航空零件數(shù)控加工的特點

1、航空零件數(shù)控加工的特點西飛國際數(shù)控中心 田輝 王俊斌隨著現(xiàn)代航空制造業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)成為飛機制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。 數(shù)控加工技術(shù)的進步使飛機設(shè)計理念發(fā)生了轉(zhuǎn)變，零件設(shè)計向整體化、復雜化方向發(fā)展，同時，設(shè)計理念的轉(zhuǎn)變也給數(shù)控加工技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，如何高質(zhì)量、高效率、低成本地完成大型零件的數(shù)控加工成為了必須攻克的難題。國外發(fā)達國家航空制造史很長，特別是飛機大型復雜結(jié)構(gòu)件的設(shè)計、制造技術(shù)都已非 常成熟。隨著近年來國內(nèi)各類軍民機的研制，國內(nèi)主要航空企業(yè)在航空數(shù)控加工技術(shù)方面積累了大量的技術(shù)經(jīng)驗， 解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題， 初步形成了以飛機大型復雜結(jié)構(gòu)件制造 為代表的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢。 但是

2、，隨著我國大飛機項目的啟動， 航空零件數(shù)控加工技術(shù)將面臨 更大的挑戰(zhàn)，因此，我們在數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域還需要不斷進行深層次的研究，以縮小和西方國家的差距。 國內(nèi)航空零件數(shù)控加工技術(shù)現(xiàn)狀與其他行業(yè)產(chǎn)品相比，航空類產(chǎn)品零件具有一些顯著的特征，從而決定了航空零件數(shù) 控加工技術(shù)的特點以及發(fā)展的方向。這些特征主要體現(xiàn)在以下方面：(1)產(chǎn)品類型復雜，具有小批量、多樣化特點。由于現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)復雜，零件品種繁多， 同時，飛機研制通常為小批量生產(chǎn)，因此無法采用大規(guī)模流水線生產(chǎn)方式來提高效率和降低成本，因此航空零件數(shù)控加工也必須適應這種特點。(2)結(jié)構(gòu)趨于復雜化和整體化，工藝難度大，加工過程復雜?，F(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的進步促

3、使航 空零件的設(shè)計趨于復雜化和整體化，簡化裝配，提高結(jié)構(gòu)性能，這也給數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求。(3)薄壁化、大型化特點突出，變形控制極為關(guān)鍵。為了控制飛機重量，飛機零件的一個 顯著特點就是進行了薄壁化設(shè)計，另一方面，飛機的大型化也使得零件結(jié)構(gòu)趨于大型化，出現(xiàn)了許多超大型零件，因此加工變形成為了突出的矛盾。如圖 1所示為典型飛機薄壁結(jié)構(gòu) 件一787短艙梁。(4)材料去除量大，切削加工效率問題突出。飛機零件材料去除量一般都在90%以上，切削效率對生產(chǎn)周期和成本影響較大。(5)質(zhì)量控制要求高。航空零件由于具有極高的安全性要求，對產(chǎn)品質(zhì)量控制十分嚴格。(6)產(chǎn)品材料多樣。隨著材料、冶金技術(shù)的發(fā)展，

4、高強度鈦合金、復合材料等的應用范圍 和用量正在逐步地得到擴展，對航空數(shù)控加工技術(shù)的適應性提出了廣泛的要求。(7)大型結(jié)構(gòu)件毛料價值高，質(zhì)量風險大。經(jīng)過多年的技術(shù)應用研究和探索，我國在航空零件數(shù)控加工技術(shù)研究與應用上取得了 較大的進步，但是目前我國數(shù)控加工整體技術(shù)水平和國外先進水平差距仍較大，尤其在大型結(jié)構(gòu)件研制方面，存在諸多下述亟待解決的問題：(1)混線生產(chǎn)，專業(yè)化、集成化程度低。在目前的生產(chǎn)資源配置中，普遍存在專業(yè)化程度 低，布局不合理，各種類型產(chǎn)品交叉生產(chǎn)現(xiàn)象嚴重，極大地制約了產(chǎn)品效率的提高。(2)數(shù)控加工準備時間、輔助時間占用過多，裝夾效率低下。在數(shù)控加工中程序調(diào)整、工 裝夾具準備、刀具

