數控加工技術在大飛機研製生產中的應用
2013-5-12 來（lái）源： 作者：
數控加工（gōng）技術以（yǐ）其效率高（gāo）、質量好、穩定性強（qiáng）等優點得到了製造企業的廣泛青睞，近年（nián）來隨著國內外數控工藝裝備和數控工藝技術的快速（sù）發展，數控加工技術得到了廣泛普及應用，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機體製造企業和裝備製造企業（yè）來（lái）說既（jì）是難得（dé）的曆史機遇，也是圓國人大飛（fēi）機夢想的曆史性挑戰，本文就數控切削加工技術在大（dà）飛機研製中的應用進行初步的探討（tǎo）。
一.大飛機數控加工的技術需求
1.典型零件的數控加工工藝技術
大飛機零件具有外廓尺寸大、結（jié）構複雜、重量輕的特點，在多個對接部位（wèi）或（huò）活動麵處有精度要求較高的多麵體接頭類零件。同時（shí），隨著新型材料技術的不斷發展和飛機整體強度重量比設計要求的不斷提高，複合（hé）材料（liào）在大飛機中的用量也越來越大。大飛機零件的這些特點對數控加工工藝技術提出了一係列新（xīn）的要求。
典型的整體零件包（bāo）括機翼（yì）蒙皮壁板、機身蒙皮壁板、機翼大梁、翼肋等，此類（lèi）零件一（yī）般選用2000係列或7000係列鋁合金預（yù）拉伸板材，部分翼肋零件采用鋁合金型材類（lèi）原材料，零件除外（wài）廓尺寸大以外，還呈現多（duō）槽腔、單側或雙側理論外形等的結構（gòu）特點。壁板類零件（jiàn）一般帶有單（dān）側飛機理論外形、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（cè）理論外形、單側或雙側結（jié）構，零（líng）件結構由數控加工直接完成。該（gāi）類零件除部分雙麵（miàn）結構的翼（yì）肋（lèi）外，其餘均為單側結構，加工過程中材料基本（běn）為單側去除，且材料去除率大。因此，大型整體零件的（de）數控加工必（bì）須同時考慮複雜結構的五坐標加工技術、高速高效加工技（jì）術（shù）和數控加工變形控製等（děng）技術的綜合應用。
典型的接（jiē）頭類零件包括主起落架支撐接（jiē）頭、擾流板鉸鏈接頭以及機翼（yì）與機身的對接接頭等，此類零（líng）件一般采用7000係列模鍛或自由鍛鋁（lǚ）合金材料，零件高度尺寸大、槽腔深、空間孔的精度和位（wèi）置度要求較高。此類零件（jiàn）的加工難度主要在於加工變形控製、深槽腔轉（zhuǎn）角表麵質（zhì）量控製和空間（jiān）精度孔的數字化加工（gōng），而對於自由（yóu）鍛（duàn）毛料的零件來說，材料（liào）去除（chú）率也是需要考（kǎo）慮的因素。因此，複雜（zá）接頭類（lèi）零件需製定（dìng）合理的工藝流程，同時注重轉角插銑技術、數控鏜銑複合加工等技術的綜合應用。
碳纖維等複合材（cái）料技術的工業（yè）化應用，為大飛機的設計製造帶來了一片新天地，複合材料以其高耐腐蝕性（xìng）和耐疲勞性等（děng）優點，在大飛機的結構中應用（yòng）越來越廣泛，如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（liào）變（biàn）為主導材料（liào）。複合（hé）材料的加（jiā）工除鋪帶技術和纏繞技術外，數控切邊和數控鑽孔等加工技（jì）術也不可（kě）或缺，尤其是大型整體複材構件的數控加工，其難點主要（yào）在於材料本（běn）身低的熱傳導性和定位夾緊的特殊性，因此，複合材料的數控加工主要體現在數控刀（dāo）具及其應用技術（shù）和工裝的設計製（zhì）造技術上。
2.高速加工技（jì）術
大飛機數控加工（gōng）工藝技術的實現，必須依賴於滿足使用要求的先進數控設備和高質（zhì）量的數控刀具，換言之，就是數控設備必須具有大行程、高轉速、高（gāo）進給、高精度和五軸聯動等特點；數控刀具必須滿足高動平衡等級、高剛性、良好的耐磨性和紅（hóng）硬性等技術要求，刀具接口技術也必須滿足高速使用的技術要求。
