大飛機制造為何受制于機床設備發展

獵人j

來源：航空制造技術    作者單位：沈陽黎明航空發動機集團
    航空產品的性能、質量與生產效率是與其制造裝備，尤其是機床設備的發展密不可分的。一般說來，產品的設計以用戶與市場需求為導向，但設計目標能否最終實現，受到裝備與制造工藝水平的制約。航空產品也是如此。                                      航空產品的性能、質量與生產效率是與其制造裝備，尤其是機床設備的發展密不可分的。一般說來，產品的設計以用戶與市場需求為導向，但設計目標能否最終實現，受到裝備與制造工藝水平的制約。航空產品也是如此。

　　航空零部件普遍具有十分復雜的幾何結構、較高的精度和檢測要求，同時大量使用鈦合金、高溫合金、不銹鋼、高強度鋁合金、復合材料等高性能材料，以保證航空產品對于其使用性能及環境、強度與重量的特殊要求。這些零部件從制造到檢測對于其制造工藝與裝備有著很高的要求。同時伴隨著科學技術的日新月異，面對風云變幻的國際形勢和瞬息萬變的市場，過去長達10~15年的航空產品研制周期已經不能滿足現今的客戶需求。這就要求航空制造企業必須對市場的變化有快速反應的能力，盡量縮短產品的研制周期，并能夠對預研產品有足夠的預驗證能力。這些也對航空產品制造裝備以及相配套的軟硬件條件提出更高的需求。

        　　航空產品與機床設備發展的相互影響可以從兩個方面來分析：一方面，對于航空產品設計性能的不斷追求，促進了相關多種技術和裝備的發展。如熔模鑄造、粉末冶金、數控、在線檢測等。而這些技術和裝備的廣泛應用，又促進了其他行業（諸如機械設備、交通運輸、醫療、消費等）水平的普遍提高;另一方面，相關技術裝備、材料工藝及配套軟硬件技術的提升以及新裝備新技術（如無余量加工、增材制造、FMS、PDM、MBD技術）的普遍應用，又反過來影響和改變著航空產品的設計模式，不但使以前無法實現的設計得以實現，而且不斷促進產品設計性能和制造水平的提升。

毛料精化與無余量制造機床設備

        　　航空產品毛料對成品質量有著至關重要的影響。由于航空零件普遍結構復雜、精度要求高，傳統的毛料制造技術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械加工來完成，如發動機輪盤、壓氣機葉片等。由于航空零件大量采用造價昂貴的難加工材料，較大的毛料余量不但造成材料的浪費，而且使航空產品機械加工的效率十分低下。同時，機械加工本身會破壞毛料原本內部金屬流線的完整性，并釋放內部應力，造成零件變形，對產品的最終質量產生不利的影響。因此，航空產品對于毛料制造的精化、細化及無余量制造技術及裝備產生廣泛的需求。

        　　近幾年來，毛料的精化、細化技術日臻完善。精密鑄造工藝設備不涉及機床概念，在此不加討論。無余量精密鍛造技術采用高精度的鍛造機床設備、完善的檢測和輔助處理工藝，可使發動機鍛造葉片型面及緣板面達到無余量狀態。該技術的應用可提高鍛件尺寸精度，保證葉片內部金屬流線的完整性，提高產品可靠性，同時降低葉片加工成本，提高葉片的生產效率。精密冷輥軋機床設備不僅使加工技術簡化，更重要的是可使葉片的機械性能、產品質量和使用性能得到提高，有利于葉片材料潛在性能的發揮。

        　　近年來，粉末冶金材料和工藝開始廣泛應用于航空產品，如發動機輪盤、飛機結構件等的制造。粉末冶金技術的關鍵在于粉末的制備以及零件的成形和致密化技術。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，以區別于以塑性加工工藝為代表的等材制造和以機械加工工藝為代表的減材制造。該技術是以金屬粉末、顆粒或金屬絲材為原料，通過CAD模型預分層處理，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件的“近終成形”。3D打印設備雖然沒有被明確稱為機床，但是具備機床這一概念所具備的一切特征。同時將其功能融入現有的數控機床設備也是機床行業近年來努力的一個方向。

        　　增材制造技術以其靈活多樣的工藝方法和技術優勢在現代航空產品的研制與開發中具有獨特的應用前景。在航空制造領域中，難加工材料、復雜型面的結構件等都可以很好地采用增材制造技術實現高精度加工。由于沒有傳統機加工藝對于刀具的可達性限制以及鑄造及塑性加工中的脫模限制，3D打印幾乎可以實現能夠在CAD中設計的任何結構形式，從而產生全新的設計，如圖1所示。同時，由于3D打印幾乎不需要傳統工藝需要的夾具、模具制造等工藝準備環節，可以大幅度縮短航空產品的研制周期，提高快速響應能力。

