可转位刀具系列产品（二月十六日拍摄）。
2月16日，技术人员正在检查试刀情况。
正在运行的压力烧结炉（2月16日拍摄）。
2月16日，技术人员在检测高精度可转位复杂叶根铣刀。
本报记者 张江舟文/图
飞机制造过程中需要大量的机械加工，要想把重达数吨的材料“抠”到只剩重量的5%左右且符合图纸精度，就需要借助高端数控机床和高性能刀具。而一把优秀的硬质合金刀具就如同坚硬的工业牙齿，咬铜嚼铁、无坚不摧。
零件外廓尺寸大、装夹困难效率低、零件结构复杂、加工精度要求高、零件变形不可控……面对航空结构件高精尖生产制造中的种种难题，西北工业大学、航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司（以下简称“西飞”）和陕西航空硬质合金工具有限责任公司（以下简称“陕硬公司”）经过10余年合力科研攻关，给出了陕西的解决方案——“大型复杂薄壁结构的多柔性匹配切削制造技术及应用”（以下简称“多柔性匹配切削技术”）。
应用多柔性匹配切削技术后，零件制造周期有效缩短40%，单件周期平均缩短5天，工装制造成本降低90%以上，加工效率提高56倍，制造精度成倍提高，零件合格率高达100%。
这项技术在2020年度国家科学技术奖励大会上荣获国家技术发明奖二等奖。
■ 飞机零件制造精度成倍提高
“这个项目以大型复杂薄壁结构切削制造为对象，全面研究切削力、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，解决了航空航天大型整体框架结构件、薄壁零件等弱刚性加工难题，实现了新一代大型复杂薄壁结构制造技术的跨越式发展，将显著提升我国在大飞机加工生产领域的稳定批量生产能力。”2月16日，陕硬公司董事长赵奎介绍说。
进入21世纪，中国航空工业设计及制造水平突飞猛进，飞机性能不断提高。随着大型整体框架结构件、薄壁零件、异形零件等运用越来越广泛，加工过程中零件易变形、精度不易保证、表面质量差等加工难题，成为我国飞机制造业前进路上的“拦路虎”。而多柔性匹配切削技术的研发成功，使大型复杂薄壁结构件加工变形得到有效控制，加工精度、质量及效率大幅提升。
大飞机长桁零件属于细长柔性、薄壁弱刚性零件，在加工过程中易发生颤振，在国内制造成本高昂，装夹非常耗时费力。以往，国内大飞机的机翼长桁零件采用靠模铣来加工。但靠模铣是20世纪50年代的加工工艺，加工出的零件表面质量非常不好，打磨量很大。而过多打磨又会严重影响零件的疲劳强度。
为了高质量、高效率、低成本地完成大飞机机翼长桁零件的数控加工，由西飞数控加工厂技术带头人郑小伟带领的科研团队，利用零件自身结构特点，简化工装夹具，在国内外数控领域首次提出并实现了预应力可调多面燕尾槽装夹方法，实现了长桁零件的专业化数控加工。
此外，多柔性匹配切削技术提出的切削参数优化方法，还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问题；首次提出开设环形应力释放槽，被广泛应用于大型壁板、框、梁等零件加工中，形成一整套大型复杂薄壁结构零件的数控编程技术标准。应用此技术，制造精度成倍提高，零件合格率达100%，有力提升了我国大型飞机的研制水平，极大提高了我国大飞机生产的年产量。
目前，这些科技成果被广泛应用于C919、AG600、“新舟”700等飞机零件的数控加工。
■ 好比在纸上动刀 保证纸不破
大型飞机外翼的最大壁板将近20米长、2米多宽，而腹板最薄之处不到2毫米。要在这样又大又薄、刚性极差的壁板上进行数控加工，同时保证不颤振，这就好比在纸上动刀，还要保证纸不破。
秉承“摸清切削颤振形成机理，弄清加工参数使用原理，才能把质量路线打通”的理念，西飞项目研发技术团队通过大量实验，采集、分析海量数据，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。此举彻底解决了大型复杂薄壁零件五轴铣削的颤振问题。
采用抑振增效新技术后，飞机的壁板、长桁、框、梁、肋、蒙皮、接头、滑轨8类零件的切削颤振都得到有效抑制，生产效率极大提高。
除了又快又稳之外，多柔性匹配切削技术还能大幅降低劳动强度。以往在大型飞机结构件加工过程中，工人的劳动强度主要体现在专用铣切夹具更换、零件加工位置精调等。原始的专用夹具，在面对不同截面长桁时都必须更换一次夹具，当加工较长的长桁时，甚至需要用到70个以上的螺栓压板。
而多柔性匹配切削技术通过通用性夹具，能大幅减少夹具更换次数；通过柔性液压可调夹具，工人很容易快速找正位置进行加工；通过发明嵌入式夹具，减少了加工过程中工人频繁更换螺栓压紧位置的大量劳动。
此外，在大型复杂薄壁零件的数控加工过程中，控制零件变形也是一道难题。
对大飞机整体壁板进行加工，极易产生不可控变形。西飞项目研发技术团队以应力测量数据为依据，综合数值模拟、理论分析和试验验证，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。经过研究，项目研发技术团队针对性地提出了开设环形应力槽，有效地让应力得到提前释放，大幅减少了零件变形情况的发生。研发团队还通过优化工艺路径和装夹方案，实现了大型复杂薄壁零件的精确稳定性生产，保证了零件的高精度、长寿命等性能要求。
■ 好设计还需好材料
刀具好不好，材料是关键。
加工薄壁件刀具的刃口不仅要能实现“吹发即断”，还得经久耐用，不可“刚者易折”。传统硬质合金的硬度虽高，但强度、韧性比起钢铁却低了不少，这样的硬质合金刀具在使用过程中非常容易出现破损。
“为了给后续刀具研究开发奠定坚实基础，我们必须破解刀具材料难题。对标世界顶级材料牌号，打造硬度高、强度高、韧性高的‘三高’陕硬合金牌号，是我们公司在科技研发中的第一个目标。”陕硬公司研发部部长陈振琪说。
数百次试制，无数次工艺参数调整……经过多年探索，在西北工业大学科研团队的大力支持下，陕硬公司项目组确定了微量元素的添加种类和含量，优化了2000摄氏度下的碳化时间，通过在酒精中三天三夜不间断粉碎，终于在高温高压烧结炉中炼制出“三高”硬质合金。
为了提高刀具寿命，陕硬公司项目组在刀具磨削工艺、刃口抛光钝化工艺、刀具表面涂层等细节上精雕细琢，并先后开展了多模态耦合下的铣削稳定域预测方法研究，建立了综合考虑侧刃剪切、犁切及底刃犁切三元效应的高精度切削力模型；开展薄壁件铣削颤振抑制方法研究，发现抑振增效的刀具齿间角优化设计方法；开展基于最小切削力峰值的铣刀螺旋角设计方法等理论研究，揭示了刀具螺旋角与刀具直径、齿数、切削深度之间的关系，开发了切削力最小化刀具设计技术。
如今，以变芯径变螺旋角铣刀、不等分齿双螺旋角铣刀、不等分齿多螺旋角铣刀、大螺旋角铣刀、不等分锥度球头铣刀、不对称双端齿加厚刀片的焊接螺旋铣刀等为代表的陕硬公司抑振高效刀具，被源源不断地提供给国内各大主机厂批量应用。新颖的刀具设计结构匹配高性能基体材料为中国航空建设解决了加工难题，产品获得发明专利1项、实用新型专利5项。
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