大飛機(jī)制造為何受制于機(jī)床設(shè)備發(fā)展

獵人j

來源：航空制造技術(shù)    作者單位：沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)
    航空產(chǎn)品的性能、質(zhì)量與生產(chǎn)效率是與其制造裝備，尤其是機(jī)床設(shè)備的發(fā)展密不可分的。一般說來，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以用戶與市場需求為導(dǎo)向，但設(shè)計(jì)目標(biāo)能否最終實(shí)現(xiàn)，受到裝備與制造工藝水平的制約。航空產(chǎn)品也是如此。                                      航空產(chǎn)品的性能、質(zhì)量與生產(chǎn)效率是與其制造裝備，尤其是機(jī)床設(shè)備的發(fā)展密不可分的。一般說來，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以用戶與市場需求為導(dǎo)向，但設(shè)計(jì)目標(biāo)能否最終實(shí)現(xiàn)，受到裝備與制造工藝水平的制約。航空產(chǎn)品也是如此。

　　航空零部件普遍具有十分復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)、較高的精度和檢測要求，同時(shí)大量使用鈦合金、高溫合金、不銹鋼、高強(qiáng)度鋁合金、復(fù)合材料等高性能材料，以保證航空產(chǎn)品對(duì)于其使用性能及環(huán)境、強(qiáng)度與重量的特殊要求。這些零部件從制造到檢測對(duì)于其制造工藝與裝備有著很高的要求。同時(shí)伴隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，面對(duì)風(fēng)云變幻的國際形勢和瞬息萬變的市場，過去長達(dá)10~15年的航空產(chǎn)品研制周期已經(jīng)不能滿足現(xiàn)今的客戶需求。這就要求航空制造企業(yè)必須對(duì)市場的變化有快速反應(yīng)的能力，盡量縮短產(chǎn)品的研制周期，并能夠?qū)︻A(yù)研產(chǎn)品有足夠的預(yù)驗(yàn)證能力。這些也對(duì)航空產(chǎn)品制造裝備以及相配套的軟硬件條件提出更高的需求。

        　　航空產(chǎn)品與機(jī)床設(shè)備發(fā)展的相互影響可以從兩個(gè)方面來分析：一方面，對(duì)于航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能的不斷追求，促進(jìn)了相關(guān)多種技術(shù)和裝備的發(fā)展。如熔模鑄造、粉末冶金、數(shù)控、在線檢測等。而這些技術(shù)和裝備的廣泛應(yīng)用，又促進(jìn)了其他行業(yè)（諸如機(jī)械設(shè)備、交通運(yùn)輸、醫(yī)療、消費(fèi)等）水平的普遍提高;另一方面，相關(guān)技術(shù)裝備、材料工藝及配套軟硬件技術(shù)的提升以及新裝備新技術(shù)（如無余量加工、增材制造、FMS、PDM、MBD技術(shù)）的普遍應(yīng)用，又反過來影響和改變著航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模式，不但使以前無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，而且不斷促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能和制造水平的提升。

毛料精化與無余量制造機(jī)床設(shè)備

        　　航空產(chǎn)品毛料對(duì)成品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。由于航空零件普遍結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，傳統(tǒng)的毛料制造技術(shù)往往無法滿足其表面尺寸與精度要求。很多表面在鑄造和鍛造成型之后還需要由機(jī)械加工來完成，如發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤、壓氣機(jī)葉片等。由于航空零件大量采用造價(jià)昂貴的難加工材料，較大的毛料余量不但造成材料的浪費(fèi)，而且使航空產(chǎn)品機(jī)械加工的效率十分低下。同時(shí)，機(jī)械加工本身會(huì)破壞毛料原本內(nèi)部金屬流線的完整性，并釋放內(nèi)部應(yīng)力，造成零件變形，對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。因此，航空產(chǎn)品對(duì)于毛料制造的精化、細(xì)化及無余量制造技術(shù)及裝備產(chǎn)生廣泛的需求。

