國產數控機床在航空制造業中的應用分析

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.

關鍵詞： 航空制造業;國產數控機床;應用

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

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

0 ?引言

飛機中的大多數零件都存在協調位置較多、加工精度高和結構比較復雜等諸多方面的特征，也正是因為這些方面的特征給數控機床的選用提出了一定的要求。最近幾年，伴隨國家航空工業的高速發展，我國的數控機床產業也取得了比較明顯的進步。對于國產數控機床，其不僅在加工質量等層面獲取了一定的提高，同時研發成功了五軸聯動高檔數控車削中心，為其在航空制造產業中的應用提供了更好的保障。

1 ?國產數控機床的發展狀況分析

關于國產數控機床，從技術能力、管理服務和產品數量等層面來講，已經獲取了比較大的成就，和國際較為先進的水平之間正在逐漸縮小差距。最近幾年，就國產數控機床來講，從產品的數量和品種上來看，都取得了比較明顯的進步，同時產品相應的技術水平與質量同樣得到較為明顯的加強。同時，國產數控機床就服務以及外觀造型等眾多方面來講都實施了一定的改進，當前產品的種類已經達到了發達國家水平[1]。從五軸聯動數控機床等同其具有一定關聯的領域來看，已然邁入了世界領先水平的行列。現今，國家自主研發成功了世界上最大的數控橋式龍門復合機床等數控機床，這也在一定程度上使得只有少數國家壟斷的局面被打破，對于中國制造業的發展十分利好，尤為是針對我國航空制造產業的發展具有比較良好的促進效果。

相比于國外的先進技術水平來說，對于國產數控機床，在重要配件、刀具水平和技術條件等多個方面，仍然存在著不小的差異。而據相關統計顯示，構成數控機床的傳感器與伺服電機等關鍵性部件，大多數依然是通過向國外進口。而當前能夠進行生產的中高檔數控車床，相當多的都是處于裝配和生產的最后環節中，并不能掌握真正的技術，而且其中的部分關鍵性技術和零部件也都是需要進口的。尤為是數控刀具的技術落后狀況所體現的問題比較突出。由于國產數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]。因為國產刀具的使用壽命比較短，且刀具品種比較少，這些都對機床運轉的穩定與可靠造成了一定的影響。例如，對于五軸聯動數控機床，國外產品可以持續性保持1500小時的工作時間，而國產數控機床保持無故障持續性工作的時間最多是1000小時，這便可以看出，和國外同種產品相對比，在使用性能方面國產的數控機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控企業，國產數控技術首先應實現對民族品牌的有效打造，從而實現技術創新和成果轉移以及與市場形成更加快速的技術連接，同時也可以對國外的一些先進技術管理制度予以引進。

2 ?航空制造業中國產數控機床的應用分析

2.1 典型飛機零件的特征

比較典型的飛機零件在進行數控加工的過程中，通常分成機身機構件的加工與發動機關鍵性部件的加工兩個組成部分。

飛機的機身結構件通常包含框、梁、筋、滑軌等相關組成部分，這些結構起到了發動機、機翼、起落架等結構的有效連接作用，保證了飛機的完整性。機身結構件存在以下特點：①梁類零件通常都是細長且扁平的部件，具有較大的抗扭剛度和加強的抗彎性能，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框類零件主要結合應用途徑的不同，分成隔框、腹板框和加強框等。其中加強框具有較大的框距，例如，大型運輸機所具有的框距通常在300-500mm范圍內，框的總體重量在機身機構重量中占據27%-29%的比例。關于隔框，其結構形式可以分成構架式框和環形鋼框等，其加工往往都是應用模鍛毛坯，為了有效保證腹板相應的剪切穩定性，一般會對加強型材予以應用。③機身的蒙皮促使其形成了相應的氣動外形，應保證表面較好的光滑性，一般都是應用鋁合金材料。針對Ma超過3的飛機，受熱影響比較大的區域范圍中，一般都是應用鈦合金材料，蒙皮實際應由的厚度需要依照進行工藝的特點、經濟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鍵零件結構剛度很大，且存在著相當的重復性，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，在進行機械加工之后，若是存在著毛刺等相關缺陷問題，就不可能通過人工的加工方法進行消除。⑤由于肋板與鋼筋等關鍵零件的變斜角角度比實際變動大，因此原材料上相應的去除工作量也很大，材料上一般都是應用鋁合金，但也有一些使用鈦合金和不銹鋼等相關材質。