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（tè）點是當切削速度超過一定的臨界速（sù）度時，切削力隨著速度的增加而減小，同時95％以上的切削熱被高速飛出的切屑所（suǒ）帶走，因此，高速加工對提（tí）高切削（xuē）效率、抑製加（jiā）工（gōng）變形和提高（gāo）表麵加工質量具有無可比擬的優勢。同時，因其（qí）對加工變（biàn）形控製（zhì）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、整體飛機結構件對數控加（jiā）工的技術需求主要體現在（zài）較小的（de）加工變形和符合設計要求的（de）表麵（miàn）質量方麵，同時從降（jiàng）低加工成（chéng）本的角度考慮還必須要求較高的材料去除（chú）率。因此，高速加工技術是突破大飛機關鍵零件研（yán）製（zhì）技（jì）術瓶頸（jǐng）的有效途徑，對降低大型（xíng）零件的製造成本具有十分重要的（de）意義。
3.數控加工的集成應用技術
經濟（jì）性是大飛機的（de）重要（yào）指標之一（yī），由於數控設備造價（jià）昂貴（guì），大（dà）飛機的零組件製造必須實現數控加工（gōng）的集（jí）成（chéng）化應用，才能充分發揮數控設備和（hé）數控（kòng）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技術等現代先進製造係統和技術在大飛機製造過（guò）程（chéng）中的應用，將（jiāng）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（de）作用。
二.國內外飛機數控加工技術（shù）及設備的現狀和發展趨勢
1.發達國家飛機數控加工技術現狀（zhuàng）
西方工業發達國家飛機製（zhì）造業應用數控技術（shù）始於（yú）20世紀60年代，經（jīng）過長期的技術發展（zhǎn）和（hé）積累，應用於大飛機（jī）結構（gòu）件的40M五坐標高（gāo）速龍門銑床（chuáng）、20M五坐標高速翻（fān）板銑床等先進設備在技術上已較成熟（shú），新型數控刀具技術的研究應用也處（chù）於良性循環狀（zhuàng）態，這促進了數控加工技術水（shuǐ）平的不斷提高。以波音公（gōng）司和空客公司為代表的飛機（jī）製造企業已基（jī）本實現了機加數控化（huà），並廣泛地采用了3C集成係統和DNC技術（shù），同時（shí），柔性生產單元和（hé）柔性生產線的應用也較為普遍，高速切削加工技術應用水平較高，基本實（shí）現了自動化、高效率數控加工（gōng）。
2.國內飛機數控加工技術現狀及發展趨勢
我國飛機製（zhì）造業的數控技術起步較晚，近年來在型號研製（zhì）任務的推動和國家政策的支持下（xià），國內飛機（jī）數控加工技術的（de）研究和應用水平得到了提升。目前，國內的（de）各大飛機製造企業均已形（xíng）成了各自（zì）的（de）技術特色，如成飛的鋁（lǚ）合（hé）金結構件高速（sù）加工技術、西飛的大型鋁合金結（jié）構件數控加工技術、沈飛的鈦（tài）合金結構件數控加工技術等。同時，柔性生產等先進製造技術也陸續得到了應用，逐步擺脫了單（dān）純發展（zhǎn）數（shù）控加工工藝技術的“孤島”狀態。
雖然國內數控加工技術得到（dào）了快速（sù）的發展（zhǎn），但飛（fēi）機數控加工（gōng）技術的整體應用水平與發達國家相比仍存在著較大的差距，主要體現在：
（1）高（gāo）檔數控（kòng）設備主要依賴進口，受進口設備價格昂貴以及關鍵技術封鎖等因素的影響，飛機零件製造的數控化率較低，在一定程度上製約了飛機數控加工技術的普（pǔ）及和發展；
（2）高質量的數控刀具近年來雖然也得到了快速發（fā）展，但在高質量數（shù）控刀具的製造和新型刀具（jù）的研發等（děng）方麵仍存在差距，使用上仍然未（wèi）擺脫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（tí）高；
（3）3C集成、DNC、MES等先進製造係統和技術的應（yīng）用起步較晚，在飛機製造業中（zhōng）仍然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，製約了（le）飛機數控（kòng）加工技術的集（jí）成應用（yòng）；
（4）受（shòu）國內（nèi）飛機批量的製約，飛機製造企業沒有一個專業化的數控加工車間，也較少采用專用化程度較高的高端（duān）數控設備，生產組（zǔ）織和生產準備等（děng）工作（zuò）量較大，增加了數控加（jiā）工集成（chéng）應用技術實現的難度，製約（yuē）了飛機數控加（jiā）工技術向更高（gāo）層次的發展；
