鞠曉光

Abstract： The aviation industry is a relatively important field in the development of high technology， and it is also the main competition point of the world's high-tech industries. All countries regard the aviation industry as a pillar industry in the development of high-tech. The same is true in China， which regards the aviation industry as a key development area， which also creates certain opportunities for the development of the national aviation industry and aviation manufacturing technology. How to promote the application of domestic CNC machine tools in the manufacture of aircraft structural parts is of great significance to the industrial structure adjustment of the national equipment manufacturing industry. This article analyzes the development status of domestic CNC machine tools and discusses the application of Chinese CNC machine tools in the aviation manufacturing industry.

關(guān)鍵詞： 航空制造業(yè);國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床;應(yīng)用

Key words： aviation manufacturing;domestic CNC machine tools;application

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0206-03

0 ?引言

飛機(jī)中的大多數(shù)零件都存在協(xié)調(diào)位置較多、加工精度高和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜等諸多方面的特征，也正是因為這些方面的特征給數(shù)控機(jī)床的選用提出了一定的要求。最近幾年，伴隨國家航空工業(yè)的高速發(fā)展，我國的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)也取得了比較明顯的進(jìn)步。對于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，其不僅在加工質(zhì)量等層面獲取了一定的提高，同時研發(fā)成功了五軸聯(lián)動高檔數(shù)控車削中心，為其在航空制造產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用提供了更好的保障。

1 ?國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r分析

關(guān)于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，從技術(shù)能力、管理服務(wù)和產(chǎn)品數(shù)量等層面來講，已經(jīng)獲取了比較大的成就，和國際較為先進(jìn)的水平之間正在逐漸縮小差距。最近幾年，就國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床來講，從產(chǎn)品的數(shù)量和品種上來看，都取得了比較明顯的進(jìn)步，同時產(chǎn)品相應(yīng)的技術(shù)水平與質(zhì)量同樣得到較為明顯的加強(qiáng)。同時，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床就服務(wù)以及外觀造型等眾多方面來講都實施了一定的改進(jìn)，當(dāng)前產(chǎn)品的種類已經(jīng)達(dá)到了發(fā)達(dá)國家水平[1]。從五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床等同其具有一定關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域來看，已然邁入了世界領(lǐng)先水平的行列。現(xiàn)今，國家自主研發(fā)成功了世界上最大的數(shù)控橋式龍門復(fù)合機(jī)床等數(shù)控機(jī)床，這也在一定程度上使得只有少數(shù)國家壟斷的局面被打破，對于中國制造業(yè)的發(fā)展十分利好，尤為是針對我國航空制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有比較良好的促進(jìn)效果。

相比于國外的先進(jìn)技術(shù)水平來說，對于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，在重要配件、刀具水平和技術(shù)條件等多個方面，仍然存在著不小的差異。而據(jù)相關(guān)統(tǒng)計顯示，構(gòu)成數(shù)控機(jī)床的傳感器與伺服電機(jī)等關(guān)鍵性部件，大多數(shù)依然是通過向國外進(jìn)口。而當(dāng)前能夠進(jìn)行生產(chǎn)的中高檔數(shù)控車床，相當(dāng)多的都是處于裝配和生產(chǎn)的最后環(huán)節(jié)中，并不能掌握真正的技術(shù)，而且其中的部分關(guān)鍵性技術(shù)和零部件也都是需要進(jìn)口的。尤為是數(shù)控刀具的技術(shù)落后狀況所體現(xiàn)的問題比較突出。由于國產(chǎn)數(shù)控刀具在安全性上相對較低，而且使用期限也比較短，從性能、質(zhì)量以及品種等方面來看，依然無法滿足用戶的實際需要[2]。因為國產(chǎn)刀具的使用壽命比較短，且刀具品種比較少，這些都對機(jī)床運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定與可靠造成了一定的影響。例如，對于五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床，國外產(chǎn)品可以持續(xù)性保持1500小時的工作時間，而國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床保持無故障持續(xù)性工作的時間最多是1000小時，這便可以看出，和國外同種產(chǎn)品相對比，在使用性能方面國產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床依然存在一定的不足。所以，對于促成真正意義上的中國數(shù)控企業(yè)，國產(chǎn)數(shù)控技術(shù)首先應(yīng)實現(xiàn)對民族品牌的有效打造，從而實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)移以及與市場形成更加快速的技術(shù)連接，同時也可以對國外的一些先進(jìn)技術(shù)管理制度予以引進(jìn)。

