【中國機床商務(wù)網(wǎng)】導(dǎo)讀：飛機結(jié)構(gòu)件是飛機的主要受力部件，零件外形與飛機的氣動外形相關(guān)，周邊輪廓與其他零件具有復(fù)雜的裝配協(xié)調(diào)關(guān)系，槽腔、薄壁、筋、肋及高精度孔等是其主要的結(jié)構(gòu)特征，大量的空間復(fù)雜曲面需要五軸聯(lián)動數(shù)控加工，因此飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工裝備的基本需求為高精度五軸聯(lián)動。以高精度五軸聯(lián)動加工為特點的航空制造業(yè)既是制造業(yè)技術(shù)水平的標(biāo)志，又是一個國家數(shù)控創(chuàng)新與發(fā)展的策源地。因此，各國競相在航空制造業(yè)方面展開競爭，各國數(shù)控設(shè)備、數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控刀具等企業(yè)均針對航空制造業(yè)的需求提出了解決方案和發(fā)展規(guī)劃。我國2009年開始實施的《數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備》國家科技重大專項也把航空制造業(yè)作為重點目標(biāo)對象予以支持，以推進國產(chǎn)數(shù)控機床在航空制造業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用，實現(xiàn)關(guān)鍵制造裝備的自主研發(fā)、生產(chǎn)和供給。
　　
　　飛機結(jié)構(gòu)件的發(fā)展趨勢及需求分析
　　
　　隨著現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的發(fā)展和飛機性能提升的需求，飛機結(jié)構(gòu)件也呈現(xiàn)出一些新的變化，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　
　?。?）零件向整體化、大型化發(fā)展。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計是飛機減輕重量和提高性能的主要途徑，在現(xiàn)代飛機設(shè)計中，整體結(jié)構(gòu)件呈現(xiàn)出數(shù)量越來越多、零件尺寸越來越大的發(fā)展趨勢。如F-22戰(zhàn)機后機身整體框毛坯尺寸達到4000mm×2000mm，A350內(nèi)后側(cè)梁達到6000mm×1200mm。預(yù)計在未來的設(shè)計中整體框結(jié)構(gòu)尺寸將超過3000mm×4500mm,梁的長度將超過7000mm（圖1）。

　　
　?。?）零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、零件制造化。作為主要承力部件的飛機結(jié)構(gòu)件，不但要滿足與其他零件的裝配協(xié)調(diào)關(guān)系，還有自身的結(jié)構(gòu)尺寸精度、零件重量等方面的要求。在飛機結(jié)構(gòu)零件尺寸向更大方向發(fā)展帶來的結(jié)果是零件結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，大型化整體結(jié)構(gòu)件已經(jīng)開始與周邊連接段零件融合為一體，具有高精度裝配孔的耳片結(jié)構(gòu)等大量出現(xiàn)在整體構(gòu)件上。另外，在零件尺寸變大的同時，零件加工的尺寸精度反而提高，緣條厚度、腹板厚度更薄，轉(zhuǎn)角半徑、底角半徑更小，槽腔深度、緣條高度更大，造成零件制造精度和制造難度大為提高，再加上大量裝配高精度孔的出現(xiàn)，所以制造將是未來飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)。大型飛機結(jié)構(gòu)件的精密加工將是對數(shù)控機床行業(yè)的一個挑戰(zhàn)，提高數(shù)控機床基礎(chǔ)大件結(jié)構(gòu)特性和熱穩(wěn)定性，控制環(huán)境溫度、加工狀態(tài)等不確定因素以提高機床加工精度將是機床制造業(yè)與航空制造業(yè)共同關(guān)注的焦點（圖2、圖3）。

