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  • 航空制造技術對機床工具發展的需求

    機床工具產業是國民經濟發展的基礎,是裝備制造業發展的重中之重。以航空制造業為代表的高新技術產業的快速發展,勢必帶動和促進裝備制造業的發展,為機床工具行業市場開拓帶來了新的契機和巨大的商機,對裝備制造業的產品結構和生產方式都將產生深遠影響。


    在重點工程的支持和市場需求的拉動下,我國航空工業獲得了長足的進步,取得了一系列的自主創新成果, 新型先進戰機已成為我國軍隊裝備的主力,ARJ21、“新舟”60、“新舟”600、“新舟”700等民用飛機的研發制造也取得了重大進展,這些成果為我國航空工業的跨越式發展奠定了堅實的基礎。


    航空制造技術分析

    航空產品零件的結構特點:現代飛機為滿足高速、高機動、高負載和遠航程等性能要求,大量地采用新技術、新結構、新材料,其零件越來越向尺寸大型化、型面復雜化、結構輕量化、材料多元化和制造精密化發展。如飛機機身結構件的典型零件梁、框、肋、壁板、桁條以及航空發動機的關鍵件機匣、各類葉片和整體葉盤等,其輪廓大而形狀各異。為了減輕飛機的重量,增加飛機的機動性及有效載荷和航程,現代飛機都進行了輕量化設計,廣泛采用高強度的新型輕質材料。而為了提高零件的強度和可靠性,主要采用了整體毛坯件和薄壁整體框架結構,零件材料除了大量采用鋁合金外,還廣泛采用鈦合金、耐高溫合金、高強度鋼、復合材料和工程陶瓷等難加工材料。


    航空產品零件的工藝特點:各類零件規格尺寸和結構相差懸殊,機床工具等工藝裝備通用性不高。如加工機身結構件需要采用高剛性的高效、大型、高速機床,加工發動機關鍵件需要采用精度及柔性高的精密機床,加工機載設備零件的需要采用多功能的復合機床;現代航空制造業所面臨的通常都是多品種、小批量、短生產周期的生產任務,因此要求工藝系統有較高的響應速度;產品零件結構復雜,加工難度大。零件的外形涉及機身外形、機翼外形、翼身融合區等, 多數零件與飛機的氣動外形相關,周邊輪廓與其他零件還有復雜的裝配協調關系;零件切削加工量大。由于越來越多地采用整體結構設計,使得需要切削加工的零件數量大幅增加,而且大部分零件在切削過程中材料去除量非常大,部分飛機結構件的材料去除率達90%以上;薄壁易產生加工變形。飛機存在大量的薄壁、深腔結構, 為典型的弱剛性結構,加工精度高。由于要實現無余量裝配,對工藝分離面的對縫、間隙等要求十分嚴格,零件制造精度要求高;刀具及切削參數選用困難。由于刀具工業的發展趕不上新材料的開發和應用步伐,又缺少加工切削數據庫的支持,使得如何合理選擇刀具和科學選用加工參數成為工藝技術的一個難點。


    航空制造技術現狀:經過航空制造業界的不懈努力,我國飛機制造技術水平、加工質量逐年穩步提高,航空發動機研發和制造的技術瓶頸也取得重大突破,數控加工機床在行業內也基本得到普及。


    目前,我國航空制造技術雖然取得了長足的進步,但與國外發達國家相比還是存在較大的差距。主要表現在數控加工技術的應用水平整體不高, 與優質高效的加工要求相去甚遠;對新型機床的性能及其加工技術掌握不夠;部分關鍵零件的工藝還依賴于個人的經驗,工藝能力普遍不足;切削工具的制造、管理和配套水平低,刀具及其切削參數的選用缺少科學依據, 制造成本居高不下;航空制造數據庫還沒有系統的建立起來,各先進制造單元大多數還處于獨立運行狀態,集成度差,未能形成先進制造技術的綜合實力。


    航空制造技術的發展趨勢:實現產品全生命周期的數字化管理是發展的核心。包括數字化樣機、數字化設計、數字化加工、數字化裝配、數字化檢測及數字化信息管理等,最終達到完全實現產品在各個階段的信息集成與共享;新型復合材料的應用比例越來越大。以碳纖維為代表的陶瓷基、樹脂基及高溫復合材料將不斷地開發出來并應用于現代飛機上,給機床及刀具工業提出了新的要求;航空整體結構件將取代傳統的“多件連接”的結構形式,復雜形狀構件的整體精密成形和“鍛造+切削加工”的生產方式將成為航空結構件發展的必然趨勢;數控復合加工技術是提高加工效率、增加裝備柔性、保證產品質量的有效手段, 必將成為航空制造業主要采用的零件加工技術;高速、高效的切削加工技術需求強烈,發展迅速,推廣應用的前景廣闊;為減少切削量和實現無余量裝配,成形技術和加工技術日趨精密化;虛擬制造和網絡加工技術將廣泛應用。以仿真技術為基礎的虛擬制造技術能夠大幅縮短產品的研制周期, 提高產品合格率。而基于網絡的加工技術可以組建產品級的動態企業聯盟, 從而實現協同設計和異地制造。