2 ?航空制造業(yè)中國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用分析

2.1 典型飛機(jī)零件的特征

比較典型的飛機(jī)零件在進(jìn)行數(shù)控加工的過程中，通常分成機(jī)身機(jī)構(gòu)件的加工與發(fā)動機(jī)關(guān)鍵性部件的加工兩個組成部分。

飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)件通常包含框、梁、筋、滑軌等相關(guān)組成部分，這些結(jié)構(gòu)起到了發(fā)動機(jī)、機(jī)翼、起落架等結(jié)構(gòu)的有效連接作用，保證了飛機(jī)的完整性。機(jī)身結(jié)構(gòu)件存在以下特點：①梁類零件通常都是細(xì)長且扁平的部件，具有較大的抗扭剛度和加強(qiáng)的抗彎性能，輪廓尺寸相對較大，部分梁類零部件的長度可以長達(dá)13m，毛坯是由鋁合金與板材相互擠壓而成。②框類零件主要結(jié)合應(yīng)用途徑的不同，分成隔框、腹板框和加強(qiáng)框等。其中加強(qiáng)框具有較大的框距，例如，大型運輸機(jī)所具有的框距通常在300-500mm范圍內(nèi)，框的總體重量在機(jī)身機(jī)構(gòu)重量中占據(jù)27%-29%的比例。關(guān)于隔框，其結(jié)構(gòu)形式可以分成構(gòu)架式框和環(huán)形鋼框等，其加工往往都是應(yīng)用模鍛毛坯，為了有效保證腹板相應(yīng)的剪切穩(wěn)定性，一般會對加強(qiáng)型材予以應(yīng)用。③機(jī)身的蒙皮促使其形成了相應(yīng)的氣動外形，應(yīng)保證表面較好的光滑性，一般都是應(yīng)用鋁合金材料。針對Ma超過3的飛機(jī)，受熱影響比較大的區(qū)域范圍中，一般都是應(yīng)用鈦合金材料，蒙皮實際應(yīng)由的厚度需要依照進(jìn)行工藝的特點、經(jīng)濟(jì)性和載荷等眾多方面的要求予以充分考慮。④由于滑槽和接頭等關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)剛度很大，且存在著相當(dāng)?shù)闹貜?fù)性，因此一般都是使用整體的毛坯尺寸件[3]。由于剛度很大，且表面比較平滑，在進(jìn)行機(jī)械加工之后，若是存在著毛刺等相關(guān)缺陷問題，就不可能通過人工的加工方法進(jìn)行消除。⑤由于肋板與鋼筋等關(guān)鍵零件的變斜角角度比實際變動大，因此原材料上相應(yīng)的去除工作量也很大，材料上一般都是應(yīng)用鋁合金，但也有一些使用鈦合金和不銹鋼等相關(guān)材質(zhì)。

對于飛機(jī)的發(fā)動機(jī)來說，其中比較主要的部件主要包括各種類型的葉片、整體葉盤與等。在這其中，具有比較大的尺寸，剛性結(jié)構(gòu)比較弱，具有壁薄的特點，其型面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但對于精度的要求比較高，因此加工更加困難。譬如，某一型號大型的大型相應(yīng)的外形尺寸一般為？準(zhǔn)1823.5mm×546mm，最薄壁只有3mm;對于飛機(jī)葉片而言，其型面比較復(fù)雜，具有較高的強(qiáng)度，通常需要使用耐高溫的鈦合金材料，例如，某大型寬弦空心風(fēng)扇葉片所應(yīng)用的結(jié)構(gòu)是、帶和的結(jié)構(gòu)，直徑超過？準(zhǔn)1600mm，使用質(zhì)量比較輕的樹脂基材料或是鈦合金材料;對于整體葉盤，其是比較典型的薄壁類零件，通道比較窄，但具有一定的深度，具有較大扭曲度，但開闊性相對比較差，在受到外力作用時比較容易出現(xiàn)變形的情況，不準(zhǔn)許出現(xiàn)缺陷與裂紋的情況，實際加工中應(yīng)使用精密數(shù)控立車和數(shù)控臥車等機(jī)床進(jìn)行加工，同時加工機(jī)床應(yīng)具有較為良好的剛性和較高的定位精度。

