近年來，隨著航空制造業的大力發展，大量新機型開展研制工作。在飛機研制過程中，飛機重量是影響飛行性能、操穩、強度等的依據，直接影響飛機的飛行性能和飛行品質，不論是處于飛機研制方案論證、打樣設計、詳細設計，還是生產試制、試飛排故階段，重量控制均處于重要地位。薄壁結構件是目前飛機大型結構件的主要類型，由于其尺寸精度要求高，公差范圍小，對零件的重量控制要求則更高。

　　從生產實踐中發現，通常新機研制過程中通過數控加工的飛機薄壁結構件經常出現重量超大的問題，導致大量零件返工，而且返工基本上不可能重新再用數控機床進行，只能通過鉗工手工打磨保證，對零件的尺寸精度，尤其是外形尺寸精度造成了極大的影響，質量隱患嚴重。由于超重問題原因的不確定性和多樣性，因此往往要反復進行技術復查以找出超重原因，給產品研制及生產交付進度等帶來極大壓力。為此，對飛機薄壁結構件數控加工超重問題進行了系統性分析，找出導致問題的主要因素及有效的控制方法是很有必要的。

　　基于重量特征的航空結構件特點

　　隨著現代設計水平和制造能力的提高，飛機設計已廣泛地采用了整體薄壁結構件，如飛機的大框、大梁等普遍采用整體化結構設計，這對飛機制造產生了深遠的影響，不僅大幅減少了飛機結構件數量和裝配焊接工序，同時也有效減輕了飛機整機重量，提高了零件強度和可靠性，使飛機的制造質量顯著提高。

　　由于零件的輕量化，零件的重量容差也不斷減小，在滿足零件尺寸容差要求的情況下還要滿足重量容差要求，對加工的精度要求更加嚴格，一個稍微大型的零件動輒上百甚至上千個尺寸，即便所有的尺寸都在公差范圍內，但尺寸誤差的積累疊加效應也完全有可能導致零件的重量超差，因此，零件加工出的實際尺寸只有在越接近名義尺寸的情況下才能有效的保證重量在公差范圍內。從零件結構類型看，主要包括框、梁、肋、壁板、接頭等典型類別，雖然各類零件結構形式各不相同，但它們均由一些典型特征構成，這些特征是構成零件的基本單元，特征尺寸是零件整體結構尺寸的基本構成，而從重量的角度來看，這些特征也成為零件重量構成的基本要素，總體上講，對航空薄壁結構件重量影響較大的主要特征可分為腹板、輪廓、轉角、閉角殘留等幾類，如圖1 分別用不同顏色所表示。

圖1 重量特征構成

　　數控加工重量誤差主要原因分析

　　1 重量誤差值構成分析

　　由于制造公差導致零件的實際尺寸與理論尺寸必然存在差異，則零件的實際重量與理論重量間也必然存在一定的差異，其重量誤差如公式（1）所示。R =Ma -Mt ， （1）其中，R 為零件重量誤差；Ma 為零件實際重量；Mt 為零件理論重量。

　　根據本文前述提到的重量的特征構成，如果細化到零件特征上，將零件重量誤差分解到幾類主要特征單元，其各個特征的整個零件的實測重量誤差與重量誤差之和應該是相同的。為了進行驗證并找到一定規律，從生產現場跟蹤并隨機抽取了13 項零件進行實測記錄和各項特征重量誤差換算，結果如表1 所示。表1 中零件實測重量誤差與各項特征重量誤差之間的對比關系結果見圖2 所示。

表1 零件重量誤差匯總記錄表

圖2 零件重量誤差對比圖

　　通過實測零件進行統計分析發現，絕大多數零件的實際重量誤差均為正值，即零件實際重量超過了理論重量，而分析各個特征的重量誤差及其總和發現，各個特征也基本上都為正值誤差且其總和與零件的實測重量誤差比較接近，且二者變化趨勢也基本吻合（如圖2 所示），因此，可以得到下面的關系式：

　　R ≈R l + R f + R b + R z ， （ 2）其中，在上述等式中：R 為零件重量誤差；R l 為輪廓重量誤差，指筋緣條實際厚度與理論厚度差異引起的重量變化；R f 為腹板重量誤差，指腹板實際厚度與理論厚度差異引起的重量變化；R b 為閉角殘留重量誤差，指由于閉角結構導致底角處無法完全加工到位的殘余重量；R z 為轉角重量誤差，指小直徑刀具補加工轉角時側面留余量引起的殘余重量。

　　2 不同特征對零件重量誤差影響因素分析

　　不同特征的重量誤差對于零件重量誤差的影響并不相同，要進一步分析問題，就需要找到最主要的影響因素，根據表1 中數據分析零件重量誤差的構成，計算出各特征重量誤差所占比例，分析結果見表2 所示。

表2 零件重量增值構成比例表

　　按4 類特征重量誤差所占比例分別超過50% 的零件項數進行統計，腹板重量誤差為零件重量誤差主要構成部分的零件為10 項，閉角殘留重量誤差為零件重量誤差主要構成部分的零件為3 項，零件輪廓重量誤差為零件重量誤差主要構成部分的零件為0 項，零件轉角重量誤差為零件重量誤差主要構成部分的零件為0 項，如圖3 所示。