        　　近幾年來，毛料的精化、細(xì)化技術(shù)日臻完善。精密鑄造工藝設(shè)備不涉及機(jī)床概念，在此不加討論。無余量精密鍛造技術(shù)采用高精度的鍛造機(jī)床設(shè)備、完善的檢測和輔助處理工藝，可使發(fā)動(dòng)機(jī)鍛造葉片型面及緣板面達(dá)到無余量狀態(tài)。該技術(shù)的應(yīng)用可提高鍛件尺寸精度，保證葉片內(nèi)部金屬流線的完整性，提高產(chǎn)品可靠性，同時(shí)降低葉片加工成本，提高葉片的生產(chǎn)效率。精密冷輥軋機(jī)床設(shè)備不僅使加工技術(shù)簡化，更重要的是可使葉片的機(jī)械性能、產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能得到提高，有利于葉片材料潛在性能的發(fā)揮。

        　　近年來，粉末冶金材料和工藝開始廣泛應(yīng)用于航空產(chǎn)品，如發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等的制造。粉末冶金技術(shù)的關(guān)鍵在于粉末的制備以及零件的成形和致密化技術(shù)。合金粉末一般采用熱等靜壓、熱擠壓、噴射成形、快速成形和注射成形等工藝進(jìn)行成形和致密化。其中激光快速成型工藝又稱3D打印，也稱為金屬材料增材制造技術(shù)，以區(qū)別于以塑性加工工藝為代表的等材制造和以機(jī)械加工工藝為代表的減材制造。該技術(shù)是以金屬粉末、顆�；蚪饘俳z材為原料，通過CAD模型預(yù)分層處理，采用高功率激光束熔化堆積生長，直接從CAD模型一步完成高性能構(gòu)件的“近終成形”。3D打印設(shè)備雖然沒有被明確稱為機(jī)床，但是具備機(jī)床這一概念所具備的一切特征。同時(shí)將其功能融入現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床設(shè)備也是機(jī)床行業(yè)近年來努力的一個(gè)方向。

        　　增材制造技術(shù)以其靈活多樣的工藝方法和技術(shù)優(yōu)勢在現(xiàn)代航空產(chǎn)品的研制與開發(fā)中具有獨(dú)特的應(yīng)用前景。在航空制造領(lǐng)域中，難加工材料、復(fù)雜型面的結(jié)構(gòu)件等都可以很好地采用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度加工。由于沒有傳統(tǒng)機(jī)加工藝對(duì)于刀具的可達(dá)性限制以及鑄造及塑性加工中的脫模限制，3D打印幾乎可以實(shí)現(xiàn)能夠在CAD中設(shè)計(jì)的任何結(jié)構(gòu)形式，從而產(chǎn)生全新的設(shè)計(jì)，如圖1所示。同時(shí)，由于3D打印幾乎不需要傳統(tǒng)工藝需要的夾具、模具制造等工藝準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，可以大幅度縮短航空產(chǎn)品的研制周期，提高快速響應(yīng)能力。

圖1 使用3D打印制造的全新設(shè)計(jì)航空零件

數(shù)控設(shè)備與柔性制造

        　　盡管隨著新型航空材料與成型技術(shù)的不斷應(yīng)用，機(jī)械加工在航空產(chǎn)品制造工藝中的比重有減少的趨勢，但是對(duì)于高精度尺寸和表面特征，切削加工仍然是無法替代的加工手段。同時(shí)，隨著航空零部件中新材料和新結(jié)構(gòu)的不斷應(yīng)用，機(jī)械加工的難度也在不斷增加。

        　　與其他尖端制造行業(yè)一樣，航空產(chǎn)品加工所使用的數(shù)控機(jī)床正朝著高速化、精密化、智能化、綠色化等方向發(fā)展。自20世紀(jì)90年代初以來，各國相繼推出了許多主軸轉(zhuǎn)速10000~60000r/min以上的數(shù)控機(jī)床。高速加工技術(shù)的應(yīng)用縮短了切削時(shí)間和輔助時(shí)間，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以改善加工質(zhì)量，已成為機(jī)床技術(shù)重要的發(fā)展方向。同時(shí)，通過優(yōu)化機(jī)床的結(jié)構(gòu)，提高了制造和裝配的精度，減少了數(shù)控和伺服系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。采用溫度、振動(dòng)誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，提高了數(shù)控機(jī)床的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度等。

