飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件數(shù)字化車間研究與應(yīng)用★

于 躍， 殷 俊， 周元莉， 段 磊

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司， 遼寧 沈陽 110034）

0 引言

隨著裝備制造業(yè)的振興以及整個制造業(yè)技術(shù)升級和國防現(xiàn)代化需求，對數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的需求總量不斷擴(kuò)大的同時[1]，數(shù)控產(chǎn)品的市場結(jié)構(gòu)也發(fā)生了相應(yīng)的變化，特別是電力能源、汽車制造、航空航天等行業(yè)的快速發(fā)展促使數(shù)控產(chǎn)品由低端向中高端轉(zhuǎn)化[2]。

航空工業(yè)是尖端技術(shù)發(fā)展的引擎，是國家制造業(yè)核心競爭力的集中體現(xiàn)，高檔數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、高性能航空零件加工工藝等相關(guān)先進(jìn)制造技術(shù)是航空工業(yè)領(lǐng)域具備全面自主的科技、產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品能力的重要保證[3-5]。結(jié)合國防安全的需要，緊密圍繞航空制造領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)需求，建設(shè)飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件數(shù)字化車間，帶動國產(chǎn)數(shù)控裝備整體能力的提升并促進(jìn)其形成針對航空領(lǐng)域的成套解決方案，同時，利用航空領(lǐng)域?qū)庸ぱb備精度的高要求，提升相關(guān)領(lǐng)域?qū)a(chǎn)數(shù)控裝備的信賴度，促進(jìn)國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的分類

以C 系列飛機(jī)為例，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的類型主要有框、梁、壁板、肋、接頭、長桁等，廣義結(jié)構(gòu)件也包括蒙皮、鉸鏈、支座等。以C 系列飛機(jī)為例，前機(jī)身含大量的蒙皮、壁板、梁、框等結(jié)構(gòu)。中機(jī)身為典型的半硬殼式壓力結(jié)構(gòu)，主要由蒙皮、站位框、長桁、地板壁板、舷窗、艙門口框、貨艙支架等結(jié)構(gòu)件構(gòu)成。后機(jī)身的主要結(jié)構(gòu)件有蒙皮、加強(qiáng)板、C 型機(jī)加框、Z 型長桁、地板梁、登機(jī)門口框、服務(wù)門口框、系統(tǒng)支架、環(huán)向拼接框以及大量的接頭等。如圖1 所示。

圖1 C 系列飛機(jī)

2 數(shù)字化車間建設(shè)

2.1 數(shù)字化車間建設(shè)路線

從結(jié)構(gòu)、數(shù)量和工藝特點(diǎn)等方面對飛機(jī)零件進(jìn)行分析，面向未來戰(zhàn)機(jī)零件加工的高指標(biāo)要求及快速響應(yīng)要求，進(jìn)行數(shù)控裝備需求數(shù)量計(jì)算和適配性篩選，利用專項(xiàng)前期科研成果，建成具有完整功能性特征的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件自動化驗(yàn)證線，驗(yàn)證自動化上下料、自動化物流、加工過程大數(shù)據(jù)采集與分析等工藝及數(shù)字化車間先進(jìn)技術(shù)，如圖2 所示。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)產(chǎn)線的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合飛機(jī)零件的工藝特點(diǎn)和毛坯材料特性，制定國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床示范基地鋁合金大、小，鈦合金大、小加工單元自動化線加工和單機(jī)加工的總體方案。開發(fā)車間級的管控軟件，將多條自動化生產(chǎn)線聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，建成數(shù)字化車間，如圖3 所示。

圖2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件自動化驗(yàn)證線

圖3 數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)路線

2.2 數(shù)字化車間組成及功能

數(shù)字化車間占地20 000 m2，包括鋁合金大型結(jié)構(gòu)件類加工、鋁合金小型結(jié)構(gòu)件類加工、鈦合金大型結(jié)構(gòu)件類加工、鈦合金小型結(jié)構(gòu)件類加工等4 個國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床切削加工示范單元，涵蓋7 種53 臺設(shè)備共計(jì)8 條自動化生產(chǎn)線及若干大型單機(jī)設(shè)備的建設(shè)，其中5 軸設(shè)備37 臺，四軸設(shè)備14 臺，三軸設(shè)備2 臺，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)配套率100%，國產(chǎn)功能部件配套比例60%，如圖4 所示。

圖4 數(shù)字化車間布局

2.2.1 鋁合金小型結(jié)構(gòu)件類加工單元

1）3 條鋁合金接頭類臥式精密加工自動化生產(chǎn)線。鋁合金接頭類臥式精密加工生產(chǎn)線是驗(yàn)證線的拓展，其組成由4 臺五軸和2 臺四軸機(jī)床組成，刀具桁架、物料緩存庫按比率擴(kuò)展，中央刀庫容量保持不變，上下料工作站尺寸不變，在功能上更加豐富，具備監(jiān)控功能，不影響生產(chǎn)線的尺寸規(guī)劃，如圖5 所示。

