數控加工技術在大飛機研製生產中的應用
2013-5-12 來源： 作者：
數（shù）控加工技術以其效率高、質（zhì）量好、穩定性強等優點得到了製（zhì）造企業的廣泛青睞（lài），近年來隨著國內外數控工藝裝（zhuāng）備（bèi）和數控工藝技術的快速（sù）發（fā）展，數控（kòng）加工技（jì）術得到（dào）了廣（guǎng）泛（fàn）普及應用（yòng），尤其在飛機機體零部件的製造中發揮著舉足輕重的作用。我國大型飛機項目的立項對飛機（jī）機體製造企業和裝備製造企業來說既是難（nán）得的（de）曆史機遇，也是圓國人大飛機夢想的（de）曆史性挑戰，本文就數控（kòng）切削加工技術在大飛機研製中的應用進行初步的探討。
一.大飛機數控加工的技術需求
1.典型零件（jiàn）的數控加工工藝技（jì）術
大飛機零件具有外廓尺寸大、結構複雜、重量（liàng）輕（qīng）的特點，在多個對接部位或活動麵處有（yǒu）精度要求較（jiào）高的（de）多麵體接頭類零件。同時，隨著新型材料技術的不斷發展和飛機整（zhěng）體強度（dù）重（chóng）量比設計要求的不斷提高，複合（hé）材（cái）料在大飛機中的用量也越（yuè）來越大。大飛（fēi）機零件的這些特點對數控（kòng）加工工藝（yì）技術提（tí）出了一（yī）係列新的要求。
典型的整體零（líng）件包（bāo）括（kuò）機翼蒙皮壁板、機身蒙（méng）皮壁板、機翼大梁、翼肋等，此類零件一般選用2000係列或7000係列（liè）鋁合金預拉（lā）伸板材，部分翼肋零件采用鋁合金型材類原材（cái）料，零件除外廓尺寸（cùn）大以外，還呈（chéng）現多槽腔、單側或雙側理論外形等的結構特點。壁板類零件一般帶有單側飛（fēi）機理論外形、單側結構，加工過程中需進行噴丸或滾彎成形。大梁和肋等零件一般為雙側理（lǐ）論外形、單側或雙側結構，零件結構由數控加工直接完成。該類零件除部分雙麵結構的翼（yì）肋外，其餘均為單側結構，加工過程中材料基本為單側去除，且材料去除率大。因此，大型整體零（líng）件的數控加工必須同時考慮（lǜ）複雜結構的五坐（zuò）標加工技術、高速高效加工技術和數控加工變形控製等技術的綜合應用。
典型的接頭類零件包括主起落架支撐接頭、擾流板鉸（jiǎo）鏈（liàn）接頭以及機翼與機（jī）身的對（duì）接接（jiē）頭（tóu）等，此類（lèi）零件一般采用7000係列（liè）模鍛或自由鍛鋁合金材料，零件（jiàn）高度尺（chǐ）寸大、槽腔深、空間孔的精度和位（wèi）置（zhì）度要求（qiú）較高（gāo）。此類（lèi）零（líng）件的加工難度主要在於加工變形控製、深槽腔轉角表麵質量控製和空間精度（dù）孔的數字化加工，而對於自由鍛毛料的零件來說，材（cái）料（liào）去除率也是需要考慮的因素（sù）。因（yīn）此，複雜（zá）接頭類零件需製定合（hé）理的工藝流（liú）程，同時注重（chóng）轉角插銑技術、數控鏜銑複合加工等（děng）技術的綜合應用。
碳纖維等複合材料技術的工業（yè）化應用，為大飛機（jī）的（de）設計製造帶來了一片新天地，複合材料以其高耐腐蝕性和耐疲勞性等優點，在大飛機的結構中應用越來越廣泛，如（rú）B787飛機的複合材料占整機結構重量的50％，已經徹底地由輔助材料變為主導材料（liào）。複合材（cái）料的加工除鋪帶（dài）技（jì）術和（hé）纏繞技術外，數控切邊和數控鑽孔等（děng）加工技術也不可或（huò）缺，尤其是大型整體複材構件的數（shù）控加工，其難點主要在於材料本身低的熱傳導性和定位夾緊的特殊（shū）性，因此，複合材（cái）料的數控加工主要體（tǐ）現在數控刀具及其應用技術和工裝（zhuāng）的（de）設計製造技術上。
2.高速加（jiā）工技術
大飛（fēi）機數控加工工藝技術（shù）的實現，必須依賴於（yú）滿足使用要求的先進數控設備和（hé）高質量的數控刀具，換言之，就（jiù）是（shì）數（shù）控設備必須具有大行（háng）程、高轉速、高（gāo）進給、高精（jīng）度和五軸聯動等特點；數控刀具必須滿足高動平衡（héng）等級、高剛性、良好（hǎo）的耐磨性和紅硬（yìng）性等技術要求，刀具接口技術也必須滿足高（gāo）速使（shǐ）用的（de）技術（shù）要求。