        　　隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，對(duì)環(huán)保的要求越來越高。不僅要求在機(jī)床制造過程中不產(chǎn)生對(duì)環(huán)境的污染，還要求在機(jī)床的使用過程中不產(chǎn)生二次污染。在這種形勢下，裝備制造領(lǐng)域?qū)�機(jī)床提出了無冷卻液、無潤滑液、無氣味的環(huán)保要求，機(jī)床的排屑、除塵等裝置也發(fā)生了深刻的變化。上述綠色加工工藝愈來愈受到機(jī)械制造業(yè)的重視。

        （1）數(shù)控設(shè)備的集成化與智能化。

        　　數(shù)控設(shè)備的集成化包括將多種機(jī)械加工工藝集成于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床或者在數(shù)控機(jī)床設(shè)備中融合其他加工或檢測等工藝技術(shù)。復(fù)合加工是機(jī)械加工的重要發(fā)展方向之一。其中車銑復(fù)合加工是最具有代表性的技術(shù)領(lǐng)域。車銑中心具有多軸聯(lián)動(dòng)功能，能夠完成任意角度的車削、銑削、鉆削、鏜削、滾齒、攻、鉸、擴(kuò)等任務(wù)，具有高柔性、多任務(wù)的特點(diǎn)。在單件和成批生產(chǎn)中均可獲得較高的關(guān)聯(lián)加工尺寸精度、大大縮短加工輔助時(shí)間，是加工精密、復(fù)雜回轉(zhuǎn)零件的理想設(shè)備。它對(duì)于提高航空回轉(zhuǎn)關(guān)鍵零部件的制造精度及縮短制造周期有著重要的作用。在線測量通過將檢測技術(shù)融于數(shù)控加工的工序過程中，可以避免脫機(jī)檢測返修帶來的二次裝夾定位，解決零件制造中通用工裝和專用工裝無法測量部位的測量，顯著提升加工效率，保證加工質(zhì)量。在航空產(chǎn)品研制和生產(chǎn)中，可以對(duì)正在加工中的零部件進(jìn)行及時(shí)的修正與補(bǔ)償，以消除廢次品的產(chǎn)生。

        　　智能化的內(nèi)容包含在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電動(dòng)機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載、自動(dòng)選定模型、PID參數(shù)自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。

        　　自適應(yīng)控制技術(shù)通過在加工過程中，根據(jù)采集到的電機(jī)扭矩、主軸振動(dòng)等機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)信息，進(jìn)行機(jī)床的自我調(diào)整和控制，以此保證機(jī)床的正常加工和運(yùn)行，保持機(jī)床以最佳動(dòng)態(tài)性能加工零件。這樣既提高了設(shè)備生產(chǎn)效率，又保證了加工精度。智能化故障診斷技術(shù)包括機(jī)床信號(hào)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸和智能化人機(jī)界面設(shè)計(jì)開發(fā)等內(nèi)容。根據(jù)數(shù)控機(jī)床故障機(jī)理分析，選擇能反映機(jī)床特征的信號(hào)，通過在機(jī)床關(guān)鍵部件安裝不同類型傳感器，進(jìn)行機(jī)床特征信號(hào)的采集，經(jīng)處理后進(jìn)行可視化界面監(jiān)控。智能化實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)通過外接傳感器，采集主軸在軸向和徑向的熱膨脹伸長誤差，通過對(duì)這些誤差數(shù)據(jù)分析處理，進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，提高機(jī)床加工精度。

