[分享]面向飛機結(jié)構(gòu)件加工的數(shù)控機床的發(fā)展方向 [復(fù)制鏈接]

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，制造技術(shù)水平是衡量一個國家綜合實力的重要標志之一。以飛機結(jié)構(gòu)件為代表的航空零件結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜、加工精度要求極高。因此，航空制造技術(shù)被稱為制造業(yè)的皇冠，代表著制造技術(shù)的最高水平。 !u/c
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數(shù)控（NC）是數(shù)字控制（Numerical Control）的簡稱，是20世紀中葉發(fā)展起來的一種用數(shù)字化信息進行自動控制的一種方法。裝備數(shù)控技術(shù)的機床，稱為數(shù)控機床[1]。與傳統(tǒng)機床相比，數(shù)控機床具有高效率、高精度、高柔性化及高集成化等特點，既能保證加工質(zhì)量，又能大大降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率[2]。而飛機結(jié)構(gòu)件是最早使用數(shù)控機床進行加工的產(chǎn)品之一。飛機結(jié)構(gòu)件的加工要求在很大程度上是推動數(shù)控機床特別是高檔數(shù)控機床發(fā)展的主要動力之一；換而言之，高檔數(shù)控機床的整體水平又是決定航空制造水平的核心因素之一。 o*[[nK*fL  
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綜上所述，面向飛機結(jié)構(gòu)件加工的數(shù)控機床在很大程度上代表著未來數(shù)控機床特別是高檔數(shù)控機床的發(fā)展方向。因此，我國從2006年開始已經(jīng)把高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備專項列為國家重大科技專項。本文將結(jié)合作者從事的專業(yè)方向，淺談一下未來面向飛機結(jié)構(gòu)件加工的數(shù)控機床的發(fā)展方向。 &#9HV  
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高效加工是數(shù)控機床發(fā)展永恒的主題 B"`86qc  
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效率是企業(yè)生存的根本，是提高企業(yè)經(jīng)濟效益和競爭力的根本途徑。一方面，現(xiàn)代航空工業(yè)處于高速發(fā)展中，隨著飛機性能的不斷提升，飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計開始向整體化、大型化、輕量化方向發(fā)展，伴隨而來的是飛機結(jié)構(gòu)件的形狀越來越復(fù)雜、尺寸越來越大、材料去除率越來越高、加工工藝性越來越差。圖1是我國國產(chǎn)大型客機C919的機頭風擋窗框零件，其整體結(jié)構(gòu)是空間自由曲面，材料去除率高達99.35%，屬于典型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工周期長的飛機結(jié)構(gòu)件。另一方面，用戶和市場對飛機的研制周期要求越來越短，從而加劇了飛機結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化與市場期望周期不斷縮短之間的矛盾。在全球化競爭的背景下，航空制造企業(yè)別無選擇，只有快速響應(yīng)市場的需求，才能立于不敗之地，而要快速地響應(yīng)市場，就必須提高生產(chǎn)效率、縮短加工周期，高效的數(shù)控機床正是解決這一問題的有效手段。從目前數(shù)控機床的發(fā)展趨勢來看，未來用于加工飛機結(jié)構(gòu)件的高效數(shù)控機床主要包含以下幾種。 Z4{N
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1 超高速、快進給的虛擬軸機床 d_&~^*>  
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在新機研制階段，為了縮短產(chǎn)品的研制周期，必須在最短的時間內(nèi)制造出樣機，這就要求飛機結(jié)構(gòu)件的制造必須高效、高質(zhì)量的配套。而提高加工效率最直接最有效的方法就是使用加工效率更高的機床，換而言之，就是最大限度地提高機床的轉(zhuǎn)速和進給速度。 YWDd[\4  
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然而，傳統(tǒng)機床由于結(jié)構(gòu)上的缺陷，提高轉(zhuǎn)速和進給速度都受到很大限制，虛擬軸機床的出現(xiàn)，正是為了大幅度地提高數(shù)控機床的轉(zhuǎn)速和進給速度而進行的一種新的嘗試。相比傳統(tǒng)的數(shù)控機床，虛擬軸機床具有剛性高、加工速度高、加工精度高等一系列顯著優(yōu)勢。如德國DST機床（圖2）高速虛擬軸機床主軸轉(zhuǎn)速可達30000r/min，快速進給速度達到50m/min，加工進給速度為15m/min，可以極大地提高產(chǎn)品的加工效率，且加工精度不會隨著轉(zhuǎn)速和進給速度的提高而降低。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速高達50000r/min的超高速虛擬軸機床。隨著飛機研制周期的越來越短，未來超高速的虛擬軸機床將會發(fā)揮越來越重要的作用。2 并行加工機床 Shss};QZf(  
