航空先進制造技術對航空制造企業的影響

中航工業導彈院凱邁機電公司 （河南洛陽 471003） 劉仁春

技術科技術主管 劉仁春

1. 航空產品的制造加工難點

（1）難加工材料切削應用。航空、航天零部件常采用鈦合金、高溫合金及復合材料等難加工材料，如何保證零件的加工有高的質量又兼顧生產效率是航空制造企業面臨的一個課題。

（2）工藝及零件精度要求。航空、航天零部件大都采用復雜曲面和高結構效率的整體、輕量化結構，加工中要避免產生切削變形和提高效率，這對制造工藝以及制造設備提出了更高的要求。如何在生產實際中解決這些問題對航空工藝和加工設備提出了新的挑戰。

（3）過程控制及檢測要求。零件加工過程控制是對其滿足設計尺寸、特性要求而進行的一些檢測等，檢測的結果用來驗證在制造中結果與設計要求相符的一致性。而現在航空企業對工藝過程控制、零件表面完整性控制等環節比較薄弱。今后這方面是航空制造企業的改進方向之一。

2. 現代航空產品的制造特點

（1）產品的高性能和精密化。航空產品因為使用環境特殊，產品性能要求和可靠性要求高，產品在加工時使用鈦合金、復合材料等特殊材料較為普遍。同時，多數航空零件的幾何外形復雜，其制造加工精度要求更高，測量要求也較高。

（2）產品的輕量化和大型化。航空產品如發動機壓縮機轉子、飛機發動機葉片、飛機的整體艙段、起落架、機匣及天線罩，大量使用鈦合金、高強度材料和高溫合金等，同時在飛機機身、機翼上也廣泛使用復合材料。航空設計中要求飛行器既要有高強度的同時零部件又必須質量輕。機翼壁板、梁、葉盤和發動機殼體要求整體結構加工，減少了不必要聯接，增加了零件的整體剛性。這種零件大型化結構要求是大型飛行器和宇航工業零件設計、制造的需求。

（3）產品的數字化和制造過程的智能化。航空產品零部件的數字化設計及制造等先進技術，應用CAPP和CAD/CAM軟件，如西門子公司Teamcenter三維工藝軟件的應用，柔性制造FMS技術也是發展的方向?；跀悼丶庸すS的數字化車間管理系統MES應用，航空產品零部件的設計、制造及裝配要求是：簡單、準確、協調。

3. 航空制造業在加工中的難點和解決方案

（1）數控加工中零件程序編制調試、工裝夾具的設計制造、特殊刀具的準備和零件檢測等環節占用時間過多，致使加工效率不高，不能滿足航空企業制造的需求。

解決方案：采用合理的工藝路線規避復雜、低效的加工方法。提高編程人員的技能水平，結合CAM軟件和宏程序的編制提高數控加工效率。結合拼裝夾具和可替代的加工刀具完成加工（僅需調整程序）。盡可能地采用優質、高效、低成本的工藝策略完成工藝方案的制定和實施。這種加工思想是精益制造在加工中的體現，在新品科研試制中實施，產生的良好效果尤為顯著。

（2）數控加工設備中所用的刀具無法滿足加工的高質量、高效率的零件加工需求。實際生產中刀具使用普遍存在切削效率低、刀具壽命短。尤其遇到難加工材料鈦合金、高溫合金等時，會嚴重影響產品尺寸的一致性和外觀質量。刀具的選擇及刀具與數控機床的配合使用是企業面臨的突出難題。

解決方案：選用滿足加工的高質量、高效率等零件加工需求的刀具。根據航空制造中加工的需要采購合適的設備和刀具，在滿足加工質量的情況下提高加工效率。

（3）大型的航空部件和整機的裝配需要大型的裝配工裝和調整儀器、自動裝配線。我國在航空裝配中與先進國家還有差距。

解決方案：航空企業需結合《中國制造2025》和國家“十三五”規劃，在行業內部借助大飛機項目和工業機器人技術，發展我國的自主航空裝配技術。

4. 現代航空制造中新技術、新工藝的應用分析

（1）現代航空制造業對機器人技術的應用。目前我國工業機器人主要是滿足國內市場，而且應用于汽車行業，包括焊接、檢測、搬運、研磨拋光和裝配等復雜作業，在其他領域仍有發展的空間和市場前景。我們可以抓住《中國制造2025》和國家“十三五”規劃中對工業機器人和航空制造業支持，結合各自的特點在航空制造業中發展機器人技術和數控機床技術，使其在制造、航空器裝配上發揮優勢，提高航空產品質量和效率。

（2）現代航空制造業對高速加工技術的應用。高速切削技術具有加工效率高、切削負荷低、傳入工件的切削熱少及加工變形小等顯著優點，20世紀90年代中期已成功應用于航空制造業，并取得了顯著的經濟效益。