高速加工技術的成功應用是數控加工技術發展過程中的一次革命，其特點是（shì）當切削速（sù）度超過一定的臨界速度時，切（qiē）削力隨著速度的增加而減小，同時（shí）95％以上的切削（xuē）熱被高（gāo）速飛出的切屑所帶走，因此，高速加工（gōng）對提高切削效（xiào）率、抑製加工變形和提高表麵加（jiā）工質量具有無可比擬的優勢（shì）。同時，因其對加工變形控製的有利作用，也極大地簡化了工藝流程，更進一步降低了零件的加工周期。大型（xíng）、整體飛機結構件對數控加工（gōng）的技術需求主要體現在較小的加工變形和符合設（shè）計要求的（de）表麵質量方麵，同（tóng）時從降低加工成本的角度考慮還必須要求較高的（de）材料去除率。因此，高速加工技術是突破（pò）大（dà）飛機關鍵零件（jiàn）研（yán）製技術瓶頸（jǐng）的有效途徑，對降低大型零件的製造成本具有十分重要的意義。
3.數控加（jiā）工的集成應用技術
經濟性是大飛機的重要指標之一，由於數控（kòng）設備造價（jià）昂貴，大飛機的零組（zǔ）件製（zhì）造必須實現數控加工的（de）集成化（huà）應用，才能充（chōng）分發揮數控（kòng）設備和數控工藝技術的優勢，降低製造成本。CAD／CAPP／CAM集成係統、MES係統、ERP係統、DNC技術等（děng）現（xiàn）代先（xiān）進製造係統（tǒng）和（hé）技術在大（dà）飛機製造過程中的應用，將極大地降低機體製造成本，對飛機的經濟性指標起著至關重要的作用。
二.國內外飛機（jī）數控加工技術及設備的現（xiàn）狀和發展趨勢
1.發達國家飛機數控加工技術現狀
西（xī）方工業發達國（guó）家飛機製造業應用數控技術始於20世（shì）紀60年代，經過長期的技術發（fā）展和積累（lèi），應用於（yú）大飛機結（jié）構件的40M五坐標高速龍門銑床、20M五坐標高速翻板銑床等先進設（shè）備在技術上已較成熟，新型數控（kòng）刀具技術的研究應用（yòng）也處於良性循環狀（zhuàng）態（tài），這促進了數控加工（gōng）技術水平的不斷提高。以（yǐ）波音公司和空客公司為代表的飛機製造企業已（yǐ）基本實現了機加數（shù）控（kòng）化，並廣泛地采用了3C集成係統（tǒng）和DNC技術，同時，柔性生產單元和柔性生產線的應用也較為普遍，高速切削加工技術應（yīng）用水（shuǐ）平較高，基本實現了自（zì）動化、高效率數控加工。
2.國內飛機數控加工技術（shù）現狀及發展趨勢
我國飛機製造業的數控技術起步較晚，近年（nián）來在型號研（yán）製（zhì）任務的推動和國（guó）家政策的（de）支持下，國內飛（fēi）機數控加工技術（shù）的（de）研究和應用水平得到了提（tí）升（shēng）。目前，國內的各大飛機製造企業均已形成了各自的技術特色，如成飛的鋁合（hé）金結構件（jiàn）高（gāo）速（sù）加工技術、西飛的大型鋁合金結構件數控加工技術、沈飛（fēi）的鈦合金結（jié）構件數控加工技術等。同時，柔性生產等先進製（zhì）造技術也陸續得到了應用，逐步擺脫了單純發展數控加工工藝技（jì）術的“孤島”狀態。
雖然國內數控加工技術得到了快速的發（fā）展，但飛機數控加工技術的整體應用水平與發達國家相比仍存在著較大的（de）差距，主要體現（xiàn）在：
（1）高檔數控設備主要依（yī）賴進口，受進口（kǒu）設備價格昂（áng）貴以及關鍵（jiàn）技術封鎖等因素的影響，飛機零件製（zhì）造的數控化率較（jiào）低，在一定程度上（shàng）製約了飛機數控加工技術的普及和發展；
（2）高（gāo）質量的數控刀具近年來雖然也得到了快速發展，但在高質量數控刀具的製造和新型（xíng）刀具的研發等方麵仍存在差距，使用上仍然未擺脫（tuō）進口刀具占據半壁江山（shān）的局麵，這在一定程度（dù）上也影響了數控加工技術的進一步提高；
（3）3C集成、DNC、MES等先進製造係統和技術的應用起步較晚，在（zài）飛機製造業中（zhōng）仍然（rán）沒有建成真正意義上的自動化工廠，數控車間管理較為粗放，製（zhì）約了飛機數（shù）控加（jiā）工技術的集成應用；
（4）受國內飛機批量的製約，飛機製（zhì）造企業沒有一個專業化（huà）的數控加工車間，也較少采用專用化程度較高的（de）高端數控設備，生產組織和生（shēng）產準備等工作（zuò）量較大，增（zēng）加了（le）數控加工集成（chéng）應（yīng）用技術實現的難度，製約了飛機數控加工技術向更高層次的發展（zhǎn）；
