中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 王增新 王衛(wèi)朝

飛機性能的提高取決于機體結(jié)構(gòu)效率和發(fā)動機推重比的提高，機體結(jié)構(gòu)效率和發(fā)動機推重比的提高取決于高性能材料和先進結(jié)構(gòu)的采用，而高性能材料和先進結(jié)構(gòu)的獲得則取決于先進的制造技術。數(shù)控制造技術是航空工業(yè)發(fā)展先進制造技術的重要組成部分。數(shù)控技術應用的廣度和水平是衡量航空工業(yè)綜合技術水平和企業(yè)現(xiàn)代化水平的重要指標之一。航空制造業(yè)既是高端制造業(yè)技術水平的標志，又是一個國家高檔數(shù)控機床創(chuàng)新與發(fā)展的策源地。各國數(shù)控機床廠商正緊密圍繞航空制造技術不斷發(fā)展的需求進行設備研制。

航空結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機機體骨架和氣動外形的主要組成部分，現(xiàn)代飛機為滿足隱身、超聲速巡航、超常規(guī)機動、高信息感知能力、長壽命、結(jié)構(gòu)輕量化等方面的性能要求，大量采用新技術、新結(jié)構(gòu)、新材料，其結(jié)構(gòu)件主要向整體化、大型化、復雜化、精確化和材料多元化方向發(fā)展。隨著技術的發(fā)展，現(xiàn)代大型飛機在材料選擇方面呈現(xiàn)出新的特點和趨勢，現(xiàn)代飛機材料已經(jīng)從以前的鋁合金獨霸天下變成了鋁合金、鈦合金、復合材料三分天下的局面，而且復合材料、鈦合金還有進一步擴大的趨勢[1]。

航空結(jié)構(gòu)件制造中，不同的材料特性和工藝方法對相應的數(shù)控裝備提出了不同要求，主要表現(xiàn)為：

（1）鋁合金零件數(shù)控加工機床的設計輕量化和運行高速化；

（2）鈦合金和高強度結(jié)構(gòu)鋼零件數(shù)控加工機床的大扭矩和高剛性；

（3）復合材料零件制造設備的自動化和數(shù)控化。

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所航空專用裝備工程中心是國內(nèi)最早開發(fā)數(shù)控機床的單位之一，作為航空專用工藝裝備的配套研制單位，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，逐步形成了多種型號規(guī)格的針對鋁合金、鈦合金和復合材料高效加工的系列產(chǎn)品。

航空鋁合金數(shù)控加工機床

高速切削技術是近些年迅速發(fā)展起來的一項先進制造技術，它不但極大地提高了加工效率，而且顯著地改善了零件的加工精度和表面質(zhì)量。由于高速切削時產(chǎn)生的切削力小，發(fā)熱少，殘余應力以及零件變形較小，因此在航空鋁合金零件數(shù)控加工方面得到了廣泛應用。

高速切削機床以高速主軸系統(tǒng)、高速進給系統(tǒng)和高動態(tài)特性為典型特征。

目前，面向航空鋁合金零件高效數(shù)控加工的機床以移動龍門結(jié)構(gòu)為典型代表。由于移動龍門結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛性好、加工范圍大、占地面積小、操作方便等特點，成為航空鋁合金加工大型數(shù)控機床首選的總體結(jié)構(gòu)形式。因鋁合金材料若干年以來在航空領域占有的重要地位和較大應用比重，各航空數(shù)控加工車間先后配置了大量進口中高檔龍門數(shù)控機床。鑒于此類高速數(shù)控機床的強勁需求，國內(nèi)許多機床廠商也相繼發(fā)展了自己的中高端龍門移動數(shù)控機床。

