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航空產品與機床(chuáng)設備相互影響(xiǎng) 發展密不可分
2015-4-16  來源(yuán):中航工業(yè)沈陽黎明航(háng)空發動機   作者(zhě):
  航空產品的性能、質量與生產效率是與其製造裝備(bèi),尤其是(shì)機床設備的發展密不可分的。一般說來,產品的設計以用戶與市場需求(qiú)為導向,但設計目標能否(fǒu)最終(zhōng)實現(xiàn),受到裝備與製造工藝水平的(de)製(zhì)約。航空產品也是如此。航空零部件普遍具有十分複(fù)雜的(de)幾何結構、較高的精度和檢測要求,同時大量使用鈦合金、高溫合金、不鏽(xiù)鋼、高(gāo)強度鋁合金、複合材(cái)料等高性能材料,以保證航空(kōng)產品對於其使用(yòng)性能及環境、強(qiáng)度(dù)與重量的特殊要求。這些零(líng)部件從製造到檢測對於其製造工藝與裝備有著很高的要(yào)求。同時伴隨著(zhe)科學技術的日新月異,麵對風雲變幻的國際形勢和瞬息萬(wàn)變的市場,過去長達10~15年的航空產品研製(zhì)周期已(yǐ)經不能滿足(zú)現今的客戶需(xū)求。這就要求航空製造企業必須對市場的變化有快速(sù)反應的能力,盡量縮短產品的(de)研製周期,並能夠對預研產品(pǐn)有足夠的預驗證能力。這些也對航空產品製造裝備以及相配(pèi)套的軟硬件條件提出更(gèng)高的需求。
   
  航空產品與機床設備發展的相互影響可以從兩個方麵來分析:一方麵,對於航空產品設(shè)計性能的不斷追求,促進了相關多種技術和裝備的發展。如熔模鑄(zhù)造、粉末冶(yě)金、數(shù)控、在線檢測等。而(ér)這(zhè)些技術和裝備的廣泛應(yīng)用,又促進了其他行業(諸如機械設備、交通運輸、醫療、消費等)水平的普遍提高;另一(yī)方麵,相關技術裝備、材料工藝及配套軟硬件技術的提升以及新(xīn)裝備新技術(shù)(如無餘量加工、增材製造、FMS、PDM、MBD技術)的普遍(biàn)應用,又反過來影響(xiǎng)和改變著航空產品的設計模式,不(bú)但使以前無法實現的設計(jì)得以實現(xiàn),而且不斷促進(jìn)產品設計性能和製造水平的提(tí)升。
   
  毛料精化與無餘量製造機床(chuáng)設備
   
  航(háng)空產(chǎn)品毛料對成品質量有著至關重要的影響。由於(yú)航空零件普(pǔ)遍結(jié)構複雜、精(jīng)度(dù)要求高,傳統的毛料製造技術往往無法滿足其表麵尺寸與(yǔ)精度要求(qiú)。很多(duō)表麵在(zài)鑄造和鍛造成型之後還需要由機械加工(gōng)來完成,如發動機輪盤(pán)、壓氣機葉片等。由於航空零件大量采用造價昂(áng)貴的難加工材料,較大的毛料(liào)餘量不但造成材(cái)料的浪費(fèi),而且使航空產品機械加工的效率十分低(dī)下。同時,機械加工本身會破壞(huài)毛料原本內部金屬(shǔ)流線的完整性,並釋放內部(bù)應(yīng)力,造成零件(jiàn)變形,對產品(pǐn)的最終質量產生不利的影(yǐng)響。因此,航空產品對於毛料製(zhì)造的精化、細化及無餘量製造技術及裝備產(chǎn)生(shēng)廣泛的需求。
  