對于飛機的發動機來說，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，剛性結構比較弱，具有壁薄的特點，其型面結構比較復雜，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的外形尺寸一般為？準1823.5mm×546mm，最薄壁只有3mm;對于飛機葉片而言，其型面比較復雜，具有較高的強度，通常需要使用耐高溫的鈦合金材料，例如，某大型寬弦空心風扇葉片所應用的結構是、帶和的結構，直徑超過？準1600mm，使用質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變形的情況，不準許出現缺陷與裂紋的情況，實際加工中應使用精密數控立車和數控臥車等機床進行加工，同時加工機床應具有較為良好的剛性和較高的定位精度。

2.2 典型飛機零件的加工

結合典型飛機零件的結構性特點，實施加工工藝的設計，主要根據相應的工藝流程進行零部件的加工與制造。本文針對機身結構中的發動機整體葉片與關鍵接頭的加工進行舉例說明，闡述實際所采用的加工方法。

首先，整體葉盤加工。這種結構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構也變得更加緊湊，相應的渦輪、壓氣機等一些轉動性部件的質量便會有所減輕[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數控加工的一種方式。詳細的加工路線如下：進行材料復核檢查前的相關準備-半粗加工-進行孔加工-輔助性加工。實際進行加工中，應用開槽的加工方式，針對大部分進行了有效去除，采用對稱削葉片的方法，實現了對粗加工和半精加工葉片內應力非對稱釋放等相關問題的有效控制，采用葉盤葉片前后緣加工誤差補償技術，使得葉片形狀、位置和尺寸差等相關問題得到了較為有效的處理。

其次，接頭類零件的加工。就機身的接頭來講，主要的作用是用于機身有關部件與機身及其他部件相互間的連接。對于這種零部件而言，其自身結構具有一定的復雜性，協調難度相對比較大，同時剛性不足，工藝加工流程比較多，需要較長的加工時間。從飛機潔身來來，機身及尾翼所采用的零件接頭材料一般都是低合金超高強度鋼與300M鋼，機身和其余部件之間采用的結構大部分是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，通過加工技術要求的相關分析、定位基準的選取、輔助性加工工藝安排等相應工藝處理后，便完成了對接頭類零件加工工藝的設計。實際加工制造中，接頭處頭部耳片槽和兩側面的加工應用-半精銑--精加工的方式予以實現;在對頭部外形進行實際加工的過程中，應用粗銑-半精銑等相關加工處理方式;針對頭部位置耳片上孔的加工應用鉆-熱處理-的加工方式。

3 ?國產數控機床關鍵技術相關完善方法

3.1 車銑復合加工技術的完善

該項技術是一項較為先進的數控加工技術，可以有效提高生產加工效率，同時加工精度比較高，在航空制造業中獲取了比較普遍的應用，所以針對這項技術的相應加工工藝予以改進，能夠有效加強相關設備的使用性能[5]。首先，完善加工方案決策技術。先從與加工方案相關的知識庫中調用所使用加工方案的有關信息，之后在和知識庫中所給出的有關屬性值與特征數據信息之間相互比較，最后再與所采用的加工材料、熱處理等多個方面的信息進行匹配，這樣便能夠得到符合現實要求而且相對合理的加工方案，并選擇了最優化的加工工藝方式作為具體的加工決策結果，這樣便使得加工方案決策技能的改進獲得了更加合理的實現，也使得加工方式設計技術越來越具有現代化水平。其次，完善工步排序技術。從工業產品特征之間比較簡單的拓撲關聯與工藝知識準則來看，應用人工智能技術對工藝順序的相關性予以分析和研究，設置對應的工步有向圖，同時借助有向圖所具有的表現形式針對工步相互間所具有的關系予以呈現，這樣便會令相同工步間所對應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更加合理改進的有效實現。最后，完善碰撞檢測技術。可以充分應用雙基層次包圍盒及其對應的碰撞檢測方式，針對車銑復合工藝方案中可能會發生的撞擊狀況進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對象，同時利用了雙基時差定位的方法提高檢測結果所具有的準確度，進而提高了測量的有效性，從而助力于工藝設計工作者在第一時間內完成了工藝方案或是運動參數的正確調整，提高了修正效果，實現了碰撞檢測技術進步的高效實現。

