大型航空結構件數控加工裝備與先進加工技術

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大型航空結構件數控加工裝備與先進加工技術簡介
      本文從航空結構件的發展特點出發,結合國內外航空製造業現狀,對大型飛機結構件的數控加工裝備及數控加工技術進行探討,論述了當前大型航空結構件數……
大型航空結構件數控加工裝備與先進加工技術正文
    

本文從航空結構件的發展特點出發,結合國內外航空製造業現狀,對大型飛機結構件的數控加工裝備及數控加工技術進行探討,論述了當前大型航空結構件數控加工裝備的發展方向及先進數控加工技術。

自20世紀50年代第一台數控機床問世以來,數控機床及數控技術經歷了半個多世紀的發展,如今數控加工已普及到各個製造領域,不僅提高了產品加工質量和效率,縮短了生產周期,改善了勞動條件,而且對製造企業的產品結構和生產方式都產生了深遠的影響。數控加工作為一種高效、精密的數字化切削加工技術,成為飛機複雜結構件機械加工的主要手段,飛機結構件50%以上的加工工作量由數控加工完成。而隨著航空工業的不斷發展,飛機性能不斷提升,飛機結構件日趨大型化、複雜化,對相應的數控加工裝備及數控加工技術提出了更為苛刻的要求。本文從航空結構件的發展特點出發,結合國內外航空製造業現狀,對大型飛機結構件的數控加工裝備及數控加工技術進行探討,論述了當前大型航空結構件數控加工裝備的發展方向及先進數控加工技術。

航空結構件的發展和特點

1 航空結構件的發展趨勢

飛機結構件是構成飛機機體骨架和氣動外形的主要組成部分,隨著現代飛機為滿足隱身、超聲速巡航、超常規機動、高信息感知能力、長壽命、結構輕量化等方面的性能要求,大量地採用新技術、新結構、新材料,其結構件呈現出以下的發展趨勢。

(1)結構大型化。

相對於以往的小型結構件焊接、組裝模式,採用大型整體結構件可大量減少結構件零件數量和裝配焊接工序,並有效減輕飛機整機重量,提高零件強度和可靠性,使飛機的製造質量顯著提高,如F-22戰機后機身整體框毛坯尺寸達到4000mm×2000mm。

(2)結構複雜化。

飛機整體結構日趨複雜,其外形多數與飛機的氣動外形相關,周邊輪廓與其他零件還有複雜的裝配協調關係。同時,薄壁加筋結構使得結構件剛性弱,筋頂結構複雜,壁厚最薄部位不足1mm。

(3)材料多元化。

隨著新一代戰機性能的逐步提高,新型高性能材料不斷引入,高強度難加工材料和低密度輕質材料成為航空結構件的兩大類主要材料,結構件材料逐漸由鋁合金為主轉變為鋁合金、鈦合金、複合材料並重的局面。

(4)製造精確化。

精確製造對結構件形位、尺寸公差都提出了更高的要求,以滿足精確裝配的需要,如腹板最高精度達到±0.1mm,比前一代飛機提高一倍以上。

2 航空結構件的工藝特點

航空結構件的上述發展趨勢決定了其工藝特點:結構複雜,加工難度大——零件外形涉及機身外形、機翼外形及翼身融合區外形等複雜理論外形,且需與多個零件進行套合;切削加工量大——材料去除率達到90%以上,部分零件甚至達到98%;薄壁,易變形——存在大量薄壁、深腔結構,為典型的弱剛性結構;加工精度高——裝配協調面、交點孔等數量多,零件製造精度要求高;難加工材料比例大——以鈦合金、複合材料為代表的難加工材料比重越來越大,對航空製造業提出了嚴峻的挑戰。

航空結構件數控加工裝備發展方向

隨著航空工業的快速發展,一方面,飛機結構件尺寸越來越大,結構越來越複雜;加工精度越來越高;另一方面,飛機結構件中難加工材料比例越來越高,使得加工效率逐步成為制約飛機研製和批量生產的關鍵因素。為適應航空結構件的高效、高精度數控加工要求,高速、高精、智能、複合、環保等特點成為了實現現代飛機結構件數控加工裝備的主要發展方向。

1 高速加工是實現高效加工的主要途徑

高速加工技術不僅成倍地提高生產效率、改善零件的加工精度和表面質量,而且有效地解決了低速加工中一些難以解決的問題:例如實現超薄零件的加工、某些特殊材料(如纖維增強塑料等)的高效加工等。高速加工依然是目前實現這些飛機結構件高效加工的主要途徑。

近年來,高速加工相關技術得到了迅猛的發展,反映高速加工能力的各項性能指標不斷提高。當前應用的高速主軸,轉速可達420000 r/min,甚至更高;直線電機和力矩電機已逐步進入應用階段,進給速度越來越快,達到120m/min;進給加速度越來越大,大型機床進給加速度達到9.81m/s2,中小型機床進給加速度達到19.62m/s2,反映加速度變化率的加加速度(Jerk)已成為衡量高速性能的一項主要指標;切削效率越來越高,鋁合金結構件數控加工的材料去除率高達5000~7000cm3/min。