  近幾年來,毛料的精化、細化技術日臻完善。精(jīng)密鑄造工藝設備不涉及機床概念,在此不加討論。無餘量精密鍛造技術采用高精度的鍛造機床設備、完善的檢(jiǎn)測和輔助(zhù)處理工藝,可使發動機鍛造(zào)葉片型麵及(jí)緣(yuán)板麵達到(dào)無餘量狀態。該技術的應用可提高鍛件尺寸精度,保證葉片內部金屬流線的完整性,提高產品可靠性,同時降低葉片(piàn)加工成本,提高葉片的生產效率。精密冷輥軋機床設備不僅(jǐn)使加工技術簡化,更重要的是可使葉片的機械(xiè)性能、產(chǎn)品質量和使用性能得到提高,有利於葉片材料潛在性(xìng)能的發揮。
  
  近年來,粉末(mò)冶金材料和工藝開始廣泛(fàn)應用於航(háng)空產品,如(rú)發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤、飛機結構(gòu)件等的製造。粉末冶金技(jì)術的關鍵在於粉末的製備以及零件的成形和(hé)致密化(huà)技術。合金(jīn)粉(fěn)末一般采用熱等靜(jìng)壓、熱擠壓、噴射成形、快速成形和注射成形等工藝進行成形和致密化。其中激光快速成型工藝又稱3D打印,也稱為金屬材料增材製造技術,以區(qū)別於以塑(sù)性加工工(gōng)藝為代表的等材(cái)製造和以機械加工工藝為(wéi)代表的(de)減材製造。該技術是以金屬粉末、顆粒(lì)或金(jīn)屬絲材為原料,通過CAD模型預(yù)分層處理,采用高功率激光束熔化堆積生長,直接從CAD模型一步完成高性能構件的“近終成形”。3D打印設備(bèi)雖然沒有被明確稱為機床,但是具(jù)備機床這一概念所具(jù)備的一切(qiē)特征。同時將其功能融入現有的數控機床設備也是機床行業近年來(lái)努力的一個方向。
  
  增材製造技術以其(qí)靈活多樣的工藝方(fāng)法和技術優勢(shì)在現代航空產品的研製與開發中具有獨特的應用前景。在航空製(zhì)造領域中(zhōng),難加工材(cái)料、複雜型麵的(de)結構(gòu)件等都可以很好地采(cǎi)用增材製造技術實現高精度(dù)加工(gōng)。由於沒有傳統機加工藝對於刀具的可達(dá)性限製以及鑄造及塑(sù)性加工中的脫模限製,3D打印幾乎可(kě)以(yǐ)實現能(néng)夠在CAD中設計的任何結構形式,從而產生全新的設計,如圖1所示。同時,由(yóu)於3D打印幾乎不需要傳(chuán)統工藝需要(yào)的夾具、模具製造等工藝準備環節,可以大幅度縮短航空(kōng)產品的研製周期,提高快速響應能力。
    

  
圖1使用3D打印製造的全新設(shè)計航空零件

    
  數(shù)控設備與柔性(xìng)製造
    
  盡(jìn)管隨(suí)著新型航空材(cái)料與成(chéng)型技術的不斷應用,機械加工在航空產品製(zhì)造工藝中的(de)比重有減少的(de)趨勢,但是對於高精度尺寸和表麵特征,切(qiē)削加工仍然是無法替代的加工手段。同時,隨著航空(kōng)零部件中新材料(liào)和新結構的不(bú)斷應用,機械加工的難度也在不斷增加。
  
  與其他尖端製造(zào)行業一樣,航空產品加工所使用的數控機床正朝著高速化、精密化、智能化、綠色化等方向發展。自20世紀90年代初(chū)以來,各國相繼推(tuī)出了許多主(zhǔ)軸轉(zhuǎn)速10000~60000r/min以上的數控機床。高速加工技術的應用縮短了切削時間和輔助時間,不僅可以(yǐ)提高生產效率,還可以(yǐ)改(gǎi)善(shàn)加工質量,已成為機床技術重(chóng)要的發展方向。同時,通過(guò)優化機床的結構,提高了製造和裝配的精度,減少了數控和伺服係統的反應(yīng)時間。采用溫度、振動誤差補償等技術(shù),提高了數控機(jī)床的幾何精度、運動精度等。
  