　　
　　（3）零件材料多樣化。隨著現(xiàn)代飛機高速、高機動性能要求的不斷提高，具有比強度高、抗腐蝕性好、耐高溫等一系列突出優(yōu)點的材料在飛機設(shè)計中被大量采用，逐漸成為飛機結(jié)構(gòu)件的主要材料，如鈦合金、復(fù)合材料等。從美國歷代戰(zhàn)機主要材料分布圖發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代飛機材料已經(jīng)從以前的鋁合金獨霸天下變成了鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料三分天下的局面，而且復(fù)合材料、鈦合金還有進一步擴大的趨勢，例如在A350、波音787中復(fù)合材料比例均已達到50%以上。因此加工裝備不僅要解決鋁合金飛機結(jié)構(gòu)件加工，還要解決鈦合金、復(fù)合材料加工（圖4）。

　　
　　基于飛機結(jié)構(gòu)件所呈現(xiàn)出的多種材料、大尺寸、高精度復(fù)雜曲面的發(fā)展趨勢，未來飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工將面臨大型復(fù)雜曲面高精度五軸加工、鈦合金加工、復(fù)合材料綠色制造等技術(shù)難題，數(shù)控加工機床也將圍繞解決這3個問題而進行相應(yīng)的研發(fā)工作。
　　
　　飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工機床的發(fā)展方向
　　
　　針對飛機結(jié)構(gòu)件發(fā)展提出的需求，國外數(shù)控機床行業(yè)與航空制造企業(yè)在大型高精度加工機床、鈦合金加工機床以及自動化數(shù)控加工系統(tǒng)這3個方面做了大量研究，并且已經(jīng)有部分產(chǎn)品投入生產(chǎn)應(yīng)用。
　　
　　（1）大型高精度數(shù)控機床。傳統(tǒng)意義的高精度機床主要是指小型裝備，如DIXS、SIP等公司的坐標(biāo)鏜，該類機床的行程在1000mm左右。要實現(xiàn)飛機大型整體結(jié)構(gòu)件五軸聯(lián)動復(fù)雜曲面的高精度加工，必須在大型龍門機床上進行，而該類機床的行程一般為2500mm×6000mm。為了實現(xiàn)大型機床高精度五軸加工，目前已經(jīng)開始采用空間定位精度來表示機床精度。如DST公司提供給洛馬公司用于JSF/F35項目的FOGS系列高精度五軸數(shù)控龍門銑床的空間定位精度為1.6μm/m3。大型高精度數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在幾何精度補償、空間精度快速補償及熱變形控制等方面。為此，西門子公司的SINUMERIK840Dsl推出了VCS（VolumetricCompensat*tem）通過數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)實現(xiàn)對21項幾何誤差的補償以獲得更高的幾何精度；DST公司在VCS的基礎(chǔ)上開發(fā)了KMS補償系統(tǒng)，不僅能夠完成單軸線性和旋轉(zhuǎn)6項誤差與垂直度誤差的補償，還能對旋轉(zhuǎn)軸和刀具長度進行手動補償，通過4球測量、空間對角線測量等實現(xiàn)機床空間誤差的快速補償；在熱誤差控制方面，通過空調(diào)系統(tǒng)對機床各部件的溫度進行實時控制，以減少熱誤差對機床精度產(chǎn)生影響（圖5、圖6）。

　　
　　（2）鈦合金加工機床。飛機整體結(jié)構(gòu)零件一個顯著特點就是材料利用率非常低，僅只用2%~10%，因此，提高加工效率是飛機結(jié)構(gòu)件加工必需解決的問題。以高轉(zhuǎn)速、高進給為特點的高速加工機床有效解決了鋁合金整體結(jié)構(gòu)件的加工問題；當(dāng)鈦合金材料在飛機零件中的占比越來越大，其在0.05~0.4之間的相對切削加工性導(dǎo)致加工效率極低，因此如何實現(xiàn)鈦合金加工，提高其加工效率是數(shù)控機床行業(yè)與航空制造企業(yè)共同面臨的難題。目前，斯達拉格、DST、INGERSOLL、MCM等公司對此進行了大量的研究，均選擇了鈦合金臥式加工的解決方案，靜壓導(dǎo)軌、鑄鐵床身、大扭矩機械主軸以及可更換的大扭矩叉式銑頭、直銑頭等構(gòu)成了新型的鈦合金加工機床，預(yù)計其粗加工效率提高60%、精加工效率提高600%。機床加工能力的提高對鈦合金加工刀具和工藝技術(shù)將提出新的要求（圖7）。