圖3 比例超50%的各特征項零件數量

　　分析腹板重量誤差為主要構成部分的10 項零件，將這10 項零件各特征重量誤差所占比例分別求平均值，其結果如表3 所示。從表中可見，零件腹板重量誤差所占比例為65.19%，是影響零件重量誤差的決定性因素，而輪廓重量誤差也占到20.96% 的比例，成為第二大影響因素。

　　進一步分析該10 項零件結構，結果顯示大部分零件擺角都很小，均無大閉角結構，因此不會形成閉角殘留，因此，閉角殘留重量誤差的真實貢獻率從這10 項零件中還無法得到明確體現。

　　為此，又選擇了表2 中閉角殘留為主要構成部分的3 項零件進行分析，得到的結果如表4 所示。從表中看出，零件閉角殘留重量誤差所占比例為74.58%，是影響零件重量誤差的決定性因素，而腹板和輪廓分別退居第二和第三位。

　　3 重量誤差原因分析總結

　　從上述分析和對比中可知，腹板重量誤差是構成零件重量誤差的一個主要因素，而對于具有較多閉角的零件來說，閉角殘留重量誤差的影響可以超過腹板，成為主要因素，輪廓重量誤差是一個較為次要的因素，而對于轉角重量誤差而言則基本上影響較小。

　　從工藝及生產實踐的角度分析，對于閉角而言，由于其結構的復雜性，可加工性較差，工藝程編要綜合考慮刀具、程編軌跡、切削參數等多方面影響因素，因此，對于閉角的處理不可能做到和設計數模完全一致，一般都會有殘留存在，而設計也允許放寬閉角殘留的尺寸要求。對于腹板而言，一方面由于薄壁結構件的腹板在加工中容易發生彈刀等現象，因此工藝人員在編制程序時可能會比較保守地選擇盡量向尺寸上差保證，另一方面在實際加工中由于熱變形引起的機床主軸伸長現象會迫使操作者現場操作過程中人為偏置余量以保證腹板厚度尺寸不小，也往往使腹板尺寸靠近上差，綜合這些因素來看，對零件重量誤差影響最大的兩個特征的重量誤差一般都是正值誤差，這就不難理解前面實測零件誤差數據基本上都是正值誤差的這種現象了。

　　重量誤差控制方法

　　1 推廣MBD 技術應用，促進設計與制造緊密結合

　　當前，我國航空制造業的數字化技術發展迅猛，三維數字化設計技術和數字化樣機技術得到了深入發展應用。同時，隨著計算機和數控加工技術的發展，傳統以模擬量傳遞的實物標工協調法被以數字量傳遞為基礎的數字化協調法代替，縮短了飛機研制周期，提高了產品質量。

　　然而，由于設計和制造的集成度不夠，在重量控制方面，設計人員往往僅考慮零件的純理論數據模型尺寸，得到的重量計算結果也是純理論數據模型的重量，而實際在制造過程中使用的工藝數據模型和理論數據模型之間有一定差異。如圖4 所示一帶有閉角的零件，左側圖示為設計給出的某飛機結構件理論數模，圖中箭頭所示處為大閉角輪廓面，但模型終并沒有將允許的閉角殘留在模型中做出。右側的是零件實際加工出來之后的狀態，二者在閉角殘留上存在明顯的差異，理論數模沒有把閉角殘留考慮在內，使得用這個數模計算得到的零件重量肯定會比實際重量輕。類似問題還很多，如為滿足裝配要求而在制造零件時留余量、改變某些尺寸容差等。

圖4 理論數模與實際數模之間的差異

　　為解決這一矛盾，要大力推廣MBD 技術，加強設計與制造的結合程度。MBD(Model Based Definition)技術，即基于模型的工程定義，是波音公司率先推行的新一代產品定義方法。它用一個集成的三維實體模型可完整地表達產品定義信息，即將制造信息和設計信息( 三維尺寸標注及各種制造信息和產品結構信息) 共同定義到產品的三維數字化模型中，從而取消二維工程圖，保證設計數據的唯一性并最大可能的將產品制造狀態、加工工藝要求等因素反映到設計數模中，使工藝數模和設計數模相統一，只有這樣，才能夠在設計階段真實反映出零件最后的狀態，從而準確掌握零件的真實重量。

　　2 加強數控加工工藝方法控制

　　如前文所述，從設計源頭的改進能有效避免一些因理論模型與實際加工差異引起的飛機結構件超重現象，如閉角殘留的問題，而對于設計的下一環節，數控加工工藝方法對零件重量控制的影響同樣重要。