  隨著人們(men)環境保護意識的加(jiā)強,對環保的要求越來越高。不僅要求在機床(chuáng)製造過(guò)程中不產生對環境(jìng)的(de)汙染,還要(yào)求在機床的使用過程中不產生二次汙染。在這種形勢下,裝備製造領域對(duì)機床提(tí)出了(le)無冷卻液、無潤(rùn)滑液、無氣味的(de)環(huán)保要求,機床的(de)排屑、除塵等裝置也發生了深刻(kè)的變化(huà)。上述綠色(sè)加(jiā)工工藝愈來愈受到機械製造業的重視。
  
  (1)數(shù)控設備的(de)集成(chéng)化與(yǔ)智能化。
    
  數控(kòng)設(shè)備的集成化包括將多(duō)種機械加工工藝集成於一台數控機床或者在數控機床設備中(zhōng)融合其(qí)他加工或檢測(cè)等工(gōng)藝技術。複合加工是機械加工(gōng)的重要發展方向之一。其中車銑複合加工是最具有代表性的技術領域。車銑中心具有多軸聯動功能,能夠完成任意角度的車削、銑削(xuē)、鑽削、鏜削(xuē)、滾(gǔn)齒(chǐ)、攻、鉸、擴等任務(wù),具有(yǒu)高柔性、多任務的(de)特點。在單件和成批生產中均可獲(huò)得較(jiào)高的關聯加工尺寸精度、大大縮短加工輔助時間,是加工精密、複雜回轉零件的(de)理想設備。它對於提高航空回轉關鍵零部(bù)件的製造精度及(jí)縮短(duǎn)製造周期有著(zhe)重(chóng)要的作用。在線測量通過將檢(jiǎn)測技術融於數控加工的工序過程中,可以避免脫機檢測返(fǎn)修帶來的(de)二次裝夾定(dìng)位,解決零(líng)件製造中(zhōng)通用工裝和專用(yòng)工裝無法(fǎ)測量部位(wèi)的測量,顯著提升加工效率,保證加工質量(liàng)。在航空產品研(yán)製和(hé)生產中,可以對正在加(jiā)工中的零部件進行及時的修正與補償,以消除廢次品的產生。
  
  智能化的內容包含在數控係統中的各個方麵:為追(zhuī)求加工效率和加工質量方麵的智能化,如加工(gōng)過程的自適(shì)應控製、工藝參(cān)數自動生成;為提高驅動性能及使用連接(jiē)方便的智能化,如前饋控製、電動機參數(shù)的(de)自(zì)適應運算、自動識別負載、自動選定模型、PID參數(shù)自整定等;簡化編程、簡化操作方麵(miàn)的智能(néng)化,如智能化的自動編程、智能化(huà)的人機界麵等(děng);還有智(zhì)能診斷、智能監(jiān)控方麵的內容(róng)、方便係統的診斷及維修等。
  
  自適應控製技術通過在加工過程中,根據采集到的電機扭矩、主軸振動等機床(chuáng)運行狀態信息,進行機床的自我調整和控製,以此保證機床的正常加工和運行,保持機(jī)床以最佳動態性能加工零件(jiàn)。這(zhè)樣既提高了設(shè)備(bèi)生產效率,又保證了加(jiā)工精度。智能化故障診斷技術(shù)包括機床信號數據采集和監控(kòng)、數據傳輸(shū)和智能化人機(jī)界麵設計開發等內(nèi)容。根據數控機床(chuáng)故障機理分析(xī),選擇能反映機床特征的(de)信號,通(tōng)過在機床關鍵部件安裝不同類型傳(chuán)感器,進行機床特征信號的采集,經處理後進行可視化界麵監控。智能化實時(shí)補償技(jì)術通過外接傳感器,采(cǎi)集主軸在軸向和徑向的熱膨脹伸長誤差,通過對這些誤差數據分析處(chù)理,進行實時補(bǔ)償,提高機床加工精度[3]。
  