多龍門多主軸機床是最具航空特色的龍門移動數(shù)控機床，工作臺寬度尺寸大，機床縱向行程長，一臺機床可配置多個龍門架（高架橋式機床為橫梁），每個龍門（橫梁）上可配置多個主軸，既可以同時加工多個相同的梁類零件，也可以只加工一個大尺寸的壁板、框類零件，機床的利用率和加工效率得到有效提高。由于大尺寸零件數(shù)量有限，多龍門多主軸布局的機床在航空大型機床中占有相當大的比例。當多龍門多主軸結(jié)構(gòu)的機床加工大型或超長零件時，每個龍門架的加工行程都可以覆蓋整個機床工作臺，可以讓1個龍門架利用整個工作臺進行加工，也可以讓多個龍門架對同一個零件進行分段加工；當該機床加工尺寸稍小的飛機零件時，可以將每個龍門架限定在各自的加工區(qū)域內(nèi)進行加工，也可以在一個區(qū)域內(nèi)加工，在另一個區(qū)域內(nèi)進行工件裝卸、調(diào)整等輔助工作；當機床加工細長類零件或小零件時，多個主軸可以同時加工多個同樣的零件[2]。FOREST-LINE、CINCINNATI等國際知名機床廠商均有多龍門多主軸的龍門機床應用于航空數(shù)控加工，北京航空制造工程研究所也形成了以雙龍門四主軸（圖1）為代表的系列產(chǎn)品，并交付成飛、洪都等飛機制造廠用于大型鋁合金結(jié)構(gòu)件加工，替代了進口。

圖1 雙龍門四主軸三坐標高速數(shù)控銑床

該機床成功完成中國科學院高能物理研究所的“第二代巨型正負電子對撞機漂移室本體——BESⅢ漂移室”相關零件加工。BESⅢ漂移室本體是第二代巨型電子對撞機二期改造工程最大、最關鍵的部件，是由國務院科教領導小組批準研制的國家重點工程。該部件加工制造難度之大、精度要求之高堪稱國內(nèi)之最。它是由16個精密絲孔端面板通過內(nèi)室內(nèi)筒，連接法蘭盤、臺階連接環(huán)及外室外筒而成。其中外桶材料為復合材料，而大端面、內(nèi)室和臺階為鋁合金材料。僅大端板上就有20934個小孔，218個大孔和1048個螺紋孔，用中科院專家的話說，就是一?；覊m掉進去都將影響其精度。中央臺新聞聯(lián)播的《經(jīng)典中國》欄目曾作過相關報道。

高架橋式高速數(shù)控機床是近些年從龍門移動型機床發(fā)展出來的新型龍門數(shù)控機床，在航空工廠應用也比較廣泛。高架橋式高速數(shù)控機床為有效減少運動部件的質(zhì)量，將立柱從龍門中分離出來，根據(jù)行程的大小，設置數(shù)個固定立柱，將立柱與床身或地基固定在一起，使橫梁在立柱上部進行移動。這樣，運動部件只包括橫梁、橫滑板和銑頭部件，并以最大剛質(zhì)比為目標進行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，同時設計時盡可能使驅(qū)動點靠近移動部分的中心位置，有效提高了機床的動態(tài)性能；同時，床身和工作臺剝離，減小了單個構(gòu)件的重量及規(guī)格尺寸，方便了制造、裝配，也降低了成本；另外，橋式高速機床的立柱材料由鋼結(jié)構(gòu)件改為鋼板-混凝土件，材料阻尼特性為鋼材的7～10倍，整個設備的抗振性和抗干擾能力得到很大提高[3]。這種機床配置高速精密電主軸，可用于框和壁板類零件的高速高效加工，具有零件變形小、加工質(zhì)量優(yōu)良等優(yōu)點，在生產(chǎn)中有很好的應用前景。

北京航空制造工程研究所研制的橋式五坐標高速數(shù)控龍門銑床（圖2），主軸轉(zhuǎn)速24000r/min，工作臺寬度2500mm，C擺角范圍±400°，A擺角范圍±110°，龍門雙邊驅(qū)動，全閉環(huán)反饋，高精度五軸聯(lián)動，已在成飛、成飛集成、云馬等飛機制造廠用于大型鋁合金結(jié)構(gòu)件加工，替代了進口。