　　結合前文所述的原因總結，通過分析我們發現在數控編程過程中，工藝人員的一些看似沒有問題的編程習慣對飛機重量控制有著很大的影響。比如，編程時習慣性在輪廓兩側分別留0.05mm 余量，或者在腹板加工編程時習慣性留0.10mm 余量，造成所有輪廓( 筋條及緣條) 及腹板厚度尺寸均要比理論增大0.10mm，另外，機床加工操作者在實際加工時也會習慣性的進行一些人為偏置，導致零件加工后尺寸基本都處于中上差。舉例說明，表5 為某機型典型的鋁合金薄壁結構件，其輪廓及腹板厚度公差為±0.20mm，按目前工藝人員編程習慣及操作者的加工習慣，設定輪廓厚度增加0.10mm，腹板厚度增加0.10mm，通過計算可以得出各特征及總重量的增加值。從表中結果可以看出，當腹板及輪廓厚度增加0.10mm 時( 尺寸不超出公差要求)，該3 項零件重量均超差, 且對于尺寸越大的大框類零件，其重量超差越嚴重。

表5 典型結構件重量超差分析結果表

　　隨著新型飛機的研制及飛機結構件整體化設計的不斷發展，飛機結構件的尺寸也在不斷向整體化、大型化發展。結合成飛公司某型飛機的研制生產，在飛機薄壁結構件數控加工環節進行了工藝方法優化改進，以解決頻繁出現的超重現象。

　　（1） 改進裝夾定位方式，提高加工精度。

　　飛機薄壁結構件加工過程材料去除率非常高( 通常超過90%)，為典型的弱剛性、復雜結構零件。這些特點使其數控加工較為困難，如表5 中的幾類零件，一方面因為薄壁結構在加工過程中容易產生變形及顫振，尺寸精度及表面質量難以保證，另一方面由于飛機結構件的結構特點，導致其裝夾定位難度較大。

　　從壓緊調整、結構調整、定位調整幾個方面考慮，目前航空制造業普遍采用的裝夾方式有機械、液壓可調夾具、真空吸附裝夾等幾種。

　　基于成飛公司傳統的數控加工裝夾方式，在某型飛機的研制生產中引入了下列改進方式。一方面在傳統的定位面上增加支撐塊，在雙面類零件精加工完第一面后，將支撐塊固定在工裝特定位置，加強第二面的加工剛性，保證加工的穩定性，從而達到精確保證腹板尺寸的目的。另一方面，引入真空吸附工裝，使零件處于比較穩定的加工狀態。

　　（2）提高編程規范性，保證源頭數據正確。

　　針對前文分析結果，重點對飛機薄壁結構件腹板、輪廓的編程方法及細節進行了梳理及規范。對于輪廓的編程，除了部分輪廓由于特定原因（如特殊要求留余量或是剛性較差）之外，統一要求按名義尺寸進行編制。對于腹板的編程，若是單面類零件( 以腹板為分界面，只在單側有槽腔)，統一要求編程時按名義尺寸進行編制；若是雙面類零件，第一面編程時要求同單面類一樣，而在第二面進行編程時考慮機床熱特性造成的主軸伸長量，統一要求在腹板處留0.05mm 余量。

　　另一方面，根據飛機薄壁結構件特點，結合成飛公司多年的數控加工經驗編制典型零件在典型機床上的加工工藝規范，通過這一系列措施，將優秀的加工工藝方法進行繼承，統一了工藝人員的編程習慣，穩定了零件加工狀態，從源頭數據上有效避免了零件超重現象的頻繁產生。

　　（3） 研究機床熱特性，降低對加工尺寸的影響。

　　熱特性是指在切削加工中，由于機床各部件溫升引起的熱變形的特性。這種熱變形使機床上刀具與工件之間原來相對正確的位置產生了變化，從而造成了加工誤差。生產實踐統計發現，數控機床主軸是產生熱量最大的部位，機床主軸長度從冷卻狀態運行到熱穩定狀態的過程中，可能會產生約0.03mm~0.12mm 之間的誤差。而在加工過程中，受熱變形影響最大的是加工與主軸方向垂直的一些零件結構，如零件的腹板、筋高等，由于航空結構件的壁薄、公差較小，如果不考慮熱變形的影響，則會嚴重影響尺寸加工精度，難以精確控制腹板厚度尺寸。因此，一方面對于現有的數控設備，通過主軸預先空運行進行預熱的方式，使主軸伸長量處于穩定狀態，再進行程序加工，能有效避免主軸變形對零件尺寸的影響。另一方面，較為先進的辦法是首先通過測量熱誤差量，利用數控系統的機床坐標系偏置功能，將熱誤差的補償量作為外部機床坐標系的偏置量實時輸入數控機床，從而實現熱誤差的實時補償，在數控加工廠新購進的一些設備（如斯達拉格機床）上也具有這種功能。

　　3 重量誤差控制方法實施效果

　　通過前述內容的研究，得出了飛機薄壁結構件數控加工重量誤差產生的主要原因，并結合成飛公司某型機的生產研究，開展了相應的控制辦法。以某型機為例，在研制初期數控加工超重的零件比例約占50%，通過本文對超重現象的分析解決，后續加工中超重比例下降至23%，起到了良好的控制效果。

　　結束語

　　航空薄壁結構件的重量影響因素較多，從特征出發找出主要誤差影響因素并加以改進，有效地控制了零件重量超差問題，取得了良好效果。然而，航空薄壁結構件數控加工在重量控制的理論研究還相對薄弱，因此，還需通過更多的研究及實踐來找到更多的控制方法。