  (2)生產線與製造裝備的柔性(xìng)化。
    
  所謂柔性製造,傳統(tǒng)意義上是指用可編程、多功能的數控機床設備更(gèng)換剛性自動化機床設備,用易編程、易修改、易擴展、易更換的軟件控製代替剛性聯結的工序過程,使剛性生產線實現軟性(xìng)化(huà)和柔性化,能夠快速響應市(shì)場的需(xū)求,完成多品種、中小批量的生產任務(wù)。柔性製造係統(FMS)中的柔性具有多種涵義、除了加工(gōng)柔(róu)性外、還包括擴展的(de)柔性、工藝的柔性、批量的柔性、設備(bèi)的柔性(xìng)、產品的(de)柔性、流程的柔性以(yǐ)及生產的柔性。圖2為(wéi)大型飛機的柔性生產線。
    

    
圖2大型飛機的(de)柔性生產線
    

  航空產品尤其是飛機和發動機的一些關鍵零件,由(yóu)於其結構的特殊性,往往采用較為分散的工序和(hé)較長的生產線。在柔性製(zhì)造技術研究的早期,由於數控(kòng)機床設備本身功能和性能以及配套軟硬件條件的(de)限製,柔(róu)性製造係統必須(xū)在較大的生產線級別(bié)和較大投資水平上才可以實現。對於航空產(chǎn)品來說(shuō),僅在成熟產(chǎn)品和實力十分雄厚(hòu)的航空製造企業獲(huò)得了有限的實際應用。隨(suí)著(zhe)數(shù)控設(shè)備及相關信息化(huà)技術的(de)發展,以(yǐ)占地麵積小(xiǎo)、成本(běn)低、功能完(wán)善為特點的柔性製造單元(FMC)得到了長足發展和應(yīng)用。通過工序集(jí)中,在較小的柔性製造單(dān)元中完成大部分在較長生產線中才能完成的加(jiā)工工序。而柔性加工機床更是將柔性製造單元集中到一台設備(bèi)中,可以在一台設備中完成零件從毛料到成品的大部分加工(gōng),柔(róu)性組合機床如圖3所示。對於一些小型(xíng)航空零部件的快速研製(zhì)有著十分重要的價值。
    

  
圖3柔性組合機(jī)床

    
  除了機床設備的柔性,輔助工藝裝備(如夾具等(děng))的柔性(xìng)也是重要的一環。柔性夾具是以組合夾(jiá)具為基礎的能適用於不同(tóng)機床、不(bú)同產品或同一產品不同規格型號的機床夾具。由預先製造好的各種不同形狀、不同尺寸(cùn)規格和不同功能的係列化、標準化元件、組件和合件拚裝而成。夾具(jù)元(yuán)件通(tōng)過組裝—使用—分解—再組裝周而複始循環(huán)使用,可(kě)以大量減少製造夾具材料、動力消耗,降低(dī)其製造費用(yòng),減少夾具的設計、製造、調節時間。與專用夾具相比較,柔性夾具元件具有明顯的技術經濟效果,適用(yòng)於多品種、小批量生(shēng)產以(yǐ)及FMC、FMS和CIMS等加工係統。
  
  信息化與虛擬機(jī)床(chuáng)
    