圖1 使用3D打印制造的全新設計航空零件

數控設備與柔性制造

        　　盡管隨著新型航空材料與成型技術的不斷應用，機械加工在航空產品制造工藝中的比重有減少的趨勢，但是對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，隨著航空零部件中新材料和新結構的不斷應用，機械加工的難度也在不斷增加。

        　　與其他尖端制造行業一樣，航空產品加工所使用的數控機床正朝著高速化、精密化、智能化、綠色化等方向發展。自20世紀90年代初以來，各國相繼推出了許多主軸轉速10000~60000r/min以上的數控機床。高速加工技術的應用縮短了切削時間和輔助時間，不僅可以提高生產效率，還可以改善加工質量，已成為機床技術重要的發展方向。同時，通過優化機床的結構，提高了制造和裝配的精度，減少了數控和伺服系統的反應時間。采用溫度、振動誤差補償等技術，提高了數控機床的幾何精度、運動精度等。

        　　隨著人們環境保護意識的加強，對環保的要求越來越高。不僅要求在機床制造過程中不產生對環境的污染，還要求在機床的使用過程中不產生二次污染。在這種形勢下，裝備制造領域對機床提出了無冷卻液、無潤滑液、無氣味的環保要求，機床的排屑、除塵等裝置也發生了深刻的變化。上述綠色加工工藝愈來愈受到機械制造業的重視。

        （1）數控設備的集成化與智能化。

        　　數控設備的集成化包括將多種機械加工工藝集成于一臺數控機床或者在數控機床設備中融合其他加工或檢測等工藝技術。復合加工是機械加工的重要發展方向之一。其中車銑復合加工是最具有代表性的技術領域。車銑中心具有多軸聯動功能，能夠完成任意角度的車削、銑削、鉆削、鏜削、滾齒、攻、鉸、擴等任務，具有高柔性、多任務的特點。在單件和成批生產中均可獲得較高的關聯加工尺寸精度、大大縮短加工輔助時間，是加工精密、復雜回轉零件的理想設備。它對于提高航空回轉關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融于數控加工的工序過程中，可以避免脫機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，保證加工質量。在航空產品研制和生產中，可以對正在加工中的零部件進行及時的修正與補償，以消除廢次品的產生。

        　　智能化的內容包含在數控系統中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制、工藝參數自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電動機參數的自適應運算、自動識別負載、自動選定模型、PID參數自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監控方面的內容、方便系統的診斷及維修等。

        　　自適應控制技術通過在加工過程中，根據采集到的電機扭矩、主軸振動等機床運行狀態信息，進行機床的自我調整和控制，以此保證機床的正常加工和運行，保持機床以最佳動態性能加工零件。這樣既提高了設備生產效率，又保證了加工精度。智能化故障診斷技術包括機床信號數據采集和監控、數據傳輸和智能化人機界面設計開發等內容。根據數控機床故障機理分析，選擇能反映機床特征的信號，通過在機床關鍵部件安裝不同類型傳感器，進行機床特征信號的采集，經處理后進行可視化界面監控。智能化實時補償技術通過外接傳感器，采集主軸在軸向和徑向的熱膨脹伸長誤差，通過對這些誤差數據分析處理，進行實時補償，提高機床加工精度。

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（2）生產線與制造裝備的柔性化。

　　所謂柔性制造，傳統意義上是指用可編程、多功能的數控機床設備更換剛性自動化機床設備，用易編程、易修改、易擴展、易更換的軟件控制代替剛性聯結的工 序過程，使剛性生產線實現軟性化和柔性化，能夠快速響應市場的需求，完成多品種、中小批量的生產任務。柔性制造系統（FMS）中的柔性具有多種涵義、除了 加工柔性外、還包括擴展的柔性、工藝的柔性、批量的柔性、設備的柔性、產品的柔性、流程的柔性以及生產的柔性。圖2為大型飛機的柔性生產線。

圖2 大型飛機的柔性生產線

圖2 大型飛機的柔性生產線


　　航空產品尤其是飛機和發動機的一些關鍵零件，由于其結構的特殊性，往往采用較為分散的工序和較長的生產線。在柔性制造技術研究的早期，由于數控機床設 備本身功能和性能以及配套軟硬件條件的限制，柔性制造系統必須在較大的生產線級別和較大投資水平上才可以實現。對于航空產品來說，僅在成熟產品和實力十分 雄厚的航空制造企業獲得了有限的實際應用。隨著數控設備及相關信息化技術的發展，以占地面積小、成本低、功能完善為特點的柔性制造單元（FMC）得到了長 足發展和應用。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線中才能完成的加工工序。而柔性加工機床更是將柔性制造單元集中到一臺設備中， 可以在一臺設備中完成零件從毛料到成品的大部分加工，柔性組合機床如圖3所示。對于一些小型航空零部件的快速研制有著十分重要的價值。