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（2）生產(chǎn)線與制造裝備的柔性化。

　　所謂柔性制造，傳統(tǒng)意義上是指用可編程、多功能的數(shù)控機(jī)床設(shè)備更換剛性自動(dòng)化機(jī)床設(shè)備，用易編程、易修改、易擴(kuò)展、易更換的軟件控制代替剛性聯(lián)結(jié)的工 序過程，使剛性生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)軟性化和柔性化，能夠快速響應(yīng)市場的需求，完成多品種、中小批量的生產(chǎn)任務(wù)。柔性制造系統(tǒng)（FMS）中的柔性具有多種涵義、除了 加工柔性外、還包括擴(kuò)展的柔性、工藝的柔性、批量的柔性、設(shè)備的柔性、產(chǎn)品的柔性、流程的柔性以及生產(chǎn)的柔性。圖2為大型飛機(jī)的柔性生產(chǎn)線。

圖2 大型飛機(jī)的柔性生產(chǎn)線

圖2 大型飛機(jī)的柔性生產(chǎn)線


　　航空產(chǎn)品尤其是飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的一些關(guān)鍵零件，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，往往采用較為分散的工序和較長的生產(chǎn)線。在柔性制造技術(shù)研究的早期，由于數(shù)控機(jī)床設(shè) 備本身功能和性能以及配套軟硬件條件的限制，柔性制造系統(tǒng)必須在較大的生產(chǎn)線級(jí)別和較大投資水平上才可以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于航空產(chǎn)品來說，僅在成熟產(chǎn)品和實(shí)力十分 雄厚的航空制造企業(yè)獲得了有限的實(shí)際應(yīng)用。隨著數(shù)控設(shè)備及相關(guān)信息化技術(shù)的發(fā)展，以占地面積小、成本低、功能完善為特點(diǎn)的柔性制造單元（FMC）得到了長 足發(fā)展和應(yīng)用。通過工序集中，在較小的柔性制造單元中完成大部分在較長生產(chǎn)線中才能完成的加工工序。而柔性加工機(jī)床更是將柔性制造單元集中到一臺(tái)設(shè)備中， 可以在一臺(tái)設(shè)備中完成零件從毛料到成品的大部分加工，柔性組合機(jī)床如圖3所示。對(duì)于一些小型航空零部件的快速研制有著十分重要的價(jià)值。

圖3 柔性組合機(jī)床

　　除了機(jī)床設(shè)備的柔性，輔助工藝裝備（如夾具等）的柔性也是重要的一環(huán)。柔性夾具是以組合夾具為基礎(chǔ)的能適用于不同機(jī) 床、不同產(chǎn)品或同一產(chǎn)品不同規(guī)格型號(hào)的機(jī)床夾具。由預(yù)先制造好的各種不同形狀、不同尺寸規(guī)格和不同功能的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化元件、組件和合件拼裝而成。夾具元 件通過組裝—使用—分解—再組裝周而復(fù)始循環(huán)使用，可以大量減少制造夾具材料、動(dòng)力消耗，降低其制造費(fèi)用，減少夾具的設(shè)計(jì)、制造、調(diào)節(jié)時(shí)間。與專用夾具相 比較，柔性夾具元件具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，適用于多品種、小批量生產(chǎn)以及FMC、FMS和CIMS等加工系統(tǒng)。

信息化與虛擬機(jī)床

　　隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，航空產(chǎn)品的研制也正在從實(shí)體制造驗(yàn)證向虛擬制造驗(yàn)證的方向轉(zhuǎn)變。虛擬制造是一種廣義概念，但從習(xí)慣性和狹義角度也可將虛擬制造 理解為：利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上完成產(chǎn)品的成型、加工和裝配過程。虛擬制造技術(shù)的發(fā)展填補(bǔ)了CAD/CAM技術(shù)和生產(chǎn)管理活動(dòng)之間的鴻溝，使人們?cè)谡?實(shí)產(chǎn)品生產(chǎn)前，就可以在計(jì)算機(jī)上虛擬地進(jìn)行產(chǎn)品成型、加工、裝配和測試，減少試切、試裝次數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝過程、作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度及加工質(zhì)量方面的問 題。虛擬加工實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是在提供的虛擬工作環(huán)境下，對(duì)不同的加工方法建立由機(jī)床、刀具、工裝組成的加工系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型及誤差分析模型。虛擬裝配 利用VR技術(shù)構(gòu)建的多模式（包括視、聽、觸等）交互裝配仿真環(huán)境，由裝配規(guī)劃人員交互地建立產(chǎn)品零部件的裝配順序和裝配路徑及確定工、夾具和安裝方法，可 視化地比較不同的裝配工藝過程，在不進(jìn)行實(shí)物試裝的情況下，人機(jī)協(xié)同地對(duì)產(chǎn)品的可裝配性問題進(jìn)行全面、精確的檢查和分析，盡可能早地發(fā)現(xiàn)并解決潛在的裝配 問題。