　　
　?。?）自動化數(shù)控加工系統(tǒng)。當(dāng)我們還在討論單臺設(shè)備加工性能的時候，以提高加工效率、控制產(chǎn)品質(zhì)量、多功能集成為特點的自動化加工系統(tǒng)在飛機零件生產(chǎn)中悄然開始應(yīng)用。洛馬公司的JSF/F35項目的碳纖維蒙皮加工系統(tǒng)將數(shù)控加工、零件檢測、零件清洗、零件烘干等集成在一個加工系統(tǒng)之中，操作人員在控制室里對零件生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，由系統(tǒng)內(nèi)的物流小車自動進行零件轉(zhuǎn)運。以斯達拉格STC系列臥式加工中心為基礎(chǔ)的柔性生產(chǎn)線在英宇航和法宇航等飛機結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中得到應(yīng)用。自動化數(shù)控加工系統(tǒng)不僅有利于提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，其相對封閉性解決了碳纖維粉塵對人體和環(huán)境的危害，是復(fù)合材料綠色制造的解決方案（圖8）。
　　
　　國產(chǎn)數(shù)控機床現(xiàn)狀及存在問題
　　
　　近幾年，國內(nèi)數(shù)控機床發(fā)展迅速，尤其在中檔和經(jīng)濟型數(shù)控領(lǐng)域內(nèi)*較高，但是在數(shù)控機床方面發(fā)展較為緩慢。近幾年，在國家數(shù)控機床國產(chǎn)化戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，尤其是《數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備》的實施，部分機床企業(yè)在五軸聯(lián)動數(shù)控機床方面取得了一些技術(shù)突破，研制產(chǎn)品在國內(nèi)航空制造業(yè)內(nèi)開始應(yīng)用，能夠完成飛機結(jié)構(gòu)零件的五軸加工。
　　
　　從國產(chǎn)數(shù)控機床的產(chǎn)品研制、生產(chǎn)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化進程來看，目前我國數(shù)控機床方面還存在較為嚴(yán)重的問題，這些問題如果不能夠得到解決，將直接影響到我國裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。
　　
　　首先，在產(chǎn)品研制階段，機床企業(yè)是在與用戶簽訂了商業(yè)合同后才開始進行新產(chǎn)品研發(fā)的。這種研發(fā)模式依靠用戶資金進行新產(chǎn)品研發(fā)，對用戶風(fēng)險太大，而機床企業(yè)不需要投入研發(fā)資金。所以當(dāng)用戶沒有足夠的技術(shù)力量在產(chǎn)品設(shè)計、制造、安裝、驗收等環(huán)節(jié)對機床企業(yè)進行監(jiān)控，其產(chǎn)品研發(fā)失敗的可能性非常大。這種現(xiàn)狀是造成機床用戶不愿采購國產(chǎn)數(shù)控機床、機床企業(yè)與用戶需求脫節(jié)的主要原因。
　　
　　第二，在產(chǎn)品應(yīng)用階段，一方面是售后服務(wù)質(zhì)量，尤其是售后服務(wù)人員的技術(shù)水平對用戶的現(xiàn)場生產(chǎn)影響很大。這是由于售后服務(wù)安排時按定型產(chǎn)品進行考慮，未考慮到現(xiàn)場服務(wù)人員不具備五軸數(shù)控機床維修能力。另一方面，機床企業(yè)沒有對研制產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)用情況進行跟蹤，不能進行產(chǎn)品的進一步改進和完善。
　　