5、準備及零件檢測等占用的時間較多，加工效率偏低。據(jù)統(tǒng)計，機床有效切削時間比例僅為30%,極大地影響了產(chǎn)品加工效率的提高。(3)切削加工效率低，高速切削應用比例較低。 在數(shù)控加工仿真、程序優(yōu)化、工藝參數(shù)庫、 制造資源管理等方面與高效加工需求存在一定的差距，切削參數(shù)不合理、機床利用率低等現(xiàn)狀極大地制約了高效數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展。特別是飛機大型零件，材料去除量大，加工周期長，加工效率低成為制約生產(chǎn)研制的突出矛盾。(4)信息化程度低，制約了生產(chǎn)研制的高效運作。數(shù)控機床是一個孤島，各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息 傳遞和交換存在瓶頸，總體上制約了企業(yè)的高效運作，影響生產(chǎn)效率。(5)大型結(jié)構(gòu)件變形控制仍然是亟待突破的難題。不同

6、類型的航空零件結(jié)構(gòu)、尺寸、材料 各不相同，難以掌握準確的變形規(guī)律，是數(shù)控加工中最大的變數(shù)之一。(6)研制成本高，研制風險大。大型航空結(jié)構(gòu)件、新型材料構(gòu)件等一般毛料價值較高，任 何質(zhì)量損失都會給企業(yè)帶來巨大的財產(chǎn)損失。國外航空零件數(shù)控加工技術(shù)在發(fā)達國家，航空零件的制造加工過程普遍實現(xiàn)了高度專業(yè)化、信息化和自動化，不需要人工干預，裝夾定位過程簡單快捷，加工效率高(如圖 2為空客帶自動托盤交換的臥 式加工中心加工的大型梁類零件)，這些特性主要體現(xiàn)在以下方面：高度專業(yè)化的生產(chǎn)資源 配置和布局；普遍應用高速無人干預加工技術(shù)；普遍應用大功率高效切削，主軸功率使用率在70%以上；普遍實現(xiàn)快速裝夾、托盤交換等

7、不間斷加工過程，減少空機時間；生產(chǎn)資源 集成化信息管理程度高；配套設(shè)施完備：包括主軸測頭、集中刀庫、安全防護、鋁屑處理系 統(tǒng)等；采用自動測刀，芯片讀寫的方式進行刀具參數(shù)、刀具壽命管理。航空零件數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展探索1以產(chǎn)品特征成組劃分為基礎(chǔ)，形成專業(yè)化的精益生產(chǎn)線目前，在航空零件的大規(guī)模研制中往往面臨較大的被動局面，無法形成具有極大競爭 力的核心技術(shù)優(yōu)勢，其根本原因就在于原有的相對落后的生產(chǎn)資源配置和布局已經(jīng)無法滿足 當前研制需要，尤其是國家大飛機項目的啟動在給我們帶來極大機遇的同時也對現(xiàn)有的生產(chǎn) 能力和制造技術(shù)水平敲響了警鐘。首先，要確立零件族的概念，應用成組技術(shù)建立典型零件族。其次，在確立典

8、型零件族的基礎(chǔ)上，分類建立標準化的典型零件族工藝流程。最后，在標準化的典型零件族工藝流程的基礎(chǔ)上形成專業(yè)化、集成化的生產(chǎn)資源配置和布局，并最終形成各類典型航空零件的精益生產(chǎn)線。特別是對于大型結(jié)構(gòu)件，建立專業(yè)化的典型零件生產(chǎn)單元對于提高其加工技術(shù)水平、降低成本尤為重要。2以裝夾快捷化為目標，形成高效可靠的裝夾技術(shù)對高速加工的數(shù)控設(shè)備來說，正確設(shè)計夾具、縮短夾具生產(chǎn)準備周期，實現(xiàn)零件在數(shù)控機床上的快速裝夾定位非常重要，能大大提高有效切削時間比例，保證加工質(zhì)量，從而達到提高數(shù)控加工效率的最終目的。在傳統(tǒng)夾具體上，采用機械定位、人工夾緊和拆卸通常要花費大量的時間和人力， 而高速加工大型工件時， 采用半