（5）飛機（jī）零件數控加工切削參數庫建設仍停留在研究層麵，除部分專（zhuān）用化程（chéng）度相對較高的設備和關鍵產品以外，大量實際加工使用的切削參數（shù）均有較大的優化（huà）空間，而國內在參數優化技術及優（yōu）化工具方麵的研究應用成果甚微，製約（yuē）了數控加工應用技術水平的提高（gāo）；
（6）在飛機數控零件設計技術、數控零件檢測技術等方麵（miàn）缺乏係統的研（yán）究應（yīng）用，影響了數控技術應用過程中的效率，製約了數控加工技（jì）術的（de）發展；
（7）數（shù）控設備維（wéi）修技術水平存在（zài）一（yī）定差（chà）距，數控（kòng）設備的帶故障運行和故（gù）障後無法及時修（xiū）複等因素，也在（zài）一定程度上（shàng）影（yǐng）響了飛機數控加工技術的發展。
綜上所述，國內除了（le）在數控設（shè）備關鍵技術、數控刀具關（guān）鍵技術（shù）等方麵應加大研發力度以支持我國的大飛（fēi）機製造以外，在飛機結構件設計標準化、切削參（cān）數庫優化（huà）技術（shù）、零件檢測技術（shù）、數控設備維修技術等方（fāng）麵也需要大力開展研（yán）究應用工作，同時普及數控加工集成應用技術，不斷（duàn）提高數控車間的數字化管（guǎn）理應用水平，加快縮短與發達（dá）國家技術水平（píng）差（chà）距的步伐，滿足大飛研製生產的技術需求。
三（sān）.飛機數控加工技術（shù）及（jí）設備的應用（yòng）情況
國外飛機數控加工技術的高水平應用，使（shǐ）其（qí）大飛機的研製生（shēng）產基本不（bú）存在技術瓶頸，而高速加工技術和先進製造係統（tǒng）的集成應用也極大地降低了（le）飛機製造成本。如空客英國的BROTON公（gōng）司采用雙主軸（zhóu）、高速加工技術完成了A319飛機機翼8.8M的中後梁零件，加工過程中使（shǐ）用了INGERSOLL公司的大型五坐標翻板銑床，主軸平均使用轉速30000R／MIN，零（líng）件加工隻需一次裝夾，單件（jiàn）零件的數（shù）控（kòng）加工僅需22H；MILT公司建成的機翼梁間肋零件（jiàn）自動化加工車（chē）間，由（yóu）ECOSPEED公司的虛（xū）擬軸加工中心等10台主軸轉速在24000～40000R／MIN的高速數控銑床、5台機（jī）械手、傳送帶和數控測量機等組成的柔性生產線，實現了在（zài）製品周轉、工裝（zhuāng）刀（dāo）具準備等的完全自動化，提高了產品的加工效率。
國內數控加工技術因（yīn）受諸多因素（sù）的影響，應用層次參差不齊，如西飛國際（jì）數控加（jiā）工中心（xīn）承擔的B737－700垂尾T形緣條，零件長7.6M，加工使用設備為CINCINNATI公司的40M五坐標高速龍門數控銑床（chuáng），主軸最高轉速24000R／MIN，實際使用轉（zhuǎn）速（sù）平均20000R／MIN，零件裝夾采（cǎi）用自動液壓夾具，單件零件的數控加工僅需4H。該數（shù）控加工中心承擔的ARJ21飛（fēi）機外翼前梁，零件長13M，加工使用設備為FORESTLINE公司的五坐標龍（lóng）門數控銑床，設備最高轉速10000R／MIN，實（shí）際使用轉速9000R／MIN，因為加工變形控製的需要，零件（jiàn）加工需要進行4次裝夾，裝夾采用真空（kōng）吸附和內六方螺栓輔助壓緊的方式，該零件加工的尺寸精度、表（biǎo）麵質量和加工變形（xíng）量均滿足設計要（yào）求，但是（shì）其加工（gōng）效率卻較B737－700垂尾緣條的加工（gōng）效率低得（dé）多，單件零（líng）件的數控（kòng）加工需要200多H。
大飛機的研製受到舉國（guó）上下的關注，國內航空製造企（qǐ）業的數（shù）控加工（gōng）技術近年來雖然（rán）在（zài）典型零件加工工藝技術（shù）、高速加工技術應用等方麵取得了較大的發展，同時3C集成、DNC技術（shù）和MES技術等也得到了初步應用，但要實現大飛機的研製生產，還需在數（shù）控設備和數控刀具關鍵技術、數控（kòng）零件設計標（biāo）準化（huà）、切削參數優化技術、數控零件檢測技術、數控設備維修技術等方麵加大研發和應用的力度（dù），在高（gāo）速（sù）加工技術和數控加工集成（chéng）應用技術等方麵（miàn）開展更進一步的研究應用，以提升我國飛機數控加工技術的整體水平（píng）。
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