    航空制造業對機床工具的需求


    隨著我國航空工業的快速發展, 對數控機床的需求正處于上升階段, 尤其是研制大飛機必將吸納大量的高品質的機床工具為其服務,對機床工具行業的發展提出了挑戰的同時也提供了難得的發展機遇。


    航空制造業需機械加工的典型零件主要有機身結構件、發動機關鍵件、起落架零件及機載產品零件等。由于它們的結構和性能要求各異,對機床工具的需求也各有側重。


    飛機機身結構件主要有梁、框、肋、壁板等零件,此類零件大多為鋁合金或鈦合金材料,一般外形輪廓尺寸都很大,屬薄壁多腔的整體框架結構, 機械切削去除量大,表面質量要求高。加工此類零件需要大型、重型機床裝備,要求工作臺承重10噸以上,有效行程在15米以上的高剛性機床。如數控龍門鏜銑床、數控龍門加工中心、數控落地鏜銑床和數控五軸聯動龍門加工中心等。由于機械切削量大,對能實現柔性、復合加工的大功率數控高速切削機床需求尤為迫切,如多主軸的大型組合式復合加工中心等。


    飛機發動機關鍵零部件有壓氣機、燃燒室、渦輪等。此類產品的零件多為高溫合金或耐高溫的復合材料,一般為異型環狀結構,剛性差、精度高、型面復雜、加工難度大。加工此類零件需要大、中型多功能、高精度數控機床, 要求設備具有較高的柔性、優良的數控系統、在線測量功能強大、工位多、刀具庫容量大,如大型精密數控立式車削中心、五軸聯動加工中心及多軸數控龍門銑,另外還需針對發動機葉輪開發高性能葉輪加工專用機床。


    飛機起落架一般采用高強度鋼的鍛造毛坯經機械加工而成。鍛造起落架的毛坯需要萬噸級壓力機, 毛坯的加工需要中、大型數控落地鏜銑床、五軸聯動龍門加工中心等設備。


    機載產品零件種類繁多、結構復雜、材料多樣、性能各異。加工此類零件需要中、小型高精度的多功能數控復合機床及高速數控銑床, 如高精度的立、臥式加工中心及高精度的車、銑、磨復合加工中心等機床設備。



    機床工具服務于航空航天制造業的發展之路


    國家重大裝備的發展需求,給機床工具產業的發展指明了方向。針對航空航天裝備的需求與發展特點,如何滿足航空航天工業對制造裝備的需求,更好地服務于航空航天工業是機床工具企業必須解決的問題。


    機床制造業要力爭通過承擔國家科技重大專項,瞄準世界先進水平,引進先進技術和專業人才,推動數控機床行業的技術升級和產品換代,研制可以滿足航空航天等重點領域所急需的高檔機床裝備。


    要借助“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項啟動實施之機,加強數控機床基礎理論研究和應用研究, 提升機床工具自主研發和創新設計能力。重點開發高速精密復合數控金切機床、重型數控金切機床、大飛機制造所需的各種數控專用設備,逐漸擺脫我國高端機床依賴進口的局面。


    大力發展多功能的復合機床。雖然目前有的加工中心已實現能將車、銑、鏜、磨、拋光等多種機加工工序復合在一臺機床上,但這仍不能完全滿足未來航空關鍵零件的加工。而將機械加工與激光、電、化學、超聲波等不同機理的加工方法進行復合,兼備多種不同工藝特點的復合加工機床在今后的航空航天制造業中將有廣闊的發展應用前景。


    協調機床主機與數控系統、功能部件、切削刀具和測量裝備的平衡發展,完善產品功能,提高關鍵配套設備自主開發和制造能力。


    深入進行用戶的加工工藝研究, 開發成套的機床裝備和工藝技術。裝備服務于工藝,工藝是裝備的目的, 為實現工藝與裝備的緊密融合,機床企業必須了解和熟悉用戶工藝,關注用戶制造工藝技術發展的動態,準確地為產品進行市場定位,研發滿足用戶要求的新裝備。力爭在提供給用戶機床設備的同時,也提供工藝技術上的整體解決方案,以提升企業和產品的競爭力。


    重視系統設計,融入信息技術, 推行數字化制造,大力提高機床裝備的制造工藝水平和整機的可靠性及穩定性。在機床裝備研發技術路線上,堅持以數字化為主體,以集成化為手段, 以復合化為特色,以高速化、精密化和綠色化為目標,突出自動化、網絡化, 并最終實現智能化。



    來源:中國航空報

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