9、自動化或全自動化裝夾技術(shù)是非常 有經(jīng)濟價值的，液壓定位和夾緊非常有效。液壓夾具的主要優(yōu)勢是節(jié)省夾緊和松卸工件時所花的大量時間，有關(guān)統(tǒng)計資料表明液壓夾緊相比機械夾緊節(jié)省約90%的時間，縮小了生產(chǎn)循環(huán)周期，降低了成本。另一個明顯的優(yōu)勢在于夾緊力在定位和夾緊過程中保持恒定不變，從而確保了同一道工序下加工質(zhì)量的一致性。柔性夾具系統(tǒng)也是一種新型的替代傳統(tǒng)夾具的裝夾系統(tǒng)。目前先進的柔性夾具系統(tǒng)都 具有自適應能力，針對產(chǎn)品變化實現(xiàn)自動化調(diào)整，從而適應了產(chǎn)品變化較大時的情況(如圖3所示的空客-MELT全自動柔性裝夾系統(tǒng)及生產(chǎn)線)。3從常規(guī)切削向高速切削過渡，逐步實現(xiàn)無人干預高速加工現(xiàn)代飛機的高性能要求其結(jié)構(gòu)具

10、有輕量化、薄壁化和整體化的特點，零件須實現(xiàn)較高 的精度和表面質(zhì)量，傳統(tǒng)的低速加工方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代航空制造的需要。大量的型號研制應用證明，高速切削加工技術(shù)具有極大的優(yōu)越性，不僅加工效率大大提高， 零件的加工質(zhì)量也得到提高。國內(nèi)目前在高速加工應用方面和國外存在著較大的差距，主要表現(xiàn)在 20000r/min40000r/min 的大型高速銃削設(shè)備數(shù)量少，配套設(shè)備缺乏，技術(shù)經(jīng)驗匱乏，嚴重 制約了國內(nèi)整體數(shù)控技術(shù)水平，未來無論在硬件環(huán)境的建設(shè)，還是應用技術(shù)的研究方面都需要投入大量精力。4實現(xiàn)刀具資源的信息化管理及優(yōu)化配置隨著產(chǎn)品任務量的加大、設(shè)備的增加，用于機械加工的刀具需求量也越來越大，品種 也越

11、來越多。但長期以來，刀具管理模式主要采用人工管理模式，刀具管理制度不健全，刀具庫房不規(guī)范，在刀具的集中配置方面不完善，嚴重影響了刀具管理水平，增加了數(shù)控加工的準備時間，制約了數(shù)控加工的效率和加工能力的進一步提高。隨著數(shù)控加工和刀具技術(shù)的高速發(fā)展，面對高效生產(chǎn)的挑戰(zhàn)和不斷降低制造成本的壓力，刀具的管理成為各制造企業(yè)日益關(guān)注的熱點。建立自動化、信息化的刀具管理存儲環(huán)境是解決目前刀具應用管理落后、低效現(xiàn)狀的 有效途徑。可以通過植入芯片進行刀具的全生命周期管理，從而合理地應用刀具資源。 5深化仿真技術(shù)應用研究，推動數(shù)字化制造體系的建立隨著計算機技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)控加工仿真技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，尤其在航

12、空、航天、國防及其他大規(guī)模復雜系統(tǒng)的研制開發(fā)過程中，數(shù)控加工仿真在減少損失、節(jié)約經(jīng)費、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮了巨大作用。基于VERICUT軟件構(gòu)建的數(shù)控加工仿真環(huán)境實現(xiàn)了數(shù)控編程的虛擬制造，比刀位文件 仿真更真實、直觀，極大地提高了數(shù)控編程的效率和質(zhì)量。如圖 4所示為五坐標加工中心 加工復雜肋零件時的仿真示意圖。仿真加工技術(shù)目前已經(jīng)成為數(shù)控加工研制過程中必不可少的環(huán)節(jié)。尤其對于飛機大型 復雜結(jié)構(gòu)件來說，其材料昂貴、結(jié)構(gòu)復雜、大量采用高速切削，相關(guān)設(shè)備極為昂貴。確保加 工過程中刀具軌跡、切削參數(shù)的正確性、合理性，杜絕過大余量切削、碰撞干涉、超程等意 外錯誤至關(guān)重要。因此，建立準確、