　　第三，在產(chǎn)業(yè)化進程方面，機床企業(yè)基本上沒有長遠(yuǎn)的規(guī)劃，甚至有些企業(yè)在完成*設(shè)備研制后，由于沒有后續(xù)產(chǎn)品訂貨，其設(shè)計研發(fā)團隊就解散了，無法進行產(chǎn)品的優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)化工作。
　　
　　國產(chǎn)數(shù)控機床的研發(fā)模式及產(chǎn)品定位
　　
　　在歐美發(fā)達國家，航空制造企業(yè)的數(shù)控機床基本形成了由本國的一家或幾家主要供給的格局，并在數(shù)控加工機床方面代表相應(yīng)的發(fā)展方向。如美國波音、洛馬等公司的裝備供應(yīng)商主要為CINCINNATI、INGERSOLL，德宇航數(shù)控機床主要供應(yīng)商為DST，法宇航數(shù)控設(shè)備主要供應(yīng)商為FOREST-LINE。這些機床制造商與機床用戶形成了長期的技術(shù)合作聯(lián)盟，密切關(guān)注用戶需求，針對用戶新的需求、采用聯(lián)合研制的方式進行新產(chǎn)品的研發(fā)。通常其新產(chǎn)品的技術(shù)簽定由用戶技術(shù)人員完成，并根據(jù)用戶建議進行完善和改進。如INGERSOLL公司新開發(fā)的POWERMILL臥式加工中心，在樣機安裝完成后由波音公司技術(shù)人員在INGERSOLL安裝現(xiàn)場進行了長達3周的測試，給出了詳細(xì)的測試報告。INGERSOLL公司根據(jù)測試報告完成設(shè)計定型，自此波音公司才與INGERSOLL簽訂采購合同。
　　
　　國外航空裝備研發(fā)模式值得我們借鑒，機床企業(yè)和用戶企業(yè)“抱團發(fā)展”應(yīng)該成為我國數(shù)控機床研發(fā)的主要模式：通過與用戶企業(yè)的合作研發(fā)，可以了解和明確用戶工藝需求，解決對用戶需求不清的問題；用戶參與設(shè)計和技術(shù)方案評審，可以了解用戶關(guān)注點，解決設(shè)計與應(yīng)用現(xiàn)場脫節(jié)的問題；用戶參與產(chǎn)品設(shè)計、制造、安裝等過程，通過用戶把關(guān)，解決產(chǎn)品質(zhì)量控制問題；用戶對研制產(chǎn)品進行性能檢測，可以獲取*檢測技術(shù)和經(jīng)驗，解決新產(chǎn)品檢測標(biāo)準(zhǔn)缺乏的問題；雙方技術(shù)合作，獲取用戶市場，解決機床制造經(jīng)驗缺乏問題。
　　
　　針對飛機結(jié)構(gòu)零件對數(shù)控機床的需求，結(jié)合前期我國數(shù)控機床的研發(fā)與應(yīng)用情況，國產(chǎn)數(shù)控機床重點應(yīng)該在量大面廣的設(shè)備上加大投入，力爭在該類設(shè)備上取代進口設(shè)備。鋁合金加工重點為AC擺角結(jié)構(gòu)的高速加工機床，主軸轉(zhuǎn)速24000r/min，主要類型有高架橋式五軸（三軸）高速銑床、龍門立式五軸（三軸）高速加工中心、雙工作臺臥式五軸（三軸）高速加工中心；鈦合金加工重點為AB擺角結(jié)構(gòu)的重載加工機床，機械主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，主要類型有龍門移動式五軸（三軸）數(shù)控銑床、立柱移動式五軸（三軸）立式加工中心；對鋁合金高架橋結(jié)構(gòu)增加防護罩可以進行復(fù)合材料加工。上述設(shè)備類型在目前國內(nèi)均有相應(yīng)產(chǎn)品進行研發(fā)，其覆蓋面達到飛機結(jié)構(gòu)件加工機床的80%。
　　
　　結(jié)束語
　　
　　飛機結(jié)構(gòu)件的發(fā)展趨勢對數(shù)控機床提出了新的要求，大型高精度機床、鈦合金加工機床以及自動化數(shù)控加工系統(tǒng)了目前飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控機床的發(fā)展方向。國產(chǎn)機床制造商應(yīng)該結(jié)合用戶需求和行業(yè)發(fā)展方向，根據(jù)企業(yè)自身特點和產(chǎn)品特點，通過與機床用戶合作生產(chǎn)來實現(xiàn)國產(chǎn)數(shù)控機床的生產(chǎn)應(yīng)用，推進國產(chǎn)裝備的產(chǎn)業(yè)化進程。
　　
　　（文章來源：航空制造技術(shù)）