飛機結構件中有很多薄壁件及難加工材料，在加工中極易產生變形。航空零件復雜，其加工余量大，結構件尺寸精度和表面粗糙度要求較高，高速切削加工飛機薄壁零件有助于降低切削力，減小切削變形，提高加工精度和加工效率。高速切削時切屑排出速度快，切屑可帶走大部分切削熱，使散熱效率提高，減小工件表面的切削熱。

（3）現代航空產品的3D打印技術的應用。3D打印技術屬于增材制造技術，它以低成本和短周期的特性，能滿足制造中超大、超厚和復雜型腔等特殊結構及極其復雜外形的中小型零件的加工需要，已成為現代航空航天等產品制造工藝先進性的重要標志之一。

鈦合金、高溫合金和超高強度鋼等大型復雜整體高性能金屬結構件的激光（電子束）快速成型技術，以金屬粉末為原料，通過激光熔化堆積，從零件數模直接完成全致密和整體復雜的高性能金屬零件近凈成形。與傳統鍛造技術相比，具有無需鍛造設備和鍛造模具，材料利用率高、周期短、成本低、柔性高和響應快等特點，該技術在飛機、發動機等的研制中有著廣闊的應用前景。

圖1 航空鈦合金薄壁零件

5. 航空鈦合金薄壁件加工工藝案例分析

某一航空鈦合金薄壁件（見圖1）的尺寸如圖2所示，該零件加工工序分為粗加工（粗車）、去應力時效、半精加工及精加工（半精車、精車）。其中粗加工以去除余量、釋放加工應力為主要目的。加工設備選用臥式車床，中間安排去應力時效熱處理工序，半精加工、精加工工序的主要目的是進一步去除零件材料上的余量。需要著重強調的是鈦合金加工過程中硬化較嚴重，安排精加工之前的余量需要大于0.15mm，讓所給的余量大于硬化層深度。消除硬化層的存在，影響零件的后續加工。在精加工前的半精加工中將影響后續加工的零件尺寸、表面形狀及相互位置，表面粗糙度的應力進一步釋放出來。另外通過相應的工藝手段將加工應力的影響減小到最小，以保證最終能加工出合格的產品零件，同時驗證工藝方案的正確、合理性。

（1）工藝路線安排：粗車（外圓φ199mm和孔φ195mm）→去應力時效（熱處理）→半精車（外圓φ198.5m m和孔φ1 9 5.5 m m）→精車（外圓φ198mm和孔φ195mm）→車工（切斷、去毛刺）→交檢。

（2）刀具及切削參數的選擇和裝夾方案的設計：外圓車刀粗車YG8硬質合金主前角5°～8°，后角 7°～12°，主偏角95°，副偏角35°，刃傾角約－5°；切削參數：v= 58m/min，f=0.2mm/r，ap=1.5mm。精車陶瓷刀主前角8°，后角12°，主偏角95°，副偏角35°，刃傾角－8°左右；切削參數v= 80m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2mm。鏜孔車刀粗車YG8硬質合金主前角6°，后角 9°，主偏角95°，副偏角約35°；切削參數v=70m/min，f=0.2mm/r，ap=1m m。精車陶瓷刀主前角8°，后角12°，主偏角95°，副偏角35°；切削參數v=100m/min，f=0.15mm/r，ap=0.2mm。切斷刀采用3mm寬的切槽刀；切削參數v=70m/min， f=0.1mm/r，ap=0.25mm。

裝夾方案的設計：粗加工時因為有夾頭，此時工件的剛性較好，使用車床普通自定心卡盤，夾緊力大，可以防止在大切削力加工過程中零件松動，夾頭不切斷。半精加工、精加工時夾緊力要小，防止裝夾變形，此兩步工序中需要使用軟包爪，并且考慮到此時工序工件已經形成薄壁結構，在零件內孔增加心盤裝于工件內孔，以增加整個工藝系統的剛性。軟包爪如圖3所示，心盤如圖4所示，圖5所示為軟包爪與心盤裝夾零件。

圖2 圓筒

圖3 車床軟包爪

圖4 心盤

圖5 圓筒半精車、精車

6. 國內外機床工具的差距

國內機床工具較國外的目前還有一定差距，航空制造企業一般會根據企業產品的特點和加工需求進行選擇，具體體現在以下幾個方面：

（1）國產機床的精度保持性總體低于國外設備，且數控機床的控制軟件研發和應用于發達國家還有不小的差距。

（2）數控機床上使用的某些國產刀具無法滿足精密加工的需要。大量使用國外的刀具可以完成加工任務，但是成本增加許多。我們的民族刀具工業如何成長、發展是值得我們高度關注的問題。另外，國外刀具企業在研發新的刀具產品和先進的切削理論上要比國內刀具企業具有優勢。