（5）飛機零件（jiàn）數控加工（gōng）切削參數庫建設仍停留在研究層麵，除部分專用化程度相對較（jiào）高的設備和關鍵產品（pǐn）以外，大量實（shí）際加工使用的切削參數均有（yǒu）較大的優（yōu）化空間，而國內（nèi）在參數優化（huà）技術及優化工具方麵的研究應用成（chéng）果甚微，製約了數控加（jiā）工應用技術水平的提高；
（6）在飛機數控零件設計技術、數控（kòng）零件檢測技術（shù）等方（fāng）麵缺乏係統的（de）研究應用（yòng），影響了（le）數控（kòng）技術應用過程中的效率，製約（yuē）了數控加工技術的發展；
（7）數控設備維修技術水平（píng）存在一定差（chà）距，數控設備的帶故障運行和故（gù）障後無法及時修複等因素，也在一定程度上影響了飛機數控加工技術的發展。
綜上所（suǒ）述，國內除（chú）了在數控設（shè）備關鍵技術、數控刀具關鍵技術等方麵應加大研發（fā）力度以（yǐ）支持我國的大飛機製造以外，在飛機結構件設計標準化、切削參數庫優（yōu）化技術、零件檢測技術、數控設備維修技術等方麵也需要大力開（kāi）展研（yán）究應用工（gōng）作，同時普（pǔ）及數控加工集成應用技術，不斷提（tí）高數控車間的數（shù）字化（huà）管理應（yīng）用水平，加快縮短與發達國家技術（shù）水平（píng）差距的步伐，滿足大飛研製生產的（de）技術需求。
三.飛機數（shù）控加工技術（shù）及設備的應用情況
國外飛機數控加工技術的高（gāo）水平應用，使其大飛機的研製生（shēng）產基（jī）本不存在技術（shù）瓶頸，而高速加工技術和先進製造係統的（de）集成應用也極大地降低（dī）了飛機製造成本。如空客英（yīng）國的BROTON公司采用雙主軸、高速加工技術完（wán）成了A319飛機機翼8.8M的（de）中後梁零（líng）件，加工（gōng）過程中使用（yòng）了INGERSOLL公司的大型五（wǔ）坐標翻（fān）板銑床，主軸平均使用轉速30000R／MIN，零件加工隻需一次裝夾，單件零件的數控加工僅需22H；MILT公司建成的機翼梁間肋零件（jiàn）自動化加工車間，由ECOSPEED公司的虛擬軸加工中心等（děng）10台主軸轉速在24000～40000R／MIN的高速數控銑（xǐ）床、5台機械手、傳送帶和（hé）數控測量機等組成的柔性生產線，實現了在製品周轉（zhuǎn）、工裝（zhuāng）刀具準備等的（de）完全自（zì）動化，提高了產品的加工效率。
國內數控加工技術因受諸多因（yīn）素的影響，應用層次參差不齊，如西飛國際數控加工中心承擔的B737－700垂尾T形緣條，零件長7.6M，加（jiā）工使用設（shè）備為CINCINNATI公司的40M五坐標高（gāo）速龍門數控銑床，主軸最高轉速（sù）24000R／MIN，實際使用轉速（sù）平均20000R／MIN，零件裝夾（jiá）采用自動液壓夾具，單件零件的數控（kòng）加工（gōng）僅需4H。該數控加工中（zhōng）心承擔的ARJ21飛機外翼前梁，零件長13M，加工使用設備為FORESTLINE公司的（de）五坐標龍門數控銑床，設備最高轉速10000R／MIN，實際使（shǐ）用（yòng）轉速（sù）9000R／MIN，因為加工變形控製的需（xū）要，零件加工需要進行4次裝夾，裝夾采用真空吸附（fù）和內六方螺栓輔助壓緊的方式，該零件加工的尺寸精度、表麵質量和加工變形量均滿足設計要（yào）求，但是其加工效率卻較B737－700垂尾緣條的加（jiā）工效（xiào）率低得多，單件零件的數控加工需（xū）要200多（duō）H。
大飛機的研製受到舉國（guó）上下的（de）關注，國內（nèi）航空製造企（qǐ）業的數控加工技術近年來雖然在典型零件加工工藝技術、高速加工技術應用等方麵取得了較大的發（fā）展，同時（shí）3C集成、DNC技術和MES技（jì）術等也得到了（le）初步應用，但要（yào）實現大飛機的（de）研製生產，還需在數控設（shè）備（bèi）和數控刀具關（guān）鍵技（jì）術、數控零件（jiàn）設計標準化、切削參數優化技術、數控零件（jiàn）檢測技術、數控設備維修（xiū）技術等方麵加大研發和應用的力度，在高速加工技術和數控加工集成應（yīng）用技術等（děng）方麵（miàn）開展更進一（yī）步的研究應用，以提升（shēng）我國飛機數控加工技（jì）術的整體水平。
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