3.2 可靠性技術的改進

要想保證國產數控技術更加可靠的發展，應由可靠性建模、可靠性設計和故障分析等眾多層面入手。首先，借助修復如舊的假設與都能時間動態相應模型的創建，可以使得機床的可靠性模型更加真實，也能夠為數控機床相應的可靠性設計提供一定的參考依據[6]。然后，通過對數控車床故障數據分析及相關應用的研究開發，以實現對數控機床故障數據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。再次，通過相對完備的可靠性標準，對可靠性分配設計和以故障分析未出的可靠性增長設計進行進一步優化，以促進機床可靠性管理綜合理念與方式的相應完善。最后，通過對各裝置可靠性機理與現存關鍵技術的合理總結，對已存在工況模擬能力的可靠性試驗體系加以研究，以便提高機床上關鍵部件所具備的可靠性。

3.3 刀具切削效率的提高方法

要想使數控機床及相應的刀具切削加工效能獲得相應提高，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、領先且更加適用的高新磨削技術，并促進各類新刀具結構、新磨削工藝技術和切削材料的研究開發。另一方面，加強工藝水平，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，對相關的走刀路線進行優選，降低走刀的實際次數，對相關切削參數加以優化處理，從而實現降低對于刀具實際消耗量的效果。

4 ?航空制造業今后對于國產數控機床的需求

4.1 大型高精度數控機床和五軸聯動臥式加工機床

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

4.2 鈦合金高效與復合材料加工機床

當前，現代飛機的制造中，鈦合金和碳纖維作為代表的相關復合型材料的應用所占據的比重較大。在鋁合金材料高速加工問題大體已經得以解決的情況下，鈦合金和復合型材料的加工將變為今后航空制造企業的重要任務。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應予以關注的一個問題，可以從高效的加工工藝和加工設備等層面著手，其中高效的加工設備是基礎性保障。復合型材料的加工重點應予以解決的是污染方面的問題，和金屬材料有所不同的是，在針對復合型材料進行高速切削處理的過程中，會有很多的粉塵形成，會給人體和機床帶來比較大的損傷。所以，航空制造企業中使用復合型材料加工及具有較好防護性能加工設備方面具有較為迫切的需要。

4.3 自動化生產系統和滿足數字化制造需求的設備新型功能

為了能夠有效提升實際制造效率，降低零件加工中所產生的品質風險，具有加熱、運輸等諸多功能的自動制造系統已經問世。當前，國外飛機制造企業的柔性生產線已經得到了相當普遍的運用，國外的部分飛機生產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，提高了零件相應的機械加工效能，實現零部件相對良好的機械加工品質[8]。除此之外，數字化生產過程中，對于機床所處區域相應的環境，也應實施實時性監測，同時機床也應可以對零件加工的流程和當前機床的工作狀況相關信息加以收集，此種狀況下，便對機床提出了更進一步的要求，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 ?結束語

伴隨現代飛機性能的逐漸提高，飛機零部件也逐漸朝向新型材料、整體化等趨勢進行發展。事實上，國產數控機床具有諸多方面的優勢特點，相比較于國外數控機床不遠萬里進入中國市場來講具有著比較明顯的優勢。我們比較欣慰的看到，相較于國外數控機床而言，國產數控機床在性價比和售后服務等眾多方面都存在著絕對性的優勢，從產品的可靠性以及質量等層面來看是不會遜于任何一個國外廠家產品的。眾所周知，就航空制造企業而言，相關設備的更新換代速度是比較快的，耗能較大、產能較小的設備必將會遭受市場的淘汰，可以對其實施相應的技術性改造，這是一個具有較大發展潛力的市場。另外，這也是國產數控機床進駐航空制造業的一個良好契機，牢牢抓住機會，是國產數控機床重新打造自我、沖出重圍的關鍵。

參考文獻：

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