  隨著信息化技術的發展,航空產品的研製也正在從實體製造驗證(zhèng)向虛擬(nǐ)製造(zào)驗證(zhèng)的方向轉(zhuǎn)變。虛擬製造是一種廣義概念,但從習慣性和狹義角度也可將虛擬(nǐ)製造理解為:利用虛(xū)擬現實(shí)技術在(zài)計(jì)算機上(shàng)完成產品的成(chéng)型、加(jiā)工和裝配過程。虛擬製造技術的發展填(tián)補了CAD/CAM技術和生產管理活動之(zhī)間的鴻溝,使人們在真實產品生(shēng)產前,就可以在計算機上虛擬地進行產品成(chéng)型、加工、裝配和測試,減(jiǎn)少試切、試裝次數,及時發(fā)現工藝過程、作業計劃(huá)、生產(chǎn)調度及加工質量方麵的問題。虛擬加工實現的關鍵是在提供的虛擬工(gōng)作環境下,對不同的加工方法建立由機床、刀具、工裝組成的(de)加工係(xì)統的運動學、動力學模型及誤差分析模型。虛擬裝配利用(yòng)VR技術構建的多(duō)模式(包括視、聽、觸等)交互裝配仿真環境,由(yóu)裝配規劃人員交互地建立產品(pǐn)零部件的(de)裝配順序和裝配路徑及確定工、夾具和安裝(zhuāng)方法,可視化地比較不同(tóng)的裝配工(gōng)藝過程,在不進(jìn)行實物試裝的情況下,人機協同(tóng)地對產品(pǐn)的(de)可裝配性問(wèn)題進(jìn)行全(quán)麵、精確的檢查和分析,盡可能早地發現並解決潛在的裝配問題。
  
  虛擬(nǐ)機床是使用軟件元素工具包構建的,包(bāo)括機床的三維模型、加工(gōng)仿(fǎng)真軟件(jiàn)、軟件內核和控製器的人機界麵軟件。虛擬機床能減(jiǎn)少機床的非生產性時間。虛擬機床的成本僅相當於實際機床的零頭(tóu),但非常逼真,可以用於減少實際機床的非生產時間。利用虛擬機床技術,可以提(tí)高加工效率(lǜ),保證數(shù)控編程(chéng)質量,減少數控技術人員與操作人員的工作(zuò)量和(hé)勞動強度,提高數控(kòng)編程製(zhì)造加工一(yī)次(cì)成功率(lǜ),縮短產品設計和加工周期,提(tí)高生產效率。
  
  傳(chuán)統航空產品製造是以二維工程圖紙為依據。隨著數控及CAD/CAM等相關軟硬件技(jì)術(shù)的發展(zhǎn),大量新產品研製都已引入二維和三維結合的數字化製造技術。但從產品設計(jì)、工藝工裝、數控編程及檢測等環節中僅包(bāo)含幾何信息(xī)的三維數字模(mó)型的應(yīng)用效果並不理想,其重複工作量大,數據不唯一。基(jī)於模型定義(MBD)技術通過集成的三維實體模型來完整表達產品信息(xī),詳細規定了三維實體模型中產品的尺寸、公(gōng)差標注規則和工藝信息。全麵實施MBD對於提升航空產品製造(zào)水平、縮短製造周期、降低製(zhì)造成本、提高產品質量有著重(chóng)要意義(yì)。產品數據管理(PDM)則是對企業全生命周期產(chǎn)品數據、資源與業(yè)務流程進行整體優化(huà)管理的(de)一種(zhǒng)信息技術(shù),是(shì)產品數字化製造的技術平台。它以產品數據為核心,是其他各種軟件工具(jù)和分析、管(guǎn)理工作的(de)集成環境與基礎。它能提供(gòng)一種結構化的方法,有效、有(yǒu)規則地存取、集成、管理、控製產品數據和數據的使用流程。PDM係統提供(gòng)的版(bǎn)本管理(lǐ)功能能夠保證所有參加(jiā)同一項目(mù)的員工采用單一數據來工作,並且是及(jí)時和最新的數據,確保設計過程數據的一致性,減(jiǎn)少設(shè)計中重複和更改次數。
  
  綜上(shàng)所述,航空產品與機床(chuáng)設備的發展是一種相互依存且相互促進(jìn)的關係。從100多年前第一(yī)架飛機升空飛行(háng)伊始,人類從來沒有停止過探索飛行奧秘的腳步。對於航空產品性能的不斷追求對機床設備在精密、高效、環(huán)保與智(zhì)能化(huà)等方麵提出了更高(gāo)的(de)要求。同時,各類新技術及新工藝的不斷(duàn)應用也在不斷推(tuī)進航空產品與機床設備技術水平(píng)的提升,從而促進社會整體科技水平的不斷進步。
   
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