中航工業(yè)成飛數(shù)控加工技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室 駱金威 龔清洪

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，制造技術(shù)水平是衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。以飛機(jī)結(jié)構(gòu)件為代表的航空零件結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜、加工精度要求極高。因此，航空制造技術(shù)被稱為制造業(yè)的皇冠，代表著制造技術(shù)的最高水平。

數(shù) 控（NC） 是 數(shù) 字 控 制（Numerical Control）的簡(jiǎn)稱，是20世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種用數(shù)字化信息進(jìn)行自動(dòng)控制的一種方法。裝備數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，稱為數(shù)控機(jī)床[1]。與傳統(tǒng)機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有高效率、高精度、高柔性化及高集成化等特點(diǎn)，既能保證加工質(zhì)量，又能大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率[2]。而飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是最早使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工的產(chǎn)品之一。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工要求在很大程度上是推動(dòng)數(shù)控機(jī)床特別是高檔數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ?；換而言之，高檔數(shù)控機(jī)床的整體水平又是決定航空制造水平的核心因素之一。

綜上所述，面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的數(shù)控機(jī)床在很大程度上代表著未來數(shù)控機(jī)床特別是高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向。因此，我國(guó)從2006年開始已經(jīng)把高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備專項(xiàng)列為國(guó)家重大科技專項(xiàng)。本文將結(jié)合作者從事的專業(yè)方向，淺談一下未來面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向。

高效加工是數(shù)控機(jī)床發(fā)展永恒的主題

效率是企業(yè)生存的根本，是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)力的根本途徑。一方面，現(xiàn)代航空工業(yè)處于高速發(fā)展中，隨著飛機(jī)性能的不斷提升，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始向整體化、大型化、輕量化方向發(fā)展，伴隨而來的是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的形狀越來越復(fù)雜、尺寸越來越大、材料去除率越來越高、加工工藝性越來越差。圖1是我國(guó)國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)C919的機(jī)頭風(fēng)擋窗框零件，其整體結(jié)構(gòu)是空間自由曲面，材料去除率高達(dá)99.35%，屬于典型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工周期長(zhǎng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。

圖1 C919飛機(jī)機(jī)頭的風(fēng)擋窗框

另一方面，用戶和市場(chǎng)對(duì)飛機(jī)的研制周期要求越來越短，從而加劇了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化與市場(chǎng)期望周期不斷縮短之間的矛盾。在全球化競(jìng)爭(zhēng)的背景下，航空制造企業(yè)別無選擇，只有快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求，才能立于不敗之地，而要快速地響應(yīng)市場(chǎng)，就必須提高生產(chǎn)效率、縮短加工周期，高效的數(shù)控機(jī)床正是解決這一問題的有效手段。從目前數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)來看，未來用于加工飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的高效數(shù)控機(jī)床主要包含以下幾種。

1 超高速、快進(jìn)給的虛擬軸機(jī)床

在新機(jī)研制階段，為了縮短產(chǎn)品的研制周期，必須在最短的時(shí)間內(nèi)制造出樣機(jī)，這就要求飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造必須高效、高質(zhì)量的配套。而提高加工效率最直接最有效的方法就是使用加工效率更高的機(jī)床，換而言之，就是最大限度地提高機(jī)床的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。

然而，傳統(tǒng)機(jī)床由于結(jié)構(gòu)上的缺陷，提高轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度都受到很大限制，虛擬軸機(jī)床的出現(xiàn)，正是為了大幅度地提高數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度而進(jìn)行的一種新的嘗試。相比傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，虛擬軸機(jī)床具有剛性高、加工速度高、加工精度高等一系列顯著優(yōu)勢(shì)。如德國(guó)DST機(jī)床（圖2）高速虛擬軸機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)30000r/min，快速進(jìn)給速度達(dá)到50m/min，加工進(jìn)給速度為15m/min，可以極大地提高產(chǎn)品的加工效率，且加工精度不會(huì)隨著轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的提高而降低。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速高達(dá)50000r/min的超高速虛擬軸機(jī)床。隨著飛機(jī)研制周期的越來越短，未來超高速的虛擬軸機(jī)床將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。