2.2 典型飛機(jī)零件的加工

結(jié)合典型飛機(jī)零件的結(jié)構(gòu)性特點，實施加工工藝的設(shè)計，主要根據(jù)相應(yīng)的工藝流程進(jìn)行零部件的加工與制造。本文針對機(jī)身結(jié)構(gòu)中的發(fā)動機(jī)整體葉片與關(guān)鍵接頭的加工進(jìn)行舉例說明，闡述實際所采用的加工方法。

首先，整體葉盤加工。這種結(jié)構(gòu)是輪盤和葉片的組合，無需使用榫頭與榫槽予以連接，這樣葉片所具有的結(jié)構(gòu)也變得更加緊湊，相應(yīng)的渦輪、壓氣機(jī)等一些轉(zhuǎn)動性部件的質(zhì)量便會有所減輕[4]。針對整體葉盤的加工，一般都是予以鍛件加工，也就是所說的五坐標(biāo)數(shù)控加工的一種方式。詳細(xì)的加工路線如下：進(jìn)行材料復(fù)核檢查前的相關(guān)準(zhǔn)備-半粗加工-進(jìn)行孔加工-輔助性加工。實際進(jìn)行加工中，應(yīng)用開槽的加工方式，針對大部分進(jìn)行了有效去除，采用對稱削葉片的方法，實現(xiàn)了對粗加工和半精加工葉片內(nèi)應(yīng)力非對稱釋放等相關(guān)問題的有效控制，采用葉盤葉片前后緣加工誤差補(bǔ)償技術(shù)，使得葉片形狀、位置和尺寸差等相關(guān)問題得到了較為有效的處理。

其次，接頭類零件的加工。就機(jī)身的接頭來講，主要的作用是用于機(jī)身有關(guān)部件與機(jī)身及其他部件相互間的連接。對于這種零部件而言，其自身結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性，協(xié)調(diào)難度相對比較大，同時剛性不足，工藝加工流程比較多，需要較長的加工時間。從飛機(jī)潔身來來，機(jī)身及尾翼所采用的零件接頭材料一般都是低合金超高強(qiáng)度鋼與300M鋼，機(jī)身和其余部件之間采用的結(jié)構(gòu)大部分是LC4、LD5等。例如，接頭類零件的毛坯通常選用模鍛件，加工工序遵循集中性的原則，通過加工技術(shù)要求的相關(guān)分析、定位基準(zhǔn)的選取、輔助性加工工藝安排等相應(yīng)工藝處理后，便完成了對接頭類零件加工工藝的設(shè)計。實際加工制造中，接頭處頭部耳片槽和兩側(cè)面的加工應(yīng)用-半精銑--精加工的方式予以實現(xiàn);在對頭部外形進(jìn)行實際加工的過程中，應(yīng)用粗銑-半精銑等相關(guān)加工處理方式;針對頭部位置耳片上孔的加工應(yīng)用鉆-熱處理-的加工方式。

3 ?國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)完善方法

3.1 車銑復(fù)合加工技術(shù)的完善

該項技術(shù)是一項較為先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)，可以有效提高生產(chǎn)加工效率，同時加工精度比較高，在航空制造業(yè)中獲取了比較普遍的應(yīng)用，所以針對這項技術(shù)的相應(yīng)加工工藝予以改進(jìn)，能夠有效加強(qiáng)相關(guān)設(shè)備的使用性能[5]。首先，完善加工方案決策技術(shù)。先從與加工方案相關(guān)的知識庫中調(diào)用所使用加工方案的有關(guān)信息，之后在和知識庫中所給出的有關(guān)屬性值與特征數(shù)據(jù)信息之間相互比較，最后再與所采用的加工材料、熱處理等多個方面的信息進(jìn)行匹配，這樣便能夠得到符合現(xiàn)實要求而且相對合理的加工方案，并選擇了最優(yōu)化的加工工藝方式作為具體的加工決策結(jié)果，這樣便使得加工方案決策技能的改進(jìn)獲得了更加合理的實現(xiàn)，也使得加工方式設(shè)計技術(shù)越來越具有現(xiàn)代化水平。其次，完善工步排序技術(shù)。從工業(yè)產(chǎn)品特征之間比較簡單的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)與工藝知識準(zhǔn)則來看，應(yīng)用人工智能技術(shù)對工藝順序的相關(guān)性予以分析和研究，設(shè)置對應(yīng)的工步有向圖，同時借助有向圖所具有的表現(xiàn)形式針對工步相互間所具有的關(guān)系予以呈現(xiàn)，這樣便會令相同工步間所對應(yīng)的工藝時間誤差是最小值，明顯縮減了刀架的等待時間，通過與此確保了工藝排序技術(shù)更加合理改進(jìn)的有效實現(xiàn)。最后，完善碰撞檢測技術(shù)。可以充分應(yīng)用雙基層次包圍盒及其對應(yīng)的碰撞檢測方式，針對車銑復(fù)合工藝方案中可能會發(fā)生的撞擊狀況進(jìn)行了實時性的跟蹤測量，從而可以在較短的時限中提出其中不引起事故的相應(yīng)對象，同時利用了雙基時差定位的方法提高檢測結(jié)果所具有的準(zhǔn)確度，進(jìn)而提高了測量的有效性，從而助力于工藝設(shè)計工作者在第一時間內(nèi)完成了工藝方案或是運動參數(shù)的正確調(diào)整，提高了修正效果，實現(xiàn)了碰撞檢測技術(shù)進(jìn)步的高效實現(xiàn)。

