---上海航天精密机械研究所  郭国强，沈毅

现役型号数控加工零部件主要分为大型整体弱刚性结构件和精密复杂薄壁结构件两大类型，这些结构件的数控加工生产具有一些典型特点：多属于定制生产，零件品种多，单件试制与批量生产并存;材料多样，包含镁合金、铝合金、铜合金等有色金属材料，结构钢、不锈钢等传统黑色金属，还包括高强度钢/超高强度钢、钛合金、高温合金等多类难加工材料，石墨、树脂、玻璃钢和碳纤维等多类非金属材料与复合材料;结构复杂，非完整圆弧、凸台、口框、阶梯孔、细长深孔等多类结构，且存在交叉干涉结构;加工尺寸范围大，涵盖0.9～4000 mm，且多呈薄壁弱刚性特征，加工易变形但加工精度要求又较高;型号任务的快速增长，提出了高效率、高质量的加工需求与加工质量快速追溯的发展需求。

典型细长轴类零件加工装卡方式优化：压应力装卡（左）、拉应力装卡

大型整体弱刚性结构件特征分析

箭体结构件作为典型的大型薄壁弱刚性结构件，主要品种包括贮箱壁板、级间段、瓜瓣等。贮箱是一种大尺寸、薄壁铝合金结构，作为主承力结构，是箭体结构中最大的结构部件和影响运载火箭安全性和可靠性的关键部件，占火箭总质量的60%、全箭长度的2/3。

大型整体弱刚性结构件包括环状类结构件、框架类结构件、球形类结构件，直径跨度较大，涵盖ø 1000～ø 3500 mm的多种规格，最小壁厚仅1.5 mm。数控加工需实现大面积的材料去除，材料去除率高达70%以上，加工过程中对加工尺寸精度、变形控制、形位精度均有较高要求。

精密复杂薄壁结构件特征分析

精密复杂薄壁结构件种类较多，其结构可划分为薄壁回转体类、薄型多面体类、带筋复杂曲面类、细长轴类和复杂孔系类等。

1.薄壁回转体类零件

该类零件在航天领域中广为应用，典型零件包括舱体、壳体、端框等，种类高达四十余种。薄壁回转体类零件采用薄壁结构以减轻重量，零件内腔包含柱面体、锥面体、月牙形斜孔、扇形口框等多种结构，外壁周向分布多个孔系、键槽等，结构复杂。此类结构件包含焊接结构、铸造结构、锻造结构毛坯，均需通过五轴铣削和精密车削加工工艺完成数控加工，最薄壁厚仅为1.5 mm，零件刚性极差。

2.薄型多面体类零件

该类零件为多面体交叉结构，代表性零件包括翼面、舵面、罩板等，这类结构件以多斜面为主，结构复杂，刃口部位局部最薄壁厚不足0.5 mm，零件材料去除率达70%以上。薄型多面体类零件有较高的空气动力学要求，因此结构设计复杂，表面加工质量要求较高。

3.带筋复杂曲面类零件

该类零件基体为整体框架结构，基体侧缘为复杂型面组成的刃口结构，部分零件表层采用蒙皮结构，壁厚仅为1 mm。零件材料去除率高，可装卡定位面少，部分零件基体中包含多组高精度台阶孔，长径比可达30以上，且为难加工材料，这极大地增加了零件加工工艺的复杂程度。

4.细长轴类零件

该类零件材料包含超纯净马氏体时效钢、钛合金、不锈钢等多类材料，其中马氏体钢材料的硬度HRC>50，具有高强度、耐腐蚀、衰减性能好等特点。细长轴类零件最小直径仅5.2 mm，长径比达到70以上，加工表面不允许出现波纹、竹节等瑕疵。

5.复杂孔系类零件

复杂孔系类零件包含深孔类零件和多孔交叉类零件，零件内部存在多孔结构，孔的类型包括深孔、平底孔、细长孔、交叉孔，孔径范围大，涵盖ø 4～ø 20 mm，还存在多孔径的台阶孔。零件毛坯多为铝合金、钛合金锻件，加工过程中对孔道交叉处毛刺和孔道直线度要求严格。

对高效加工刀具的需求

大型整体弱刚性结构件和精密复杂薄壁结构件，是各类航天产品中的关键零部件，其性能直接关系到航天产品的正常发射和飞行控制，对零件加工质量的要求很高，因此对高效加工装备、数控刀具和加工工艺等工艺系统提出了很高的需求，更需要从工艺系统的角度出发对数控装备、刀具、装卡、加工工艺、零件和冷却方式进行综合考虑。而刀具在整个工艺系统中的角色是十分重要的，特别是在高速加工过程中，对刀具的结构设计、刀具基体材料、刀具涂层与工件材料适配性、加工工艺参数优化与加工方式优化、刀具装卡与动平衡均提出了较高的要求。

高速高效精密加工已经成为航天复杂结构件加工的基本要求，在这之中刀具的良好应用发挥了重要的作用。复杂的零件结构形式与多样化工件材料，对刀具的选用提出了较高的要求，针对不同的零件结构和材料，能够快速优选刀具，包括刀具结构、刀具基体材料与刀具涂层;结构件生产的快速流转模式，对加工刀具的选购也提出了快速准备与迅速更替的要求;为应对快速增长的型号要求，高效加工对加工方式的优化选择和加工工艺参数优化提出了急切的需求;刀具的耐用度与刀具结构、刀具材料与涂层和加工工艺参数均有密切的关系，在不断提高材料去除效率的同时，也要不断提升刀具的耐用度，而且也要合理化地控制刀具成本，从而实现降本增效的目的;刀具数字化管理、刀具数据库分享等，是“十三五”期间八院数控加工发展规划中确立数字化、智能化制造必不可少的元素。结合自动化制造单元、结构件数字化生产线和数字化车间建设，在面向数字化、智能化制造关键核心技术问题时，刀具数字化管理与高效加工专家数据库是必不可少的一环。

作为制造型企业，在刀具管理与数据库开发过程中，必须注意的一个问题就是，刀具数据库必须能够适应多类刀具供应商、多品种刀具类型的结构形式，同时打通从CAM、CAPP到刀具管理、刀具应用的系列化流程，从而真正实现工艺设计信息、刀具结构信息到机床应用的信息物理融合，这也是今后较长阶段需要重点开展的研究内容。