2 并行加工機(jī)床

另一種可以顯著提高加工效率的方式是采用并行加工機(jī)床，如多軸設(shè)備中心以及多軸加工的單元等。這類機(jī)床的用途非常廣泛，在新機(jī)研制階段，對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸大的零件，可以采用多軸并行加工的方式，每個(gè)主軸只加工零件的固定區(qū)域，這樣使得零件的加工周期顯著縮短。在零件批產(chǎn)階段，可以使用帶有鏡像功能的機(jī)床加工完全鏡像的零件，或者使用多主軸平行加工的方式一次加工多件相同的零件。

并行加工機(jī)床自問世以來就得到了廣大航空制造企業(yè)和工程技術(shù)人員的高度關(guān)注，在2013年歐洲機(jī)床展上，多家世界知名機(jī)床廠商展出了多種并行加工機(jī)床[3]，如日本森精機(jī)公司(MORI SEIKI)首次展出概念機(jī)型——i50型加工中心，德國(guó)巨浪公司展出4主軸立式加工中心，斯達(dá)拉格集團(tuán)寶美公司展出S100型四面加工單元，德國(guó)Krause&Mauser公司展出多主軸加工工作站等。可以預(yù)見，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，并行機(jī)床將在國(guó)際高檔數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域占有一席之地。

圖2 DST機(jī)床模型

3 加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，通常需要進(jìn)行多個(gè)工位的加工，圖3為國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919的登機(jī)門手柄零件。從圖3可以看出，該零件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，空間6個(gè)方位都需要加工，如果采用傳統(tǒng)的工藝方案加工該零件，影響該類零件加工周期的一個(gè)重要因素就是零件在加工過程中需要不斷地拆卸零件進(jìn)行重新裝夾，這樣使設(shè)備的利用率低下，不但增加了制造成本，而且嚴(yán)重制約了零件的生產(chǎn)周期。要從根本上解決這個(gè)問題，就必須盡量減少零件的裝夾次數(shù)。立臥轉(zhuǎn)換為這類飛機(jī)結(jié)構(gòu)件從工藝上提供了近乎完美的解決方案。

立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床最大的特點(diǎn)是設(shè)備具有超大擺角行程的旋轉(zhuǎn)主軸，如圖4所示。一般情況下，主軸裝配在機(jī)床立柱上，擺角為0°時(shí)，主軸呈水平臥式加工狀態(tài)；擺角向下旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，主軸呈豎直立式加工狀態(tài)。圖4所示的典型立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床旋轉(zhuǎn)主軸的擺角區(qū)間為+60°～-120°，主軸旋轉(zhuǎn)范圍達(dá)180°[4]，機(jī)床加工狀態(tài)可以在立式與臥式之間自由轉(zhuǎn)化。配上可以旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)以后，只需一次裝夾。機(jī)床可以對(duì)零件6個(gè)方位進(jìn)行全方位的加工，極大地提高零件的加工效率和設(shè)備利用率。未來這類機(jī)床必將成為加工飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的重要選擇。

4 多工作臺(tái)、快速換裝的柔性裝夾系統(tǒng)

與數(shù)控機(jī)床的切削效率相比，如今機(jī)床利用率已經(jīng)成為影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工效率的重要因素，其影響權(quán)重因子逐年增大。數(shù)據(jù)表明，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)數(shù)控加工的整體技術(shù)主要差距已不是機(jī)床的切削效率，而是機(jī)床的利用率，即單位時(shí)間內(nèi)機(jī)床有效切削時(shí)間的百分比。除機(jī)床正常的保養(yǎng)和維修外，占用機(jī)床非加工時(shí)間最多的便是零件的裝夾和找正。目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)的裝夾方式還是在線上裝夾，這是造成設(shè)備利用率低下的主要原因之一。