圖3 柔性組合機床

　　除了機床設備的柔性，輔助工藝裝備（如夾具等）的柔性也是重要的一環。柔性夾具是以組合夾具為基礎的能適用于不同機 床、不同產品或同一產品不同規格型號的機床夾具。由預先制造好的各種不同形狀、不同尺寸規格和不同功能的系列化、標準化元件、組件和合件拼裝而成。夾具元 件通過組裝—使用—分解—再組裝周而復始循環使用，可以大量減少制造夾具材料、動力消耗，降低其制造費用，減少夾具的設計、制造、調節時間。與專用夾具相 比較，柔性夾具元件具有明顯的技術經濟效果，適用于多品種、小批量生產以及FMC、FMS和CIMS等加工系統。

信息化與虛擬機床

　　隨著信息化技術的發展，航空產品的研制也正在從實體制造驗證向虛擬制造驗證的方向轉變。虛擬制造是一種廣義概念，但從習慣性和狹義角度也可將虛擬制造 理解為：利用虛擬現實技術在計算機上完成產品的成型、加工和裝配過程。虛擬制造技術的發展填補了CAD/CAM技術和生產管理活動之間的鴻溝，使人們在真 實產品生產前，就可以在計算機上虛擬地進行產品成型、加工、裝配和測試，減少試切、試裝次數，及時發現工藝過程、作業計劃、生產調度及加工質量方面的問 題。虛擬加工實現的關鍵是在提供的虛擬工作環境下，對不同的加工方法建立由機床、刀具、工裝組成的加工系統的運動學、動力學模型及誤差分析模型。虛擬裝配 利用VR技術構建的多模式（包括視、聽、觸等）交互裝配仿真環境，由裝配規劃人員交互地建立產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，在不進行實物試裝的情況下，人機協同地對產品的可裝配性問題進行全面、精確的檢查和分析，盡可能早地發現并解決潛在的裝配 問題。

　　虛擬機床是使用軟件元素工具包構建的，包括機床的三維模型、加工仿真軟件、軟件內核和控制器的人機界面軟件。虛擬機床能減少機床的非生產性時間。虛擬 機床的成本僅相當于實際機床的零頭，但非常逼真，可以用于減少實際機床的非生產時間。利用虛擬機床技術，可以提高加工效率，保證數控編程質量，減少數控技 術人員與操作人員的工作量和勞動強度，提高數控編程制造加工一次成功率，縮短產品設計和加工周期，提高生產效率。

　　傳統航空產品制造是以二維工程圖紙為依據。隨著數控及CAD/CAM等相關軟硬件技術的發展，大量新產品研制都已引入二維和三維結合的數字化制造技 術。但從產品設計、工藝工裝、數控編程及檢測等環節中僅包含幾何信息的三維數字模型的應用效果并不理想，其重復工作量大，數據不唯一。基于模型定義 （MBD）技術通過集成的三維實體模型來完整表達產品信息，詳細規定了三維實體模型中產品的尺寸、公差標注規則和工藝信息。全面實施MBD對于提升航空產 品制造水平、縮短制造周期、降低制造成本、提高產品質量有著重要意義[6]。產品數據管理（PDM）則是對企業全生命周期產品數據、資源與業務流程進行整 體優化管理的一種信息技術，是產品數字化制造的技術平臺。它以產品數據為核心，是其他各種軟件工具和分析、管理工作的集成環境與基礎。它能提供一種結構化 的方法，有效、有規則地存取、集成、管理、控制產品數據和數據的使用流程。PDM系統提供的版本管理功能能夠保證所有參加同一項目的員工采用單一數據來工 作，并且是及時和最新的數據，確保設計過程數據的一致性，減少設計中重復和更改次數。

　　綜上所述，航空產品與機床設備的發展是一種相互依存且相互促進的關系。從100多年前第一架飛機升空飛行伊始，人類從來沒有停止過探索飛行奧秘的腳 步。對于航空產品性能的不斷追求對機床設備在精密、高效、環保與智能化等方面提出了更高的要求。同時，各類新技術及新工藝的不斷應用也在不斷推進航空產品 與機床設備技術水平的提升，從而促進社會整體科技水平的不斷進步。