五軸聯(lián)動精度是高檔數(shù)控機床性能評價中最重要的指標，能夠綜合反映機床設計、制造、裝配、調(diào)試及性能優(yōu)化的技術水平。

五軸聯(lián)動精度檢測一般采用NAS979標準圓錐試件加工的測試方法。近年來國內(nèi)航空制造企業(yè)發(fā)明的“S”形漸變曲面試件加工（圖3）的測試方法，被廣泛用于五軸聯(lián)動高檔數(shù)控機床切削精度和性能測試，并被納入ISO 10791-7標準組作為附加測試件，成為國際標準測試件。試切檢驗的方法雖能夠準確反映機床的實際加工精度，但涉及工藝編程、試件裝夾、切削加工、精度檢驗等多個環(huán)節(jié)，操作復雜、測試周期長，而且檢測結(jié)果容易被編程軌跡誤差、刀具尺寸誤差、測量誤差等多重因素疊加干擾，S形試件加工精度難以保證，曾使多家國際高端機床制造廠商感到棘手。北京航空制造工程研究所研制的五軸聯(lián)動機床均達到了“S”形試件的精度要求，空間曲面上所有99個檢測點精度均符合標準要求，達到國際先進水平。

圖2 橋式五坐標高速數(shù)控龍門銑床

圖3“S”形試件加工

由于鋁合金一直是航空結(jié)構(gòu)件的主要材料，其加工效率受到航空制造業(yè)的重視，尤其是在鋁合金高速加工機床的大量應用后，鋁合金的加工效率得到了大幅度的提高。

航空鈦合金數(shù)控加工機床

隨著現(xiàn)代飛機高速、高精度性能要求的不斷提高，具有比強度高、抗腐蝕性好、耐高溫等一系列突出優(yōu)點的材料（如鈦合金、高溫合金、沉淀硬化不銹鋼等）在飛機設計中被大量采用，逐漸成為飛機結(jié)構(gòu)件的主要材料。鈦合金是其中最主要的代表。在美國第四代戰(zhàn)斗機的典型代表F-22軍用飛機上，鈦合金的比例高達41%，成為該飛機使用比例最高的材料。民用波音飛機鈦合金的應用比重也逐年增加，最新型的波音787鈦合金用量已超過以前所有波音飛機鈦合金用量總和。

鈦合金等材料的特性導致其切削加工性能差，故將其統(tǒng)稱為難加工材料，相對切削加工性在0.05～0.4之間，加工效率極低。若45#鋼的切削性為100%，則鈦合金約為20%～40%，其加工效率為鋁合金的10%左右。以鈦合金為代表的難加工材料航空結(jié)構(gòu)件的低加工效率嚴重制約了現(xiàn)代飛機的批量生產(chǎn)，因此難加工材料的高效、高精度加工設備成為最近幾年機床行業(yè)討論和關注的熱點，AB擺角結(jié)構(gòu)的機床受到了市場的再次青睞[4]。

世界各國著名的機床制造商推出了不同型號的鈦合金加工機床。盡管各自采取的措施不盡相同，但其共同特點是針對加工鈦合金零件時切削力較大以及銑削過程的不連續(xù)性，聚焦于提高機床的剛性和阻尼[5]。鈦合金的材料特性和加工特點，要求機床必須具有高剛性、高動態(tài)響應的結(jié)構(gòu)，大功率、高扭矩的主軸，大扭矩擺角驅(qū)動機構(gòu)，高阻尼特性等特點，對數(shù)控設備的設計制造提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

北京航空制造工程研究所以多年鈦合金飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控工藝研究為基礎，研制了高剛性、高精度的AB擺角五坐標數(shù)控龍門銑床和五坐標立式加工中心，分別滿足大、中型鈦合金結(jié)構(gòu)件的高效加工需求。

圖4 五坐標強力數(shù)控龍門銑床

五坐標數(shù)控龍門強力銑床（圖4）采用龍門移動式總體結(jié)構(gòu)，龍門雙邊同步驅(qū)動，全閉環(huán)反饋，高精度五軸聯(lián)動。AB雙擺角銑頭，采用高精度雙蝸輪蝸桿消隙驅(qū)動，擺角扭矩高達16000N·m；高精度機械主軸，最大扭矩2000N·m，最大轉(zhuǎn)速6000r/min，4檔機械變速使主軸在較寬的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)強勁的扭矩，并具有足夠的功率，使得主軸的卓越性能發(fā)揮到極致，可適應各種不同的速度、扭矩和功率需求，應用范圍廣，可靠性高。

