“纸上动刀，保证纸不破”，复杂薄壁加工技术获国家技术发明奖！

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编者按

11月3日，2020年度国家科学技术奖励大会隆重召开。其中，一个名为“大型复杂薄壁结构的多柔性匹配切削制造技术及应用”的项目获得了国家技术发明二等奖。据悉，该项目的数控加工难度堪比“纸上动刀，保证纸不破”。复杂薄壁加工究竟难在哪？今天我们就通过这项获奖技术来了解一下。

航空高精尖制造的“左膀右臂”

“大型复杂薄壁结构的多柔性匹配切削制造技术及应用”项目由西北工业大学牵头，与中航西安飞机工业集团股份有限公司（以下简称“中航西飞”）和陕西航空硬质合金工具有限责任公司（以下简称“陕硬”）共同完成。通过深入研究大型复杂薄壁结构切削过程中的切削力、加工变形和切削颤振形成机理，突破了多柔性匹配高质高效切削技术瓶颈。

中航西飞团队调研

这项技术的成功研发，使制造精度成倍提高，零件合格率高达100%，极大提高了我国大飞机生产的年产量。参与该项目的科研团队可以说是成为了我国新一代航空高精尖制造的“左膀右臂”。

加工难点

航空航天大型整体框架结构件、薄壁零件、异形零件等弱刚性构件面临着加工易变形、精度难保证、表面质量差等加工难题。“大型复杂薄壁结构的多柔性匹配切削制造技术及应用”项目研究成果通过几项重点技术的创新改进，为这些难题提供了合适的解决方法。

1.材料薄如纸，加工质量难以保证

大型飞机的外翼，最大壁板将近20米长，宽大多在2米以上，而腹板最薄之处不到2毫米。由于这样的壁板刚性很差，数控加工时施加稍大切削力或过程中产生共振都容易引起颤振，严重影响表面质量。

为了“摸清切削颤振形成机理，弄清加工参数使用原理”，科研团队进行大量实验和数据分析，提出了考虑工件刚性及机床特性时变的切削参数优化方法，解决了五轴加工中大型复杂薄壁结构三万转高速铣削颤振与效率低下问题。

加工表面对比

抑制切削颤振之后，各类零件的加工质量均显著提高，零件合格率高达100%。

2.传统夹具不适用

对于两面都需要加工的零件，用传统工装板固定必须多次装夹，导致位置精度误差累积，且耗时费力、薄壁易变形。尤其是大飞机长桁零件，截面种类繁多，大多仅为单件，不同截面的长桁需要申请不同的工装，成本极高。

针对这个问题，中航西飞数控加工厂技术带头人郑小伟带领青年骨干研发预应力可调多面燕尾槽装夹方法，这也是该方法在全球首次提出与实现。该技术可加工多种截面的直长桁、折弯长桁、非展开的长桁及缘条类零件，已成功申请机翼长桁夹具数控加工嵌入式零件压紧方法和压紧装置的专利。

燕尾槽装夹

使用该技术，工装制造成本降低了90%以上，加工效率提高了56倍，大大降低了工人的劳动强度。

3.刀具选择

数控加工大型复杂薄壁结构对刀具材料要求很高。刀具不仅需要具备基本的性能，还要有良好的耐热性、抗热冲击性以及可靠性等。

在该项目中，陕硬公司利用西北工业大学的理论成果，开展先进刀具制造工艺研究。开发出的高性能、可抑振、结构创新的先进刀具适用于大型整体框架结构件、薄壁零件、异形零件等弱刚性构件的加工。

目前陕硬公司研发的先进刀具已经实现了产业化，并推广到航空航天、轨道交通、重型机械等多个领域，改变了国内制造企业严重依赖进口刀具的局面。

4.内应力与残余应力导致零件变形

大型复杂薄壁零件的数控加工易产生不可控变形。科研团队在全面研究毛坯内应力和切削残余应力释放以及再分布对加工变形的影响之后，首次提出开设环形应力释放槽，有效地让应力得到提前释放，极大减少了零件的变形。

大壁板应力槽的应用

就此形成了一项行业标准规范，对数控零件检测有了通用性的要求。以及五项企业标准规范，涉及机加肋、壁板、机翼对接缘条、机翼梁、框等多类零件。这些标准的建立，直接推动了国内航空制造在大型结构件加工领域的变形控制研究及技术发展。

创新永无止境

“大型复杂薄壁结构的多柔性匹配切削制造技术及应用”项目的研究成果已经应用于C919、AG600飞机，以及“新舟”700、波音737-700、737MAX等飞机零件的数控加工。但科技创新之路永远没有尽头，长长的获奖名单就是我国科研人员坚持挑战自我、不断克服技术难关的最好证明。让我们共同期待未来更多的优秀成果吧。

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