3.2 可靠性技術(shù)的改進(jìn)

要想保證國產(chǎn)數(shù)控技術(shù)更加可靠的發(fā)展，應(yīng)由可靠性建模、可靠性設(shè)計和故障分析等眾多層面入手。首先，借助修復(fù)如舊的假設(shè)與都能時間動態(tài)相應(yīng)模型的創(chuàng)建，可以使得機(jī)床的可靠性模型更加真實，也能夠為數(shù)控機(jī)床相應(yīng)的可靠性設(shè)計提供一定的參考依據(jù)[6]。然后，通過對數(shù)控車床故障數(shù)據(jù)分析及相關(guān)應(yīng)用的研究開發(fā)，以實現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床故障數(shù)據(jù)分析信息的管理與安全性評價等多個方面功能的良好實現(xiàn)。再次，通過相對完備的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，對可靠性分配設(shè)計和以故障分析未出的可靠性增長設(shè)計進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以促進(jìn)機(jī)床可靠性管理綜合理念與方式的相應(yīng)完善。最后，通過對各裝置可靠性機(jī)理與現(xiàn)存關(guān)鍵技術(shù)的合理總結(jié)，對已存在工況模擬能力的可靠性試驗體系加以研究，以便提高機(jī)床上關(guān)鍵部件所具備的可靠性。

3.3 刀具切削效率的提高方法

要想使數(shù)控機(jī)床及相應(yīng)的刀具切削加工效能獲得相應(yīng)提高，就必須從以下兩個層面著手：一方面，大力推廣使用較為成熟、領(lǐng)先且更加適用的高新磨削技術(shù)，并促進(jìn)各類新刀具結(jié)構(gòu)、新磨削工藝技術(shù)和切削材料的研究開發(fā)。另一方面，加強(qiáng)工藝水平，降低刀具的實際損耗，可以通過對某些典型零件原本工藝流程的分解，并選擇配置相對合理的加工工具，對相關(guān)的走刀路線進(jìn)行優(yōu)選，降低走刀的實際次數(shù)，對相關(guān)切削參數(shù)加以優(yōu)化處理，從而實現(xiàn)降低對于刀具實際消耗量的效果。

4 ?航空制造業(yè)今后對于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的需求

4.1 大型高精度數(shù)控機(jī)床和五軸聯(lián)動臥式加工機(jī)床

目前，對于一些大型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件而言，很多長度均超過20m，相應(yīng)的表面粗糙度是1.6，這也促使加工朝向更加精密化方向發(fā)展，機(jī)型朝向大型化方向發(fā)展。德國制造的高精度五坐門銑床，研制了適合機(jī)械工作空間誤差的補(bǔ)償KMD控制系統(tǒng)。與此同時，對相應(yīng)的工作區(qū)域，使得恒溫控制系統(tǒng)得到了較為良好的實現(xiàn)[7]。此種狀況下，機(jī)床在2.5m×9m×1.5m工作空間的范圍中定位精度便能夠?qū)崿F(xiàn)1.6μm/m3。另外，就當(dāng)前飛機(jī)結(jié)構(gòu)件而言，其在加工中的材料去除率為95%。在進(jìn)行立式機(jī)械加工的過程中，由于在高速切削狀況下所產(chǎn)生的許多切屑比較易在零件的表層進(jìn)行積累，導(dǎo)致零部件需要進(jìn)行二次切削，使得加工的質(zhì)量受到一定影響，而臥式機(jī)床因為其較好的特性，以及擁有相應(yīng)的柔性加工單元等諸多的優(yōu)點，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工中的應(yīng)用也將顯得更加具有普遍性，在今后對航空結(jié)構(gòu)件的機(jī)械加工中。臥式機(jī)床所占有的比例也將更大。

