窝芯
双面粘结带
铣切夹具
蜂窝芯铣切夹具
隔膜
蜂窝芯
粘结带
铣切夹具
抽真空
蜂窝芯铣切刀具
蜂窝切削的刀具采用片铣刀
飞机整体壁板的分类
按筋条在腹板上的分布特点分类 按横向剖面形状分类 按搭边位置分类
飞机整体壁板的毛坯
预拉伸板材 挤压带筋板 挤铸带筋板 特型轧制的带筋板
工装的选择
真空平台的典型结构如图所示。主要由支承定位 平面、抽气孔、抽气槽、密封槽、O形密封胶条 以及边缘压板螺栓孔等部分组成。
真空平台的工作原理
难加工材料
航空航天工业常用的超耐热 合金、钛合金及含有碳纤维的复 合材料等.
不锈钢加工
刀具几何参数 刀具切削部分表面粗糙度 刀杆材料 刀具切削部分材料
钛合金加工
钛合金是一种难加工材料,钛合金零件的铣削 会由于切削速度很小的提高而导致刀具切 削刃的较快磨损。由于钛合金的强度高、 粘性大，切削中更容易在切削区产生和积 聚热量，加之导热性差，在大切除量的铣 削时，有引起燃烧的危险。
• 钛合金具有较高的抗拉强度（441～1470兆帕），较低的 密度（4.5g/cm3），优良的抗腐蚀性能和在300～550oC温 度下有一定的高温持久强度和很好的低温冲击韧性，是一 种理想的轻质结构材料。
• 不锈钢是一种含铬量大于10%～12%，或含镍量大于8%的 合金钢和含铬量为16%～18%的耐酸合金钢。它有很高的 耐磨性、硬度、强度、熔点都很高，化学活性大，亲和性 强，所以很难加工。
真空夹紧装置系统
5.3 飞机整体壁板的数控加工实例
5.3 飞机整体壁板的数控加工实例
5.3 飞机整体壁板的数控加工实例
5.3 飞机整体壁板的数控加工实例
5.3 飞机整体壁板的数控加工实例
5.3 飞机整体壁板的数控加工实例
5.3 飞机整体壁板的数控加工实例
5.3 飞机整体壁板的数控加工实例