航空结构件五轴高效铣削工艺知识获取及集成应用

With the rapid development of aerospace industry, the demands for five-axis high performance milling are growing in aircraft structures, where cutting database is essential to reach this purpose. The cutting process data, including cutting force, cutting heat, tool wear and cutting stability, are the premise to form the optimal cutting database. The process data obtained in simple cutting condition and ignoring the variation of process system are not appropriate for the machining of complex aircraft components. The five-axis high performance milling of titanium alloy structure is considered in this project. The machining features and actual cutting parameters during five axis machining are comprehensively analyzed for various structures, and their process data are then modeled. For the five-axis machine tool, the frequency response function of tool point is investigated with the postures, and the multi-posture cutting stability model is also expected to be established. Under the comprehensive consideration of cutting process, cutting system and process data model, a cutting parameter optimization method for the performance match of tool-workpiece assembly system is presented with the optimization goal of machining efficiency and multiple constraints. The cutting database is finally developed and then applied to the machining of titanium alloy aircraft structure in AVIC Xi’an Aircraft Company.

随着航空装备制造业的快速发展，航空结构件的五轴高效加工需求与日俱增，切削参数库是实现高速高效加工的重要手段，而切削工艺知识的获取是构建动态和最优工艺数据库的前提，以往建立的切削工艺知识大都在简单切削条件下完成，而且未考虑加工过程中工艺系统本身的变化，因而难以用于航空结构件的五轴加工。本项目针对此问题，以钛合金航空结构件为研究对象，围绕其五轴高效铣削工艺知识的获取及集成应用，分析复杂结构件动态加工特征的参数化表征与实际切削参数计算方法，实现五轴姿态时变下的力、热、磨损等工艺知识精确计算；建立结构件的五轴加工过程铣削动力学模型，分析全加工周期内系统铣削稳定性在时间和空间中的变化规律；在多重约束条件下开展工艺过程规划与优化，实现工艺过程与工艺系统之间的最优配置，形成钛合金结构件的高效铣削工艺方法，集成开发出高效铣削工艺知识库，并在中航飞机西安飞机分公司的航空结构件加工上进行实际示范应用。

随着航空装备制造业的快速发展，航空结构件的五轴高效加工需求与日俱增，切削参数库是实现高速高效加工的重要手段，而切削工艺知识的获取是构建动态和最优工艺数据库的前提，以往建立的切削工艺知识未考虑加工过程中工艺系统本身的变化，因而难以用于航空结构件的五轴加工。. 针对此问题，本项目以钛合金航空结构件为研究对象，围绕其五轴高效铣削工艺知识的获取及集成应用，提出了复杂结构件复合加工特征的参数化表征和响应快速计算方法，借助通用化的五轴加工刀位点数据信息实现了五轴加工啮合区参数的准确计算。. 采用APT刀具通用几何表征模型，考虑了瞬时铣削参数、刀具几何参数、刀具偏心参数等因素，建立了瞬时铣削力精确预测模型，较之前模型精度提高30%，计算效率提升30倍。利用经典传热理论推导了无限大空间内的面热源温度场，对斜角切削过程中剪切热源、刀/屑摩擦热源及刀/工摩擦热源区域的传热模型建模分析，构建了钛合金正交铣削过程中的温升热源模型。分析了钛合金加工过程刀具的磨损机理和形式，获得其寿命曲线，并研制了磨损状态检测的视觉测量装置。建立了零件已加工表面几何形貌特征和晶粒细化机制预测分析模型，实现了微观组织演化下的已加工表面力学性能（显微硬度和残余应力）表征。. 建立了结构件五轴加工过程综合主轴系统和工件系统的铣削动力学模型，分析了全加工周期内系统铣削稳定性在时间和空间中的变化规律。基于零件残余应力分布实现了变形量最小的刀具轨迹规划策略，在防止颤振和强迫振动共同约束条件下建立了加工参数优化模型，实现了航空结构件五轴高效加工参数的定量计算。. 综合以上核心算法，开发了相应工艺数据的计算模块，建立了机床系统、刀柄系统、刀具系统、切削力系数系统四个子库，完成各子库的概念设计与逻辑设计，集成形成了一套航空结构件高效加工工艺知识库。该知识库既有工艺数据检索查询功能，又有工艺数据实时计算功能，为工艺员制定航空结构件工艺文件，形成高速高效加工工艺提供了精准的数据手册/计算器。项目成果近些年分别在中航西飞公司长桁类、支承类、隔板类零件进行了示范应用，加工效率平均提高在20-30%左右，带来经济效益1000余万元。