圖3 C919飛機(jī)的手柄零件

為了提高設(shè)備的利用率，較好的解決方案是機(jī)床有多個(gè)工作臺(tái)，使機(jī)床在正常加工的同時(shí)進(jìn)行線下的裝夾準(zhǔn)備工作?？紤]到飛機(jī)結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜、品種多樣性的特點(diǎn)，工作臺(tái)還應(yīng)具備較好的柔性，便于不同類型零件的快速裝夾。圖5為沈陽機(jī)床有限公司生產(chǎn)的帶有雙工作臺(tái)的五坐標(biāo)臥式加工中心。它可在零件加工的同時(shí)進(jìn)行線下裝夾零件，顯著提高了設(shè)備利用率。隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)一步加深和國(guó)際數(shù)控加工市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，未來這種具備多工作臺(tái)、快速換裝的機(jī)床必將受到廣大航空制造企業(yè)的青睞。

用于難加工材料的大扭矩機(jī)床是未來發(fā)展的重要方向

現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計(jì)越來越傾向于在飛機(jī)的“骨架”（主承力結(jié)構(gòu)件）部分采用高強(qiáng)度鈦合金、高強(qiáng)度鋼等材料，而在非承力部分采用更輕的材料，以此來減輕飛機(jī)的重量，提升飛機(jī)的綜合性能。但是，高強(qiáng)度鈦合金、高強(qiáng)度鋼等材料非常不利于加工，并且這些主承力結(jié)構(gòu)件大多采用整體設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)尺寸很大，如文獻(xiàn)[5]提到中的鈦合金整體框的投影面積達(dá)到了5.02m2，長(zhǎng)3.62m。當(dāng)前，這些材料的加工效率都非常低下，以鈦合金為例，目前國(guó)內(nèi)的加工線速度大約在50～100m/min，最高不超過200m/min，與鋁合金的加工效率相差了一個(gè)數(shù)量級(jí)。按現(xiàn)在的技術(shù)水平，這類零件僅數(shù)控加工周期就長(zhǎng)達(dá)2～3個(gè)月，已成為制約飛機(jī)的研制及交付周期的瓶頸問題。

眾所周知，影響鈦合金、高強(qiáng)度鋼等難加工材料切削性能的主要因素是切削力，而目前影響鈦合金、高強(qiáng)度鋼等難加工材料加工效率最主要的因素是機(jī)床的輸出扭矩不夠，導(dǎo)致其加工效率低下。目前國(guó)內(nèi)用于鈦合金加工機(jī)床的輸出扭矩一般在1000NM以下，最新的設(shè)備可以達(dá)到2000NM左右。因此，解決難加工材料的加工效率問題，縮短飛機(jī)研制周期和交付周期，更大扭矩的機(jī)床是未來加工難加工材料的重要發(fā)展方向。

用于復(fù)合材料加工的專用數(shù)控機(jī)床逐漸增多

圖4 立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)范圍

圖5 帶有雙工作臺(tái)的五坐標(biāo)臥式加工中心

波音和空客公司代表當(dāng)今世界最先進(jìn)的民機(jī)制造技術(shù)。近幾年，復(fù)合材料的使用比例越來越大（圖6），且增長(zhǎng)趨勢(shì)突飛猛進(jìn)。復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量和應(yīng)用部位已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一，以空客350為例，其復(fù)合材料構(gòu)件重量約占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的50%。因此，未來飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的機(jī)床很大程度上要面對(duì)復(fù)合材料加工。目前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中使用的復(fù)合材料主要包括芳綸紙蜂窩材料、金屬蜂窩材料、碳纖維復(fù)合材料、玻璃鋼復(fù)合材料和泡沫材料等。現(xiàn)有的數(shù)控設(shè)備加工復(fù)合材料面臨的最大問題是加工過程中產(chǎn)生的大量粉塵等污染物對(duì)環(huán)境的污染非常大，因此，必須采用新的加工設(shè)備從切削機(jī)理上來杜絕粉塵等污染物，以降低復(fù)合材料加工對(duì)環(huán)境的影響。