五坐標強力立式加工中心（圖5），主軸最大扭矩764N·m；主軸最高轉(zhuǎn)速6000r/min；AB擺角扭矩8280N·m；五軸聯(lián)動精度RTCP 0.05mm。雙擺角數(shù)控銑頭擁有完全自主知識產(chǎn)權，并申請了“機械驅(qū)動形式的帶機械主軸的AB雙擺角數(shù)控萬能銑頭”技術秘密認定證書。機床設計過程采用多零件拓撲綜合優(yōu)化技術和參數(shù)靈敏度有限元分析技術，實現(xiàn)了各形狀和物性參數(shù)對目標函數(shù)靈敏度的快速計算提取，在變形極小化目標控制下，優(yōu)化主要結(jié)構(gòu)件的筋板布局、厚度、截面形狀，在重切削數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設計中成功運用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，有效降低移動部件重量，保證機床具有高剛性、高精度和優(yōu)異的動態(tài)性能。該設備在成飛、沈飛、直升機研究所、成飛集成、成都交大普爾等單位廣泛應用，并獲得中國機械工業(yè)科學技術進步二等獎。

圖5 五坐標強力立式加工中心

航空發(fā)動機作為飛機的心臟，被譽為“工業(yè)之花”，它直接影響飛機的性能、可靠性及經(jīng)濟性，是一個國家科技、工業(yè)和國防實力的重要體現(xiàn)。目前世界上能夠獨立研制高性能航空發(fā)動機的國家只有美國、俄羅斯、英國、法國等少數(shù)幾個國家，技術門檻很高。近年來，國外航空發(fā)達國家在新型航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設計中采用了整體葉盤的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的葉片和輪盤裝配結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤將葉片和輪盤設計為一個整體，省去了榫頭、榫槽和鎖緊裝置，避免了榫頭氣流損失，減少了結(jié)構(gòu)重量和零件數(shù)量，提高了氣動效率和可靠性，增大了推重比。整體葉盤一般采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，葉片薄、扭曲度大、葉展長、受力易變形，且葉片間通道深而窄、開敞性很差，制造特別困難。美國GE和P·W公司、英國的R·R公司等在生產(chǎn)整體葉盤時都采用了高精度五坐標數(shù)控加工技術。瑞士斯達拉格STC系列機床和德國BOK?機床幾乎壟斷此類設備國際市場，價格異常昂貴。

北京航空制造工程研究所針對整體葉盤高難度數(shù)控加工特點，研制了相應的高剛性、大扭矩、高精度的五坐標臥式加工中心H5 1000 ABM（見圖6），用于整體葉盤的自適應數(shù)控加工，其主軸扭矩（S1）為1000N·m，A擺角驅(qū)動扭矩6500N·m，B轉(zhuǎn)臺最大切向扭矩8500N·m（夾緊扭矩16000N·m），五軸聯(lián)動動態(tài)精度（RTCP）達0.025mm，實現(xiàn)了此類設備的國產(chǎn)化配套，填補了國內(nèi)空白。

古之詩人托物取況，語多精切。如東坡詠海棠云：……山谷詠荼蘼云：“露濕何郎試湯餅，日烘荀令炷爐香?！币哉煞蚱┗ㄒ病４尬木负阍伜诙乖疲骸鞍籽鬯葡釉骺鸵?，漆身還有報仇心?！币晕娜肆沂科┖诙?，用事奇特，殆不讓二老。[10](8冊，P244-245)

鈦合金材料以其獨特的材料和力學特性，一直以來都是數(shù)控加工的難點。如何實現(xiàn)鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的高效數(shù)控加工，是航空制造企業(yè)、數(shù)控設備制造商和刀具制造商共同的課題，需要各方密切配合、協(xié)同研究方能取得實效。在鈦合金大量應用的今天，鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的高效加工仍然是數(shù)控加工工藝技術和設備研發(fā)的焦點，也是推動數(shù)控制造技術發(fā)展的源動力。