13、完整的仿真加工環(huán)境是必要的。6突破典型大件變形控制關(guān)鍵技術(shù)對于飛機結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工來說，由于產(chǎn)品類型多樣，結(jié)構(gòu)復雜，加工條件各異，因 此，零件的數(shù)控加工變形是數(shù)控加工中最難確定的因素，加工變形控制仍然是困擾數(shù)控加工的主要難題之一。(1)數(shù)控加工變形控制的一般方法。a.應力釋放原理。充分釋放內(nèi)應力是減小加工變形的有效手段。通過有限元模擬的狀態(tài)證 明，當零件材料沿某一個方向出現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)時，則沿此方向的內(nèi)應力將無法傳遞，在此斷裂界面上沿此方向的內(nèi)應力為零。如圖5所示是一種典型飛機結(jié)構(gòu)件內(nèi)應力釋放示例。b.應力平衡原理。內(nèi)應力不可能消除，只能盡量減小，或者使內(nèi)應力盡可能處于平衡狀態(tài)， 平衡的內(nèi)應力使

14、零件處于“動態(tài)”的穩(wěn)定狀態(tài)，達到控制變形的目的。c.余量補償原理。在加工過程中，如果已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的變形，則可以通過余量補償?shù)男?式減小變形?；谶@個原理控制變形的措施有：基準面、基準孔的重新修正，預留適當?shù)木庸び嗔康却胧?。d.減少應力的產(chǎn)生。除了材料固有的內(nèi)應力外，加工過程也會產(chǎn)生應力，造成加工變形，因此，盡可能減少加工中產(chǎn)生的應力，也是主要控制變形措施之一。例如，高速加工能大大減少加工表面應力的產(chǎn)生；提高冷卻效果也能大大減少加工表面應力的產(chǎn)生。(2)基于有限元仿真的數(shù)控加工變形模擬技術(shù)：對于零件數(shù)控加工變形控制的研究，目前國內(nèi)外仍然缺乏十分有效的研究手段，在實 際生產(chǎn)中主要憑借技術(shù)經(jīng)驗的

15、積累及反復試驗為基礎(chǔ)來設(shè)計數(shù)控加工工藝過程，存在很大的不確定性因素和研制風險。有限元模擬切削分析技術(shù)，是研究數(shù)控加工變形的有效技術(shù)之一。有限元仿真加工變 形模擬技術(shù)使得在加工之前可利用數(shù)值仿真技術(shù)模擬加工過程，對加工過程進行分析， 確定各種參數(shù)對零件變形的影響，預測復雜零件在加工過程中的變形、破裂情況，給設(shè)計和工藝技術(shù)人員提供進行設(shè)計和工藝分析的依據(jù)。7推動切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的應用，實現(xiàn)切削參數(shù)的標準化應用合理的切削參數(shù)是數(shù)控加工實現(xiàn)高速高效加工的前提，也是實現(xiàn)高速無人干預加工過程的必要條件。目前，基本的切削優(yōu)化技術(shù)主要有：基于動力學仿真的切削優(yōu)化技術(shù)、基于優(yōu)銃技術(shù)的切削參數(shù)優(yōu)化和基于幾何仿真切