目前，用于加工芳綸紙蜂窩芯的超聲波機(jī)床，如圖7所示，已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。該機(jī)床的主要原理是以切割的方式來加工蜂窩芯，工程應(yīng)用結(jié)果表明，用于加工芳綸紙蜂窩芯的超聲波機(jī)床能顯著改善加工環(huán)境，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)外一些企業(yè)已經(jīng)把超聲波機(jī)床用于碳纖維復(fù)合材料的加工。此外，水切割設(shè)備、磨料水射流設(shè)備等已經(jīng)開始嘗試用于復(fù)合材料的加工。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中所占的比重逐漸增長(zhǎng)，未來必將出現(xiàn)更多專用的設(shè)備用于加工復(fù)合材料。

開放的數(shù)控系統(tǒng)是未來機(jī)床的必然選擇

IEEE對(duì)于開放式系統(tǒng)的定義是：經(jīng)過恰當(dāng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序能夠在不同廠商的多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，能夠與其他系統(tǒng)的應(yīng)用程序互相操作，并且能夠提供一致性的人機(jī)交互界面[6]。與傳統(tǒng)的封閉式專用數(shù)控系統(tǒng)相比，開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于：在體系結(jié)構(gòu)上給用戶留有進(jìn)行二次開發(fā)更多的余地，能夠迅速有效地響應(yīng)新的加工需求。雖然開放式數(shù)控系統(tǒng)自20世紀(jì)就成為國(guó)內(nèi)外機(jī)床廠家和學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)問題，但迄今為止仍然沒有較好的實(shí)施方案。

圖6 波音和空客部分機(jī)型的復(fù)合材料用量

圖7 用于加工紙蜂窩的超聲波機(jī)床

按照開放式系統(tǒng)的定義，目前數(shù)控系統(tǒng)（如FANUC、SIEMENS等系統(tǒng)）都不是開放的，兼容性較差，彼此封閉。隨著技術(shù)進(jìn)步，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，這種數(shù)控系統(tǒng)越來越不適應(yīng)制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。這是因?yàn)楝F(xiàn)代高檔機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，不但要有更高的精度和快速的運(yùn)算處理能力，而且要求程序在不同廠商的系統(tǒng)上運(yùn)行，并且用戶可以根據(jù)自己的需求嵌入和擴(kuò)展其功能，如故障診斷、加工結(jié)果重現(xiàn)、加工數(shù)據(jù)監(jiān)控等。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜，可加工性較差，很多零件的加工故障診斷以及加工程序的優(yōu)化單憑工藝技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)無法做出正確的判斷，這就迫切需要在數(shù)控系統(tǒng)上嵌入相關(guān)的軟硬件設(shè)備對(duì)加工過程進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果來調(diào)整優(yōu)化當(dāng)前的工藝方案和切削參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的高性能加工。因此，未來加工飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控機(jī)床對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)的需求十分迫切。

結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床的發(fā)展極大地提高了航空制造技術(shù)的整體水平，同樣，航空制造技術(shù)特別是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的技術(shù)要求也加快了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程，正是由于兩者相互促進(jìn)才使彼此得到共同的發(fā)展。文章從面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的技術(shù)要求出發(fā)，對(duì)未來數(shù)控機(jī)床發(fā)展方向進(jìn)行了展望，包括高效數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向，難加工材料機(jī)床的發(fā)展方向，加工復(fù)合材料機(jī)床的發(fā)展方向以及數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向幾個(gè)方面。

[1] 吳連連，黃愛華.淺談我國(guó)數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).機(jī)械管理開發(fā)，2013(3):115-118.

[2] 唐克巖.我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望.機(jī)床與液壓，2012(5):145-147.

[3] 邵欽作. 從EM0201 3歐洲機(jī)床展看數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì).世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2014(1):90-94.

[4] 劉宇.高效裝夾技術(shù)在立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床上的應(yīng)用.航空制造技術(shù)，2014(22):78-82.

[5] 王向明，蘇亞東，吳斌.增材技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件研制中的應(yīng)用.航空制造技術(shù)，2014(22):16-20.

[6] 劉繁茂，尹何遲，文澤軍. 全軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)研究.機(jī)械與電子，2009(9)：44-46.