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另一種可以顯著提高加工效率的方式是采用并行加工機床，如多軸設(shè)備中心以及多軸加工的單元等。這類機床的用途非常廣泛，在新機研制階段，對于結(jié)構(gòu)尺寸大的零件，可以采用多軸并行加工的方式，每個主軸只加工零件的固定區(qū)域，這樣使得零件的加工周期顯著縮短。在零件批產(chǎn)階段，可以使用帶有鏡像功能的機床加工完全鏡像的零件，或者使用多主軸平行加工的方式一次加工多件相同的零件。 M{=p0?X  
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并行加工機床自問世以來就得到了廣大航空制造企業(yè)和工程技術(shù)人員的高度關(guān)注，在2013年歐洲機床展上，多家世界知名機床廠商展出了多種并行加工機床[3]，如日本森精機公司(MORI SEIKI)首次展出概念機型——i50型加工中心，德國巨浪公司展出4主軸立式加工中心，斯達拉格集團寶美公司展出S100型四面加工單元，德國Krause&Mauser公司展出多主軸加工工作站等�？梢灶A(yù)見，在未來相當長的一段時間內(nèi)，并行機床將在國際高檔數(shù)控機床領(lǐng)域占有一席之地。 Pp
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3 加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的立臥轉(zhuǎn)換機床 LX(`@-<DH  
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飛機結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，通常需要進行多個工位的加工，圖3為國產(chǎn)大飛機C919的登機門手柄零件。從圖3可以看出，該零件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，空間6個方位都需要加工，如果采用傳統(tǒng)的工藝方案加工該零件，影響該類零件加工周期的一個重要因素就是零件在加工過程中需要不斷地拆卸零件進行重新裝夾，這樣使設(shè)備的利用率低下，不但增加了制造成本，而且嚴重制約了零件的生產(chǎn)周期。要從根本上解決這個問題，就必須盡量減少零件的裝夾次數(shù)。立臥轉(zhuǎn)換為這類飛機結(jié)構(gòu)件從工藝上提供了近乎完美的解決方案。立臥轉(zhuǎn)換機床最大的特點是設(shè)備具有超大擺角行程的旋轉(zhuǎn)主軸，如圖4所示。一般情況下，主軸裝配在機床立柱上，擺角為0°時，主軸呈水平臥式加工狀態(tài)；擺角向下旋轉(zhuǎn)90°時，主軸呈豎直立式加工狀態(tài)。圖4所示的典型立臥轉(zhuǎn)換機床旋轉(zhuǎn)主軸的擺角區(qū)間為+60°~-120°，主軸旋轉(zhuǎn)范圍達180°[4]，機床加工狀態(tài)可以在立式與臥式之間自由轉(zhuǎn)化。配上可以旋轉(zhuǎn)的工作臺以后，只需一次裝夾。機床可以對零件6個方位進行全方位的加工，極大地提高零件的加工效率和設(shè)備利用率。未來這類機床必將成為加工飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的重要選擇。4 多工作臺、快速換裝的柔性裝夾系統(tǒng) )X6I#q8  
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與數(shù)控機床的切削效率相比，如今機床利用率已經(jīng)成為影響飛機結(jié)構(gòu)件加工效率的重要因素，其影響權(quán)重因子逐年增大。數(shù)據(jù)表明，與發(fā)達國家相比，我國數(shù)控加工的整體技術(shù)主要差距已不是機床的切削效率，而是機床的利用率，即單位時間內(nèi)機床有效切削時間的百分比。除機床正常的保養(yǎng)和維修外，占用機床非加工時間最多的便是零件的裝夾和找正。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)的裝夾方式還是在線上裝夾，這是造成設(shè)備利用率低下的主要原因之一。 }To-c'  
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為了提高設(shè)備的利用率，較好的解決方案是機床有多個工作臺，使機床在正常加工的同時進行線下的裝夾準備工作�？紤]到飛機結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜、品種多樣性的特點，工作臺還應(yīng)具備較好的柔性，便于不同類型零件的快速裝夾。圖5為沈陽機床有限公司生產(chǎn)的帶有雙工作臺的五坐標臥式加工中心。它可在零件加工的同時進行線下裝夾零件，顯著提高了設(shè)備利用率。隨著經(jīng)濟全球化進一步加深和國際數(shù)控加工市場競爭日益激烈，未來這種具備多工作臺、快速換裝的機床必將受到廣大航空制造企業(yè)的青睞。用于難加工材料的大扭矩機床是未來發(fā)展的重要方向 uK[gI6M  
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