飛機(jī)大部分零件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輪廓尺寸大、協(xié)調(diào)位置多、加工精度要求高等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對(duì)數(shù)控機(jī)床的選擇與使用提出了很高要求。近年來隨著我國(guó)航空工業(yè)的大力發(fā)展，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床取得了很大成就。國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不僅在制造質(zhì)量、外觀造型和產(chǎn)品可靠性等方面得到了很大，而且成功研發(fā)了國(guó)外對(duì)中國(guó)實(shí)行禁運(yùn)的五軸聯(lián)動(dòng)高檔數(shù)控龍門鏜銑床、五軸聯(lián)動(dòng)高檔數(shù)控車削，極大的促進(jìn)了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在航空制造業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展。

國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀

 

從2012年起，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的種類每年以100種左右的速度在增長(zhǎng)，僅整個(gè)金屬切削機(jī)床就占去了數(shù)控機(jī)床品種的絕大部分。在2013年上半年，國(guó)產(chǎn)數(shù)控金屬切削機(jī)床的產(chǎn)量達(dá)了36萬臺(tái)，預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)金屬切削機(jī)床工業(yè)總產(chǎn)值將超過30,000億元，成為全球大金屬切削機(jī)床生產(chǎn)基地。和水平相比，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展具有如下特點(diǎn)：

1，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在產(chǎn)品數(shù)量、技術(shù)水平、管理服務(wù)等方面已取得巨大成就，與先進(jìn)水平差距逐漸縮小。近些年國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不但在品種數(shù)量上有了很大進(jìn)展，而且產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量也有了很大提高。其中五軸聯(lián)動(dòng)高檔數(shù)控龍門鏜銑床、五軸聯(lián)動(dòng)高檔數(shù)控車削，是航空、造船、電力等行業(yè)急需的關(guān)鍵設(shè)備，多年來國(guó)外對(duì)中國(guó)實(shí)行禁運(yùn)，但是近幾年我國(guó)已經(jīng)研發(fā)成功。

 

同時(shí)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在外觀造型、制造質(zhì)量、產(chǎn)品可靠性和服務(wù)等方面進(jìn)行了諸多改進(jìn)，目前產(chǎn)品種類可與日、美、德、意等國(guó)并駕齊驅(qū)。

 

在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、數(shù)控超重型機(jī)床、立式臥式加工、數(shù)控車床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床等領(lǐng)域，部分技術(shù)已經(jīng)達(dá)到先進(jìn)水平。目前我國(guó)開發(fā)和制造了的28米數(shù)控立式銑車床，5米、500噸數(shù)控臥式鏜車床，10.5米數(shù)控橋式龍門復(fù)合機(jī)床等，改變了少數(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的壟斷局面，加速了我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，特別對(duì)我國(guó)航空制造業(yè)的發(fā)展起到了巨大推動(dòng)作用。

 

2，與先進(jìn)水平相比，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在其核心技術(shù)、關(guān)鍵配件、刀具水平等方面還存在一定差距。統(tǒng)計(jì)表明，組成數(shù)控系統(tǒng)的顯示器、伺服電機(jī)、傳感器等關(guān)鍵部件，絕大部分仍需要從國(guó)外進(jìn)口。國(guó)內(nèi)能制作的中高端數(shù)控機(jī)床，更多是處于組裝和制造環(huán)節(jié)，普遍未掌握核心技術(shù)，關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵技術(shù)也主要依賴進(jìn)口。特別是數(shù)控刀具滯后現(xiàn)象表現(xiàn)更為突出。國(guó)產(chǎn)數(shù)控刀具在壽、可靠性等方面水平較低，在品種、性能和質(zhì)量上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶需求。由于國(guó)產(chǎn)刀具品種少、壽低，嚴(yán)重影響國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性、可靠性和高效性。如五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，國(guó)外產(chǎn)品可連續(xù)無故障工作1500小時(shí)，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品多連續(xù)無故障工作1000小時(shí)，而且使用性能和進(jìn)口產(chǎn)品相比還有一定差距[3]。因此為了形成真正的數(shù)控產(chǎn)業(yè)，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床急需樹立民族品牌，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化與市場(chǎng)的快速銜接，以及引進(jìn)先進(jìn)的管理機(jī)制等。

 

3. 國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在航空制造業(yè)中的應(yīng)用

 

隨著現(xiàn)代航空制造業(yè)的高速發(fā)展，飛機(jī)零件設(shè)計(jì)向著整體化、復(fù)雜化方向發(fā)展，如何高質(zhì)量、高效率、低成本的完成大型零件的設(shè)計(jì)加工已成為該行業(yè)必須攻克的難題。近年來隨著國(guó)內(nèi)各類軍民機(jī)的研制，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在航空制造業(yè)中，已初步形成了以飛機(jī)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造為代表的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是在飛機(jī)典型零件的加工制造中，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢(shì)就表現(xiàn)的更為顯著。