　　虛擬機(jī)床是使用軟件元素工具包構(gòu)建的，包括機(jī)床的三維模型、加工仿真軟件、軟件內(nèi)核和控制器的人機(jī)界面軟件。虛擬機(jī)床能減少機(jī)床的非生產(chǎn)性時(shí)間。虛擬 機(jī)床的成本僅相當(dāng)于實(shí)際機(jī)床的零頭，但非常逼真，可以用于減少實(shí)際機(jī)床的非生產(chǎn)時(shí)間。利用虛擬機(jī)床技術(shù)，可以提高加工效率，保證數(shù)控編程質(zhì)量，減少數(shù)控技 術(shù)人員與操作人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高數(shù)控編程制造加工一次成功率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工周期，提高生產(chǎn)效率。

　　傳統(tǒng)航空產(chǎn)品制造是以二維工程圖紙為依據(jù)。隨著數(shù)控及CAD/CAM等相關(guān)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，大量新產(chǎn)品研制都已引入二維和三維結(jié)合的數(shù)字化制造技 術(shù)。但從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝工裝、數(shù)控編程及檢測等環(huán)節(jié)中僅包含幾何信息的三維數(shù)字模型的應(yīng)用效果并不理想，其重復(fù)工作量大，數(shù)據(jù)不唯一�；�于模型定義 （MBD）技術(shù)通過集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品信息，詳細(xì)規(guī)定了三維實(shí)體模型中產(chǎn)品的尺寸、公差標(biāo)注規(guī)則和工藝信息。全面實(shí)施MBD對(duì)于提升航空產(chǎn) 品制造水平、縮短制造周期、降低制造成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義[6]。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）則是對(duì)企業(yè)全生命周期產(chǎn)品數(shù)據(jù)、資源與業(yè)務(wù)流程進(jìn)行整 體優(yōu)化管理的一種信息技術(shù)，是產(chǎn)品數(shù)字化制造的技術(shù)平臺(tái)。它以產(chǎn)品數(shù)據(jù)為核心，是其他各種軟件工具和分析、管理工作的集成環(huán)境與基礎(chǔ)。它能提供一種結(jié)構(gòu)化 的方法，有效、有規(guī)則地存取、集成、管理、控制產(chǎn)品數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的使用流程。PDM系統(tǒng)提供的版本管理功能能夠保證所有參加同一項(xiàng)目的員工采用單一數(shù)據(jù)來工 作，并且是及時(shí)和最新的數(shù)據(jù)，確保設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)的一致性，減少設(shè)計(jì)中重復(fù)和更改次數(shù)。

　　綜上所述，航空產(chǎn)品與機(jī)床設(shè)備的發(fā)展是一種相互依存且相互促進(jìn)的關(guān)系。從100多年前第一架飛機(jī)升空飛行伊始，人類從來沒有停止過探索飛行奧秘的腳 步。對(duì)于航空產(chǎn)品性能的不斷追求對(duì)機(jī)床設(shè)備在精密、高效、環(huán)保與智能化等方面提出了更高的要求。同時(shí)，各類新技術(shù)及新工藝的不斷應(yīng)用也在不斷推進(jìn)航空產(chǎn)品 與機(jī)床設(shè)備技術(shù)水平的提升，從而促進(jìn)社會(huì)整體科技水平的不斷進(jìn)步。