结构件是飞机零件中最大的一种零件。这类零件主要用铝合金制造。基于制造工艺和零件重量考虑，以前主要采用铝板经铆而成(至今仍有部分零件采用此种方法制造)。现在采了全然不同的设计技术，需要将多种不同功能集成到一个结构件上。这就是集成设计技术。这种零件是用一块实体铝坯经铣削加工而成。这类零件很复杂，通常包含极小的底面和薄壁(0.6~2mm)，呈蜂巢状。这类零件的几何形状由不同的表面及规定的曲面构成。接近飞机外部轮廓的表面也是必须是自由曲面。 图1 整体结构的Pilatus PC 9飞机主梁(图片提供：StarragHeckert公司) 例如，Pilatus PC 9飞机的主梁，在以前的设计中是由156个不同零件构成的。这样，就需要各种折弯设备和装配夹具。在Pilatus PC 12飞机上，这类部件采用了集成设计技术。 零件的数量减少到3个，而且是采用简单的螺栓连接(图1)。 在25年前，这家飞机公司在开发飞机时，由于没有复杂的软件工具，NC技术还处于初期阶段，只能用繁琐的编程语言，如APT、Fortran等等定义复杂的几何形状；NC机床还是采用21/rD控制，从而严重聘用制了复杂形面和几何形状的生成。 由于某种原因上述原因，为控制铝件的重量，用铝板构成机架，即将20余种不同形状的板材成型件组装和连接在一起构成一个大的结构件。零件成型过程极为复杂。工件材料要经过12次机械加工和4次热处理，由于几何形状的不一致、拉伸/断裂等，致使废品率极高。这种机架的装配需要6道工序，而且必须考虑到材料的拉伸问题。 如今，编程系统和CNC机床已经能使我们铣削加工出以前无法生成的形状。以前，采用传统技术，需要20多个板材成型件才能构成的部件，现在只用2个零件。几何形状极为复杂，必须完全满足零件的所有要求。用一块实体铝坯铣制一个零件，其中98%的材料都变成了废屑。 三步完成产品加工 NC编程过程需要的专业知识要求最高，要求集成各种不同生产工艺：CAD/CAM、切削刀具、夹具设计和铣削技术。现在只需三道貌岸然工序就可以制造出这样一个机架部件：1)获取经过预切削并带有夹持用孔的原材料，2)铣削零件，3)手动钻出铆钉孔(利用夹具)。 零件毛刺在加工过程中完成。首件检验合格后，铣削加工过程自动进行，无需操作员干预。这样就大大简化了尺寸和裂纹的检测，与以前的制造方法相比，降低了生产成本。集成结构还对零件装配具有重大影响。整个模块(部件)可以直接装配。所制造的零件公差极为严格，具有很好的互换性。装配精度得到保证，且过程稳定，大幅度缩短了所需的装配时间。 图2 特别适合于五轴联动加工的StarragHeckert公司的STC 1000/130机床，功率为70kW时，主轴转速为24,000r/min 适用于高速铣削的机床与刀具 坯料是用水刀将厚127mm或76mm的铝板切切割到近似形状。坯料尺寸为840×665mm，重90kg或60kg。 夹具包括角度板和标准孔系及加工工件第二面的真空接合适配板。机床采用特别适用于五轴联动加工的斯达拉格海科特STC 1000/130型机床：主轴功率为70kW，在100%负载运行时最高转速达24000r/min (图2)；主轴锥孔：HSK63A；机床X/Y/Z轴行程为：1700mm/1600mm1950mm；主轴可倾范围：-60/+100°；工作台是B轴。该机床采用钢板焊接结构，具有较高的刚度。 整个加工过程需要7把切削刀具和4把钻头。刀具为整体刀体，最大直径为32mm，形状配合的刀片能防止其在以高达24000r/min的转速切削时离心力可能造成的损坏。全部刀具直径都在25mm以上，中空冷却，油雾润滑。起先直径小于25mm的刀具为整体硬质合金刀，采用收缩式刀柄。刀具长度为90和220mm.。 全部切削刀具连同刀柄都经过平衡，在24000r/min转时平衡质量为Q2.5。为保证加工过程的安全，精确定义了每把刀具的切削参数，即采用专用软件，对刀具组件进行了知识临界速度(自振)检测。零件经二次装夹完成全部加工(包括铆接孔)。为防止薄壁件在加工中的应力变形和保证严格控制的公差，面铣和周边铣削采用了高速铣削加工工艺。在总的铣削加工时间内，约60%的时间需要五轴联动加工，粗加工占总加工时间的40%，手动加工主要是去毛刺和钻部分铆钉孔。 图3 二次装夹时，利用一专用工件适配夹具夹持零件已加工面上的工艺搭子 结果超过预期 首先将工件用螺栓固定在夹具上，用雷尼绍测头识别零件。第一道貌岸然工序是用直径63mm 的刀头，沿Z面运动，将工件粗铣至接近最终形状。粗铣时的进给速度可达17m/min ，金属切除率达6500mm3/min。 第二道工序是用25mm整体硬质合金立铣刀粗铣出零件外形。由于这一轮廓面是曲面，要采用五轴联动加工才能获得一致的精加工允差。随后用直径16mm 整体硬质合金立铣刀，以9m/min的进给出量对此外形进行精加工(五轴联动)。零件的二次装夹加工也采用同一夹具。 二次装夹时，利用专用工件适配夹具夹持零件已加工面上的工艺搭子(图3)。其第一道工序仍是用63mm 的铣刀，沿Z面粗铣出零件轮廓，以下工序亦与上述第一次装夹的加工方法相同。随后的精加工极为关键。此时，零件已经变得极薄，在振动下极易损坏。为防止损坏零件，精加工时要先加工零件轮廓，再加工凹槽。最后一道工序还包括使用一把直径10mm 立铣刀将零件与工艺搭子分离。 就零件加工情况来看，对于这种新型飞机，各项结果均远远超出预期要求。所加工出的零件精度完全位于要求的严格公差范围内，具有完全的互换性。整个生产周期缩短了75%并减少了生产人员。由于采连续加工链，可以实现快速变换并简化了物流链。