 

3.1. 典型飛機(jī)零件特征分析

 

典型飛機(jī)零件的數(shù)控加工主要分為飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件加工和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件加工。運(yùn)8飛機(jī)整體外形示意圖如圖1所示。

 

1) 飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件主要由梁、框、蒙皮、接頭、壁板、滑軌、肋板、筋等組成，這些結(jié)構(gòu)將機(jī)翼、尾翼、起落架及發(fā)動(dòng)機(jī)連接在一起，形成了一架完整的飛機(jī)，飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)如下：① 梁類零件多為扁平、細(xì)長(zhǎng)件，抗彎、抗扭剛度大，輪廓尺寸也較大，有的梁類零件的長(zhǎng)度已達(dá)到13 m，毛柸由板材和鋁合金擠壓而成；② 框類零件根據(jù)用途的不同分為加強(qiáng)框、隔框、對(duì)接框、腹板框等。加強(qiáng)框框距較大，如某殲擊機(jī)加強(qiáng)框框距為300 mm左右，大型運(yùn)輸機(jī)框距為300~500 mm左右，框的總重量占機(jī)身結(jié)構(gòu)重量的27%~29%；隔框的構(gòu)造形式分為環(huán)形鋼框、腹板框、構(gòu)架式框，隔框由模鍛毛胚或后板加工而成，需要通過加強(qiáng)型材提高腹板的剪切穩(wěn)定性；③ 機(jī)身蒙皮構(gòu)成機(jī)身氣動(dòng)外形，要求表面光滑，蒙皮材料一般采用鋁合金，如LY2，2024-T4，對(duì)于Ma > 3的飛機(jī)，

受熱影響大的區(qū)域采用鈦合金或不銹鋼，蒙皮的厚度要根據(jù)載荷、性、經(jīng)濟(jì)性的要求綜合考慮。④ 接頭、滑軌等零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性大，多采用整體毛坯件；表面光滑、強(qiáng)度大，加工后出現(xiàn)毛刺等缺陷不允許人工去除；⑤ 筋、肋板等零件變斜角角度變化大，原材料去除量大，材料以鋁合金為主，少量采用不銹鋼和鈦合金鋼等。

 

2) 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件有機(jī)匣、各類葉片和整體葉盤等。其中機(jī)匣尺寸較大，型面復(fù)雜，剛性結(jié)構(gòu)弱，壁薄，精度要求高，加工難度大，如某型號(hào)大飛機(jī)的大型風(fēng)扇機(jī)匣外形尺寸為φ1823.5 mm × 546 mm，薄壁僅為3 mm；葉片型面較復(fù)雜，強(qiáng)度較高，一般需要耐高溫的鈦合金材料，如某大型寬弦空心風(fēng)扇葉片采用寬弦、空心、帶阻尼凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，直徑φ1600 mm以上，風(fēng)扇葉尖速度高達(dá)457 m/s，選用重量更輕的鈦合金或樹脂基材料，活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

 

整體葉盤是典型的薄壁盤類零件，整體葉盤通道窄且深，開闊性差、葉片薄、扭曲度大、葉展長(zhǎng)、受力易變形，不允許有裂紋和缺陷，加工中需要數(shù)控臥車、精密數(shù)控立車等，而且要求加工機(jī)床的剛性好，定位精度高等，如葉盤加工中定位精度約為2~3 μm。

 

3.2. 典型飛機(jī)零件加工方法

 

根據(jù)典型飛機(jī)零件的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行加工設(shè)計(jì)，按照流程完成零件的加工制造。這里以飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件中的關(guān)鍵接頭和發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤為例說明典型飛機(jī)零件加工的具體實(shí)施方法。

 

1) 機(jī)身接頭類零件的加工。機(jī)身接頭是機(jī)身各部件間以及機(jī)身與其他部件間相連接的關(guān)鍵部件。接頭類零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、協(xié)調(diào)難度大，加工工序較多，過程較長(zhǎng)。

 

飛機(jī)機(jī)身中，常見的零件接頭如圖4所示。機(jī)身與尾翼的零件接頭材料為低合金超高強(qiáng)度鋼和300 M鋼(超高強(qiáng)度鋼)，機(jī)身與其他部件的連接接頭多為LD5(5號(hào)鍛鋁)、LD10(10號(hào)鍛鋁)、LC4(4號(hào)超硬鋁)和LY2(2號(hào)超硬鋁)，如接頭類零件的毛胚選擇模鍛件，加工工序選擇集中原則，經(jīng)過加工技術(shù)要求分析、加工階段劃分、定位基準(zhǔn)選擇、熱處理及表面處理工序安排、輔助安排等工作后，即可設(shè)計(jì)出接頭類零件的加工。