目前,以德國DS Technologie公司生產的Ecospeed系列機床為代表的高速五坐標並聯機床主軸擺動速度達到80°/s,加速度達到685°/s2,遠高於普通的串聯機床;其線性軸移動速度超過50m/min,加速度達到9.81m/s2;主軸最高轉速30000r/min,功率達到80kW,在航空鋁合金結構件生產中金屬去除率可達7000cm3/min,無疑代表著當今航空結構件高速加工的最高水平。同時,隨著機床技術的不斷發展,高速電主軸也開始逐步應用於鈦合金的高效加工,如INGERSOLL公司生產的H22-3R卧式機床採用了OMLAT的高速電主軸,主軸最高轉速10000r/min、最大扭矩830 N•m,在1000r/min時扭矩可保持在400N•m,在3000r/min時功率為45kW、扭矩仍超過150N•m,為鈦合金高效加工提供了良好的硬體基礎。

2 航空數控裝備逐步精密化

隨著飛機整體性能要求的提高,飛機結構件正向尺寸更大、精度更高的方向發展,大型結構件的精密加工是實現飛機結構件高效數控加工必須面對的挑戰。而隨著數控機床基礎大件結構特性和熱穩定性的提高、全閉環控制技術、溫度實時補償技術、在線監控技術等的突破,可使數控機床獲得更好的加工精度。

目前,提高機床精度的措施主要有:框中框熱對稱結構設計,可獲得高剛性、高精度和低移動質量;有限元結構優化設計,使機床結構剛性均勻分佈,固有頻率提高3~4倍,減小振動,提高表面加工質量;對發熱元件進行實時溫度控制和補償;機床幾何精度誤差和熱變形實時監控與補償。這些技術的應用使得機床精度大為提高,當前納米級數控機床已在生產中得到應用,最為典型的代表是瑞士DIXI公司的精密鏜銑床:定位精度≤0.8μm,重複定位精度≤0.1μm。

3 航空數控裝備的智能化、柔性化

數控機床智能化是指數控機床能夠獲得加工過程中產生的應變、振動、熱變形等與加工相關的信息,並自動補償和優化機床加工性能,以提高加工精度、表面質量和加工效率。目前,很多機床都逐步集成Artis等自適應控制系統,不僅可通過機床主軸監控(刀具平衡檢測、衝突檢測、軸承檢測等)及刀具監控(破損檢測、磨損檢測等)實現刀具、機床的過載保護,而且可通過加工過程中的數據採集及系統自動判斷進行實時速度調控,從而實現穩定負載的高效加工。

為進一步提高設備利用率及數控加工效率,航空製造業開始大量引進柔性製造單元(FMC)及柔性製造系統(FMS),而卧式加工中心及立卧轉換加工中心由於其排屑性能良好,在柔性製造單元及柔性製造系統中得到了更為廣泛的應用。在柔性製造系統中,多台加工設備及刀具在線檢測、加工坐標系自動找正輔助裝置結合在一起可以實現高效率的自動化加工:工作台自動交換與裝夾系統實現加工零件的自動更換;加工坐標系找正系統採用測頭實現加工坐標系的自動找正、設定和補償;刀具在線檢測系統實現對使用刀具的長度、直徑等主要參數進行檢測並自動輸入,根據使用要求對刀具誤差進行補償或狀態判斷。

數控加工技術的新發展

大型航空結構件的數控加工,關鍵在於質量和效率。而制約數控加工質量和效率的主要因素,一方面在於機床硬體條件,而更為重要的還在於支撐高效數控加工的相關使能技術,如刀具技術、工裝技術、工藝設計及模擬技術等。

1 刀具技術的發展

刀具技術是數控加工的關鍵技術之一,也是限制難加工材料加工效率的一個技術瓶頸。隨著刀具技術的進步,刀具材料和刀具結構不斷改進,刀具種類越來越多,如何合理選擇刀具及切削參數是提高數控加工效率的核心所在。

在鋁合金材料加工方面,高速切削技術已經得到全面應用,在高速粗加工過程中大量應用可轉位高速立銑刀,在大功率高速機床上可達到6000cm3/min的金屬去除率,加工成本也可得到有效的控制;整體硬質合金刀具是當前鋁合金高速加工的主要刀具,主要用於鋁合金零件的精加工或窄槽的粗精加工,可獲得好的表面質量並具有較長的刀具壽命。而陶瓷、金剛石及立方氮化硼等超硬刀具有極高的耐磨性,幾乎不受切削速度的限制,切削抗力小,沒有積屑瘤,能夠最大限度地發揮高速機床的加工效率,非常適合於鋁合金的高速加工,將逐步成為鋁合金高速加工的首選刀具。