航空復合材料構(gòu)件自動鋪放設備

圖6 五坐標臥式加工中心

復合材料相比傳統(tǒng)金屬材料，具有輕質(zhì)量、高強度、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性強、成形工藝性良好、成本低等特點。復合材料在航空產(chǎn)品上用量越來越高，且呈現(xiàn)快速增長的趨勢，如大型飛機波音787的復合材料用量達到50%，A350飛機復合材料用量達到52%，先進無人機復合材料的用量更是達到80%。隨著這些飛機逐漸形成批量生產(chǎn)，復合材料在航空上的用量會繼續(xù)增加，而且這一增加趨勢將是長久和持續(xù)的。復合材料應用部件由次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)發(fā)展，甚至開始向全復合材料結(jié)構(gòu)飛機發(fā)展。

隨著工藝和技術的發(fā)展，復合材料構(gòu)件已經(jīng)從一般尺寸規(guī)格的構(gòu)件（寬度2m以下）發(fā)展到大型復合材料構(gòu)件（寬度3m左右）、超大型復合材料構(gòu)件（寬度5m以上）。以往手工操作生產(chǎn)線已經(jīng)不能滿足零件精度及尺寸的要求，特別是對于大型軍用運輸機和大型客機大曲率復雜機身、機翼等大尺寸復合材料構(gòu)件，手工無法完成構(gòu)件制造，同時由于手工操作無法保證質(zhì)量，而相對成本非常高昂，因此必須采用包括自動鋪放在內(nèi)的智能化制造技術。

面對新一代先進飛機在機身、機翼等部位大面積應用復合材料的趨勢，為保證復合材料整體構(gòu)件的質(zhì)量穩(wěn)定性和高制造效率，用于自動化鋪放的自動鋪帶機與絲束鋪放機得到快速發(fā)展，成為先進大型飛機制造的關鍵裝備。

自動鋪帶技術是通過多坐標聯(lián)動的自動鋪帶機將一定寬度（一般有寬300mm、150mm、75mm 3種規(guī)格）的預緊料帶，按照程序設定的路徑，通過傳送、切割、壓實等功能，將預緊料帶鋪疊在模具上，制成復合材料預成型體。相比于手工鋪疊，自動鋪帶在保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本等方面具有突出的優(yōu)越性。自動鋪帶主要適用于尺寸較大、曲率較為平緩的機翼、尾翼等翼面類結(jié)構(gòu)。經(jīng)過40多年的發(fā)展，自動鋪帶技術在歐美國家已經(jīng)成熟，并大規(guī)模應用于航空復合材料結(jié)構(gòu)件的制造[6]。

圖7 大型復合材料自動鋪帶機

目前，美國MAG CINCINNATI公司、美國INGERSOLL機床公司、西班牙M-TORRES公司以及法國FOREST-LINE公司等機床制造商積極推出了各具優(yōu)勢的復合材料自動鋪帶設備。北京航空制造工程研究所也研制了大型復合材料自動鋪帶機（圖7）。

絲束鋪放技術與自動鋪帶技術同樣具有高效、低成本的特點，是專為曲率較大的雙曲面構(gòu)件的鋪疊而開發(fā)的技術。典型的絲束鋪放技術是通過多坐標聯(lián)動的鋪放頭將不同數(shù)量的預浸絲束在壓輥下集束成帶，通過傳送、加熱、壓實等功能，按照程序設定的路徑鋪疊在模具上。與自動鋪帶技術相比，絲束鋪放技術的優(yōu)點主要在于：每一條絲束獨立控制，可以根據(jù)構(gòu)件形狀增減絲束根數(shù)以適應邊界，并且可以適當控制纖維方向，對局部加厚、加筋、鋪層遞減、開口補強等復雜結(jié)構(gòu)具有更強的適應性，因此該技術廣泛應用于機身、進氣道、翼身融合體、機翼大梁等大曲率復雜復合材料構(gòu)件的制造[6]。