 

在加工制造中接頭的頭部耳片槽及兩側(cè)面的加工采用粗銑→半精銑→熱處理→精加工的方式來完成；在加工頭部外形時(shí)采用粗銑→精銑等加工方案；頭部耳片上孔的加工采用鉆初孔→熱處理→擴(kuò)孔→鉸孔的加工方法；長(zhǎng)槽的加工采用粗銑再精銑，然后在臥式銑床上加工，即它是一種合二(葉片、輪盤)為一(葉盤)的結(jié)構(gòu)。整體葉盤結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)子葉片和輪盤制成一體。

 

2) 發(fā)動(dòng)機(jī)中整體葉盤的加工。整體葉盤將葉片和輪盤合二為一，省去了連接用的榫頭、榫槽，使葉盤結(jié)構(gòu)緊湊，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)及渦輪等轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重量。目前國(guó)內(nèi)整體葉盤的加工主要以鍛件機(jī)械加工為主，也就是五坐標(biāo)NC加工方法。

 

五坐標(biāo)NC加工整體葉盤的路線為：材料復(fù)檢前準(zhǔn)備→粗加工→半精加工→精加工、車配合尺寸→孔加工→特種及輔助加工→完成。在加工過程中，通過“插銑開槽加工”去除了絕大多數(shù)毛柸材料，通過“對(duì)稱螺旋銑削葉片”有效控制了粗加工、半精加工后葉片內(nèi)應(yīng)力非對(duì)稱釋放等問題，通過“葉盤葉片前后緣加工誤差補(bǔ)償技術(shù)”解決了葉片尺寸、形狀及位置差的問題等。

3.3. 國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在加工典型飛機(jī)零件中的不足

 

結(jié)合典型飛機(jī)零件的特征分析和典型飛機(jī)零件加工方法，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在車銑復(fù)合加工技術(shù)、可靠性技術(shù)、刀具切削效率方面還存在顯著不足，具體體現(xiàn)在以下方面：

 

1) 在飛機(jī)機(jī)身零件加工中，材料利用率僅為5%~10%左右，形成了原材料去除量大的問題。為了提高加工效率，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床復(fù)合加工技術(shù)有了一定程度發(fā)展，其中車銑復(fù)合加工技術(shù)較為典型。車銑復(fù)合加工通過一次裝夾就可以完成大部分的表面加工，為飛機(jī)機(jī)身零件的加工提供了先進(jìn)的解決方案。但在實(shí)際應(yīng)用中，此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展卻面臨著很多困難和挑戰(zhàn)。其中加工方法決策技術(shù)、加工工步排序技術(shù)和干涉碰撞技術(shù)尚處于探索階段，由于這些核心問題還未解決，阻止了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展。

 

2) 近幾年隨著航空制造業(yè)的快速發(fā)展，典型飛機(jī)復(fù)雜零件的加工，對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床的需求量在不斷增加。雖然國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展也取得了很大的成就，但與國(guó)外先進(jìn)水平相比，其在穩(wěn)定性等方面還存在著顯著差距[5]。目前已經(jīng)投入使用的國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床一般采用國(guó)外進(jìn)口的數(shù)控系統(tǒng)和關(guān)鍵功能部件，雖然在加工性能方面沒有太大差距，但機(jī)床輔助部件卻出現(xiàn)了較高的故障率，同時(shí)由于部件裝配、調(diào)試水平還存在的不足，因此嚴(yán)重影響了國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性。

 

3) 伴隨著超高強(qiáng)度鋼、鈦合金、耐高溫合金、復(fù)合材料的不斷引入，航空產(chǎn)品對(duì)刀具的性能和質(zhì)量也提出了更多要求。目前面對(duì)航空典型零件的加工，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的

 

刀具還主要是以進(jìn)口為主。由于國(guó)產(chǎn)刀具與進(jìn)口刀具質(zhì)量水平差距較大，高端產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，種類規(guī)格較少，制造較差，無法進(jìn)行刀具性能驗(yàn)證等原因，國(guó)產(chǎn)刀具的采購(gòu)量始終處于較低水平。

 

4. 國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)方法

 

為了推進(jìn)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，滿足國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在航空制造業(yè)中的使用需求，進(jìn)一步提高我國(guó)典型飛機(jī)零件的生產(chǎn)質(zhì)量，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床必須結(jié)合自身存在的不足，在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在復(fù)合加工技術(shù)、可靠性技術(shù)、刀具切削效率方面的發(fā)展。

 