4.2 鈦合金高效與復(fù)合材料加工機(jī)床

當(dāng)前，現(xiàn)代飛機(jī)的制造中，鈦合金和碳纖維作為代表的相關(guān)復(fù)合型材料的應(yīng)用所占據(jù)的比重較大。在鋁合金材料高速加工問題大體已經(jīng)得以解決的情況下，鈦合金和復(fù)合型材料的加工將變?yōu)榻窈蠛娇罩圃炱髽I(yè)的重要任務(wù)。因為切削性能相對較差，鈦合金的實際切削效率一向都比較低，怎樣確保這種材料的高效加工是目前航空制造企業(yè)應(yīng)予以關(guān)注的一個問題，可以從高效的加工工藝和加工設(shè)備等層面著手，其中高效的加工設(shè)備是基礎(chǔ)性保障。復(fù)合型材料的加工重點應(yīng)予以解決的是污染方面的問題，和金屬材料有所不同的是，在針對復(fù)合型材料進(jìn)行高速切削處理的過程中，會有很多的粉塵形成，會給人體和機(jī)床帶來比較大的損傷。所以，航空制造企業(yè)中使用復(fù)合型材料加工及具有較好防護(hù)性能加工設(shè)備方面具有較為迫切的需要。

4.3 自動化生產(chǎn)系統(tǒng)和滿足數(shù)字化制造需求的設(shè)備新型功能

為了能夠有效提升實際制造效率，降低零件加工中所產(chǎn)生的品質(zhì)風(fēng)險，具有加熱、運輸?shù)戎T多功能的自動制造系統(tǒng)已經(jīng)問世。當(dāng)前，國外飛機(jī)制造企業(yè)的柔性生產(chǎn)線已經(jīng)得到了相當(dāng)普遍的運用，國外的部分飛機(jī)生產(chǎn)公司在活性碳纖維蒙皮工藝中開始使用了集清洗和輸送等多個方面功能為一體的自動制造系統(tǒng)，提高了零件相應(yīng)的機(jī)械加工效能，實現(xiàn)零部件相對良好的機(jī)械加工品質(zhì)[8]。除此之外，數(shù)字化生產(chǎn)過程中，對于機(jī)床所處區(qū)域相應(yīng)的環(huán)境，也應(yīng)實施實時性監(jiān)測，同時機(jī)床也應(yīng)可以對零件加工的流程和當(dāng)前機(jī)床的工作狀況相關(guān)信息加以收集，此種狀況下，便對機(jī)床提出了更進(jìn)一步的要求，需要具備零件在線測量和刀具自動測量等眾多方面功能。

5 ?結(jié)束語

伴隨現(xiàn)代飛機(jī)性能的逐漸提高，飛機(jī)零部件也逐漸朝向新型材料、整體化等趨勢進(jìn)行發(fā)展。事實上，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床具有諸多方面的優(yōu)勢特點，相比較于國外數(shù)控機(jī)床不遠(yuǎn)萬里進(jìn)入中國市場來講具有著比較明顯的優(yōu)勢。我們比較欣慰的看到，相較于國外數(shù)控機(jī)床而言，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在性價比和售后服務(wù)等眾多方面都存在著絕對性的優(yōu)勢，從產(chǎn)品的可靠性以及質(zhì)量等層面來看是不會遜于任何一個國外廠家產(chǎn)品的。眾所周知，就航空制造企業(yè)而言，相關(guān)設(shè)備的更新?lián)Q代速度是比較快的，耗能較大、產(chǎn)能較小的設(shè)備必將會遭受市場的淘汰，可以對其實施相應(yīng)的技術(shù)性改造，這是一個具有較大發(fā)展?jié)摿Φ氖袌觥Ａ硗?，這也是國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床進(jìn)駐航空制造業(yè)的一個良好契機(jī)，牢牢抓住機(jī)會，是國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床重新打造自我、沖出重圍的關(guān)鍵。

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