在鈦合金材料加工方面,由於鈦合金的切削加工性較差(其相對切削性在0.15~0.25之間),採用傳統加工方式時切削速度一般不超過50m/min,粗加工金屬切除率一般不超過40cm3/min,精加工金屬切除率不超過10cm3/min。目前,國內一些航空製造企業已經開始探索並應用鈦合金高效加工方法:粗加工採用可轉位玉米銑刀實現大切深、小進給的強力切削,該刀具有效避免了大懸伸刀具在加工過程中的振顫現象,比普通圓柱立銑刀加工效率更高;精加工前先使用插銑刀具對圓角進行加工,使精加工余量均勻;精加工過程中採用PVD塗層硬質合金刀具進行小切寬、大切深的高速銑削(切削速度達到170m/min)方式,使精加工時間縮短60%以上。

2 工裝技術的發展

目前,國內大型航空結構件的裝夾方式較為單一:鋁合金結構件主要採用預留工藝耳片,並使用螺釘壓緊或真空吸附;鈦合金等難加工材料主要採用壓板壓緊;蜂窩芯材料則主要採用雙面膠帶粘結固持。而數控發達國家已大量使用帶氣動、液壓及控制系統的自動夾具。採用數控多點自動調節、真空吸附或機械夾頭的柔性夾具,可實現對不同形狀的大型結構件在機床上的柔性、快速定位和裝夾,已成為數控工裝設計製造的發展方向,是提高數控加工效率的另一關鍵技術。這項技術在加工薄壁結構件、大型復材結構件及蒙皮類零件時的優勢尤為明顯。當前,國內部分航空企業已開始引進帶有柔性夾具的專用數控設備進行複合材料的加工。在蜂窩芯材料加工方面,浙江大學研究出一種基於強磁場和摩擦學原理的高速加工固持方法,並研製出相應的工裝,取得良好的應用效果,加工蜂窩芯的質量和效率均有大幅提升。

3 工藝設計及模擬技術

工藝程編人員充分利用各種工藝資源進行零件工藝及數控程序編製的全過程即為數控工藝設計,它直接影響零件生產計劃及現場加工的質量,是整個數控生產至關重要的環節。航空製造業所面臨的通常都是多品種、小批量的生產任務,新機研製任務繁重,數控工藝設計已成為制約數控生產新的「瓶頸」。在此背景下,國內航空企業紛紛展開基於知識的高效程編技術研究,其中成飛公司與國內相關院校合作開發了基於三維特徵的快速程編系統,該系統在CAD/CAPP/CAM集成環境下,以加工特徵為基礎,實現了對飛機結構件的快速編程。目前該系統已完成開發並獲得驗證成功。

國外的情況,西門子公司收購UG后,正致力於搭建虛擬環境(工藝設計環境)與現實環境(實際加工環境)的無縫平台,以實現CAM-CNC集成:在車間數字化協同平台下,實現在工藝設計過程中機床系統信息(如系統內核、精度設置、高級指令、刀具壽命管理等) 集成,在CNC端實現在線模擬和工件的在線檢測,並將信息反饋回CAM系統。該項目的實施不僅促成工藝設計與實際加工信息的集成,同時也將大幅提升NC程序編製的效率和質量。

數控加工過程的模擬是虛擬製造技術的核心技術之一,主要分為幾何模擬和物理模擬。目前國內航空製造業進行的數控加工模擬還只停留在幾何模擬的層面上,其作用主要是檢查數控程序刀具軌跡的正確性和幾何干涉碰撞問題,而要實現更精確的模擬則必須對加工過程中的物理現象進行研究。國外在物理模擬技術研究方面起步較早,已開發出相應的的模擬軟體,如Cutpro、MetalMAX、AdvantEdge等,最早在波音、普惠等航空製造企業中得到成功應用,現已應用到刀具、汽車、模具等多個製造領域。國內,北京航空航天大學劉強教授等人開發了一套銑削加工動力學模擬優化系統SimuCut,該系統可實現銑削過程的力學模擬及切削參數的優化選擇,並已在軍工行業得到成功應用。

4 其他相關前沿技術

振動切削是在刀具(工具)或工件上附加一個或多個不同方向的低頻、中頻或超聲振動,使傳統封閉切削區加工變成切削區周期性打開的間斷、瞬間、往複的斷續切削過程。與普通切削相比,振動切削具有切削力小、切削熱低、工件表面質量顯著提高等優點,目前在鑽孔、攻絲、銑削、車削、磨削等領域都有了廣泛的應用,是機械加工的一個重要發展方向。國外應用較為成功的蜂窩芯超聲切割,其切割力小,切割精度高,切割邊緣平滑,無破損碎屑,可很好地解決蜂窩芯薄邊加工技術難題。

另外,綠色製造作為一種綜合考慮環境影響和資源效率的先進位造模式,已逐步成為製造業發展的風向標。目前,國內部分航空企業正努力通過高速加工技術、微量潤滑技術(MQL)、成組加工技術等各種途徑,逐步向綠色製造邁進。

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