4.1. 車銑復(fù)合加工技術(shù)改進(jìn)方法

 

車銑復(fù)合加工技術(shù)作為一種高效率、高精度的先進(jìn)數(shù)控加工技術(shù)，在航空制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，因此通過對(duì)車銑復(fù)合加工技術(shù)先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，可以極大的提高設(shè)備的使用功能。

 

1) 改進(jìn)加工方法決策技術(shù)。首先通過從加工方法知識(shí)庫(kù)中獲取加工方法信息，再將知識(shí)庫(kù)中給定的屬性值與特征數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后與幾何特征、材料、精度及熱處理等信息進(jìn)行匹配，終得出符合條件的可行加工方法，選擇優(yōu)的加工方法作為決策結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加工方法決策技術(shù)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的智能化水平。

 

2) 改進(jìn)工步排序技術(shù)。根據(jù)產(chǎn)品特征之間的拓?fù)潢P(guān)系和知識(shí)準(zhǔn)則，利用人工智能技術(shù)進(jìn)行排序的研究，設(shè)計(jì)工步有向圖，以有向圖的形式表達(dá)工步之間的優(yōu)先關(guān)系，使同步工步之間的加工時(shí)間差小，減少刀架的等待時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工序排序技術(shù)的改進(jìn)。

 

3) 改進(jìn)碰撞技術(shù)。通過基層次包圍盒的碰撞算法對(duì)車銑復(fù)合方案中可能存在的碰撞進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，快速剔除不發(fā)生碰撞的對(duì)象，借助雙基時(shí)差定位方法提高測(cè)量精度，進(jìn)而提高效率，幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)修正運(yùn)動(dòng)參數(shù)或方案，提高修正效率，實(shí)現(xiàn)碰撞技術(shù)的改進(jìn)。

 

4.2. 可靠性技術(shù)改進(jìn)措施

 

為了促進(jìn)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可靠性的發(fā)展，需要從可靠性建模、故障分析、可靠性設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行改進(jìn)。

 

1) 通過修復(fù)如舊的假設(shè)和時(shí)間動(dòng)態(tài)模型的建立，使機(jī)床可靠性的建模更加逼真，為數(shù)控機(jī)床可靠性的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

 

2) 通過研發(fā)數(shù)控機(jī)床故障分析的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的故障數(shù)據(jù)管理及可靠性評(píng)估等功能。

 

3) 通過完善可靠性準(zhǔn)則，優(yōu)化可靠性分配設(shè)計(jì)和基于故障分析的可靠性增長(zhǎng)設(shè)計(jì)等，促進(jìn)數(shù)控機(jī)床可靠性綜合理念與方法的改進(jìn)。

 

4) 通過借鑒有關(guān)設(shè)備可靠性原理及現(xiàn)有技術(shù)，研發(fā)具有工況模擬能力的可靠性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)而數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵部件的可靠性。

4.3. 刀具切削效率的途徑

 

為了提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的刀具切削效率，可以通過以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。首先，實(shí)現(xiàn)高新切削技術(shù)的推廣，通過推廣應(yīng)用一批先進(jìn)的、成熟的、適用的高新切削技術(shù)，來加快新型刀切削材料、新型刀具結(jié)構(gòu)、新型切削技術(shù)的研究。其次，提高水平，減少刀具消耗，通過對(duì)典型零件原有進(jìn)行分析，選配合適的加工工具，優(yōu)化走刀路線，減少走刀次數(shù)，優(yōu)化切削參數(shù)，終達(dá)到減少刀具消耗量的目的。

 

隨著現(xiàn)代飛機(jī)性能的不斷，飛機(jī)零件正朝著整體化、大型化、復(fù)雜化、新材料大量應(yīng)用等方向發(fā)展。國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床作為我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展支柱，對(duì)于促進(jìn)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在航空制造領(lǐng)域中的發(fā)展具有重要意義。本文以飛機(jī)機(jī)身零件和發(fā)動(dòng)機(jī)部件為例，分析了典型飛機(jī)零件的特征及加工方法，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際指出了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在航空制造業(yè)中存在的顯著不足，并指出可以通過改進(jìn)加工方法決策技術(shù)、工步排序技術(shù)、碰撞技術(shù)來實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合加工技術(shù)改進(jìn)；通過可靠性建模、故障分析、可靠性設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)等方法實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床可靠性的改進(jìn)；通過推廣高新切削技術(shù)和提高刀具水平來刀具切削效率。同時(shí)通過總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)促進(jìn)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)，關(guān)鍵部件的改進(jìn)，以及智能化的發(fā)展，綠色制造技術(shù)的引入，服務(wù)管理水平的等方法，也將加快國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在航空制造業(yè)中的發(fā)展。

來源：愛咖邦