為適應飛機制造業(yè)這種實際發(fā)展需求，國外一些大型數(shù)控機床制造商，如美國MAG CINCINNATI公司、西班牙M-TORRES公司以及法國FOREST-LINE公司借助在大型數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設計技術方面的優(yōu)勢，紛紛推出各具特色的大型絲束鋪放機。北京航空制造工程研究所也研制了大型復合材料絲束自動鋪放機，采用高架橋式結(jié)構(gòu)，X、Y、Z坐標采用先進的直線電機雙邊同步驅(qū)動技術，其中鋪絲頭采用國外進口成熟產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)最多32束6.35mm寬度預浸絲束的自動鋪放，為我國大型復合材料構(gòu)件絲束鋪放技術應用奠定了裝備基礎。

復合材料作為現(xiàn)代先進飛機主要結(jié)構(gòu)用材已是明顯的發(fā)展趨勢，復合材料整體構(gòu)件已成為現(xiàn)代先進飛機的主要特征。因此，采用數(shù)字化、自動化生產(chǎn)設備，是促進復合材料產(chǎn)品降低成本，得到更廣泛應用的必由之路。復合材料自動鋪放設備的運用，從根本上改變了傳統(tǒng)的制造方式，通過采用數(shù)字量數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)了設計與制造間的無縫集成，體現(xiàn)了復合材料設計制造一體化的特點，這使復合材料結(jié)構(gòu)設計制造效率大大提升，改善了手工制造技術存在的制件質(zhì)量不穩(wěn)定、分散性大、可靠性差、無法生產(chǎn)大型和復雜復合材料構(gòu)件等問題，明顯降低了成本。

結(jié)束語

航空科技是國際競爭的戰(zhàn)略制高點。航空工業(yè)的快速發(fā)展對航空結(jié)構(gòu)件的材料和工藝提出了新的要求，也對設備制造業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。為使我國航空制造技術盡快趕超世界先進水平，需要發(fā)展相當數(shù)量的高性能數(shù)控機床和航空專用裝備。但國內(nèi)數(shù)控加工技術遠不能滿足快速發(fā)展的航空制造業(yè)的需求，還需要結(jié)合航空制造工藝技術的發(fā)展，深入研究各種高性能航空結(jié)構(gòu)件的制造技術和裝備。

國外航空裝備研發(fā)模式值得借鑒，設備研制單位和用戶企業(yè)“抱團發(fā)展”應該成為我國高檔數(shù)控機床和航空專用裝備研發(fā)的主要模式，使產(chǎn)品設計最大程度滿足制造工藝需求，并優(yōu)化相關性能，提升設備的使用效能。

隨著航空結(jié)構(gòu)件制造需求的不斷升級，國際高端設備制造商開發(fā)了臥式翻轉(zhuǎn)工作臺和虛擬軸加工等先進技術，使得設備動態(tài)性能大幅提高，加工效率、加工精度和表面質(zhì)量大為改善，是目前高檔數(shù)控機床研發(fā)的重點。伴隨著信息、智能相關技術的發(fā)展和環(huán)保要求的提高，高速、高精、智能、環(huán)保將成為高檔航空數(shù)控機床和專用裝備未來的發(fā)展方向。

[1] 宋智勇，祝曉軍.飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工機床發(fā)展方向及國產(chǎn)化.航空制造技術，2013(17)：40-43.

[2] 陳小明.航空大型數(shù)控機床的設計特點.航空制造技術，2006(6)：50-53.

[3] 馮長征，李初曄，李中凱.高速橋式機床的結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化.航空制造技術，2011(4)：45-48.

[4] 湯立民，宋智勇.航空數(shù)控加工機床發(fā)展方向及其關鍵技術.航空制造技術，2010(10)：45-48.

[5] 張曙，張炳生，譚惠民.鈦合金加工機床.制造技術與機床，2012(10)：9-12.

[6] 周曉芹，段友社，薛向晨，等.飛機復材構(gòu)件制造裝備應用現(xiàn)狀.航空制造技術，2013(17)：53-56.