圖5 鋁合金接頭類生產(chǎn)線

2）3 條鋁合金肋板類臥式加工自動化生產(chǎn)線。鋁合金肋板類臥式加工生產(chǎn)線由鋁合金五坐標(biāo)臥式加工中心4 臺、鋁合金四坐標(biāo)臥式加工中心2 臺組成。生產(chǎn)線包括自動化物流運(yùn)輸、生產(chǎn)線總控、集中排屑處理、集中切削液處理等系統(tǒng)。可實(shí)現(xiàn)零件在操作工位由人工上料、人工裝夾、信息錄入后由穿梭車自動入庫后，工件托盤的定位、裝夾、工件加工、完工卸載、運(yùn)輸移動、緩存存放等過程均自動進(jìn)行，如圖6 所示。

圖6 鋁合金肋板類生產(chǎn)線

2.2.2 鋁合金大型結(jié)構(gòu)件類加工單元

1）1 條鋁合金大型框梁類柔性加工自動化生產(chǎn)線。鋁合金大型框梁類加工生產(chǎn)線由2 臺五軸和2 臺三軸臥式加工中心組成，工作臺尺寸2 m×4 m，主軸轉(zhuǎn)速24 000 r/min，直線軸加速度0.5 G，配備雙工位自動交換工作臺，立臥翻轉(zhuǎn)工裝，以及物料緩存區(qū)，如圖7 所示。

2）鋁合金長桁類加工單元。鋁合金長桁類加工單元由2 臺五坐標(biāo)加工中心組成，工作臺尺寸2 m×6 m，主機(jī)采用定龍門、動工作臺結(jié)構(gòu)，主軸轉(zhuǎn)速24 000 r/min，最大扭矩73 N·m，用于鋁合金高速銑削長桁類零件加工，如圖8 所示。

圖8 鋁合金長桁零件加工設(shè)備

2.2.3 鈦合金小型結(jié)構(gòu)件類加工單元

鈦合金接頭類臥式精密加工自動化生產(chǎn)線1 條。鈦合金接頭類臥式精密加工生產(chǎn)線由2 臺五坐標(biāo)臥式加工中心、2 臺四坐標(biāo)臥式加工中心組成。生產(chǎn)線包括物料輸送小車及行走軌道、交換工作臺及緩沖站、工件裝卸站等單元。各工位與緩沖站點(diǎn)之間通過有軌物料輸送小車以交換工作臺交換的形式進(jìn)行自動上下料操作，工件的裝夾和拆卸則由人工輔助在上、下料裝載站區(qū)域完成，如圖9 所示。

圖9 鈦合金接頭類生產(chǎn)線

2.2.4 鈦合金大型結(jié)構(gòu)件類加工單元

鈦合金大型框梁類強(qiáng)力加工生產(chǎn)線。在鈦合金大型框、梁類強(qiáng)力加工生產(chǎn)線方面，布局了4 臺單機(jī)設(shè)備。2 臺AB 擺五坐標(biāo)加工中心和2 臺AC 擺五坐標(biāo)加工中心。其中AC 擺設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)更大可能性的加工，一臺采用定龍門動工作臺形式，另外一臺采用動龍門定工作臺形式，如圖10、圖11 所示。

圖10 鈦合金AB 擺五坐標(biāo)加工中心

圖11 鈦合金AC 擺五坐標(biāo)加工中心

2.3 數(shù)字化車間軟硬件系統(tǒng)集成

數(shù)字化車間軟硬件集成系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多品種、變批量的混流加工；通過管控控制技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)執(zhí)行計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)工件的自動傳送和自動加工、程序下發(fā)、刀具識別及調(diào)用；可在線實(shí)現(xiàn)工件品種自動更換，多工件的自動識別；通過刀具磨損狀態(tài)、主軸功率、切削參數(shù)等數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控，降低機(jī)床碰撞的風(fēng)險，可實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備的自適應(yīng)、高效加工，如圖12 所示。

圖12 生產(chǎn)線內(nèi)管控流程

3 數(shù)字化車間應(yīng)用

通過框、梁、肋、壁板、接頭等大量飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工應(yīng)用，驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化車間的自動排產(chǎn)、物料的自動化配送和管理、刀具的自動化配送和管理等功能，實(shí)現(xiàn)了航空結(jié)構(gòu)件的多品種、小批量的自動化和智能化加工生產(chǎn)，機(jī)床的主軸利用率到達(dá)75%以上。如圖13 所示。

圖13 加工應(yīng)用

4 結(jié)論

飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件國產(chǎn)高檔裝備數(shù)字化車間的建成，進(jìn)一步提升了飛機(jī)零件制造裝備自主化能力，已應(yīng)用多個型號加工，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工效率、質(zhì)量、一致性等大幅提升，大幅度縮短工藝輔助準(zhǔn)備時間。實(shí)現(xiàn)由核心技術(shù)突破向技術(shù)集成掌握、技術(shù)應(yīng)用能力提升的轉(zhuǎn)變，加快飛機(jī)構(gòu)件數(shù)字化“智能”快速轉(zhuǎn)型，推動航空制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，助推中國制造2025 落地實(shí)施。