16、削的優(yōu)化技術(shù)，分別有各自的應用優(yōu)勢和特點。(1)基于動力學仿真的切削優(yōu)化技術(shù)?；趧恿W仿真的切削優(yōu)化是以切削加工系統(tǒng)物理特征為基礎(chǔ)的仿真切削優(yōu)化技術(shù)?；驹硎峭ㄟ^對機床加工系統(tǒng)進行動力特性測試和分析，得到其固有頻率、阻尼比、模態(tài)剛度等參數(shù)，然后采用切削加工動力學仿真系統(tǒng)進行顫振穩(wěn)定域仿真，得到顫振穩(wěn)定域仿真曲線；最后根據(jù)顫振穩(wěn)定域仿真曲線，結(jié)合被加工工件特征選擇合理的切削參數(shù)(如圖6所示)。(2)基于優(yōu)銃技術(shù)(OPTIMILD的切削參數(shù)優(yōu)化。優(yōu)銃技術(shù)是一種采用自適應控制技術(shù)的應用系統(tǒng)。通過實時監(jiān)測每個機床主軸上的負載 /功率，以最優(yōu)進給速率的計算以及用計算所得的最優(yōu)進給速率對切削過程進行實

17、時控制。優(yōu)銃技術(shù)需要對每項零件多次進行切削優(yōu)化，得到的優(yōu)化結(jié)果只對該零件有效。(3)基于幾何仿真切削的優(yōu)化技術(shù)?；趲缀畏抡娴那邢鲀?yōu)化是針對切削過程中切削條件和待切削材料量的實時變化自動調(diào)整進給率的優(yōu)化措施，它能夠在一定程度上提高加工效率，改善切削過程。其基本原理是，以刀具實時材料去除率和刀具前進方向為優(yōu)化基礎(chǔ)，切削大量材料時，刀具進給率降低； 切削少量材料時，進給率相應地提高，保持機床負載的相對均衡和切削穩(wěn)定。這3種優(yōu)化技術(shù)在實際應用中都具有各自的特點和優(yōu)勢，但也各有一定的局限性，將其結(jié)合起來則能夠達到較好的效果。同時，在此基礎(chǔ)上通過建立典型切削參數(shù)庫，能夠?qū)崿F(xiàn)同類零件切削的參數(shù)標準化。結(jié)束

18、語進入21世紀，中國航空制造業(yè)面臨大飛機研制的歷史機遇，也面臨激烈的市場競爭 壓力，加速推進以數(shù)控技術(shù)為核心的高效制造技術(shù)將是解決制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 閱讀:霍龍軍三、但愿有一天你會記起，我曾默默地，毫無希望地愛過你。我這扇門曾為你打開，只為你一人打開，現(xiàn)在，我要把它關(guān)上了。四、你看我的時候我裝做在看別處，你在看別處的時候我在看你。五、陸上的人喜歡尋根究底，虛度很多的光陰。冬天擔憂夏天的遲來，夏天擔心冬天的將至。所以你們不停到處去追求一個遙不可及，四季如夏的地方，我并不羨慕。六、沒想到的是，一別竟是一輩子了。七、朋友們都羨慕我，其實羨慕他們的人是我。愛你，很久了，等你，也很久了，現(xiàn)在，我

19、要離開你了，比很久很久還要久八、Do something today that your future self will thank you for.從現(xiàn)在開始,做一些讓未來的你感謝現(xiàn)在的自己的事。九、有個懂你的人，是最大的幸福。這個人，不一定十全十美，但他能讀懂你，能走進你的心靈深處，能看懂你心里的一切。最懂你的人，總是會一直的在你身邊，默默守護你，不讓你 受一點點的委屈。真正愛你的人不會說許多愛你的話，卻會做許多愛你的事。十、很久很久，沒有對方的消息，也不再想起這個人，也是不想再想起。十一、我不怕我會忘記他，他在我心底開出了花。十二、我還在原地等你，你卻已經(jīng)忘記曾來過這里。十三、那都是很好很好的，我卻偏偏不喜歡。十四、向來緣淺，奈何情深？十五、習慣難受，習慣思念，習慣等你，可是卻一直沒有習慣看不到你十六、愛一個人最好的方式，是經(jīng)營好自己，給對方一個優(yōu)質(zhì)的愛人。不是拼命對一個人好，那人就會拼命愛你。俗世的感情難免有現(xiàn)實的一面：你有價值，你的付出才有人重視。蘇苓十七、雨水落下來是因為天空無法承受它的重量，眼淚掉下來是因為心再也無法承受那樣的傷痛。十八、所謂長大，