【中國機床商務網】導讀：飛機結構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，周邊輪廓與其他零件具有復雜的裝配協調關系，槽腔、薄壁、筋、肋及高精度孔等是其主要的結構特征，大量的空間復雜曲面需要五軸聯動數控加工，因此飛機結構件數控加工裝備的基本需求為高精度五軸聯動。以高精度五軸聯動加工為特點的航空制造業(yè)既是制造業(yè)技術水平的標志，又是一個國家數控創(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，各國數控設備、數控系統、數控刀具等企業(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《數控機床與基礎制造裝備》國家科技重大專項也把航空制造業(yè)作為重點目標對象予以支持，以推進國產數控機床在航空制造業(yè)的生產應用，實現關鍵制造裝備的自主研發(fā)、生產和供給。
　　
　　飛機結構件的發(fā)展趨勢及需求分析
　　
　　隨著現代設計技術的發(fā)展和飛機性能提升的需求，飛機結構件也呈現出一些新的變化，主要體現在以下幾個方面：
　　
　　（1）零件向整體化、大型化發(fā)展。整體結構設計是飛機減輕重量和提高性能的主要途徑，在現代飛機設計中，整體結構件呈現出數量越來越多、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內后側梁達到6000mm×1200mm。預計在未來的設計中整體框結構尺寸將超過3000mm×4500mm,梁的長度將超過7000mm（圖1）。

　　
　　（2）零件結構復雜化、零件制造化。作為主要承力部件的飛機結構件，不但要滿足與其他零件的裝配協調關系，還有自身的結構尺寸精度、零件重量等方面的要求。在飛機結構零件尺寸向更大方向發(fā)展帶來的結果是零件結構更加復雜，大型化整體結構件已經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構等大量出現在整體構件上。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，所以制造將是未來飛機結構件數控加工的關鍵技術。大型飛機結構件的精密加工將是對數控機床行業(yè)的一個挑戰(zhàn)，提高數控機床基礎大件結構特性和熱穩(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)共同關注的焦點（圖2、圖3）。

　　
　　（3）零件材料多樣化。隨著現代飛機高速、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)點的材料在飛機設計中被大量采用，逐漸成為飛機結構件的主要材料，如鈦合金、復合材料等。從美國歷代戰(zhàn)機主要材料分布圖發(fā)現，現代飛機材料已經從以前的鋁合金獨霸天下變成了鋁合金、鈦合金、復合材料三分天下的局面，而且復合材料、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構件加工，還要解決鈦合金、復合材料加工（圖4）。

　　
　　基于飛機結構件所呈現出的多種材料、大尺寸、高精度復雜曲面的發(fā)展趨勢，未來飛機結構件數控加工將面臨大型復雜曲面高精度五軸加工、鈦合金加工、復合材料綠色制造等技術難題，數控加工機床也將圍繞解決這3個問題而進行相應的研發(fā)工作。
　　
　　飛機結構件數控加工機床的發(fā)展方向
　　
　　針對飛機結構件發(fā)展提出的需求，國外數控機床行業(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控加工系統這3個方面做了大量研究，并且已經有部分產品投入生產應用。
　　
　?。?）大型高精度數控機床。傳統意義的高精度機床主要是指小型裝備，如DIXS、SIP等公司的坐標鏜，該類機床的行程在1000mm左右。要實現飛機大型整體結構件五軸聯動復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。為了實現大型機床高精度五軸加工，目前已經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系列高精度五軸數控龍門銑床的空間定位精度為1.6μm/m3。大型高精度數控機床的關鍵技術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）通過數控系統參數實現對21項幾何誤差的補償以獲得更高的幾何精度；DST公司在VCS的基礎上開發(fā)了KMS補償系統，不僅能夠完成單軸線性和旋轉6項誤差與垂直度誤差的補償，還能對旋轉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機床空間誤差的快速補償；在熱誤差控制方面，通過空調系統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生影響（圖5、圖6）。

　　
　?。?）鈦合金加工機床。飛機整體結構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構件加工必需解決的問題。以高轉速、高進給為特點的高速加工機床有效解決了鋁合金整體結構件的加工問題；當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致加工效率極低，因此如何實現鈦合金加工，提高其加工效率是數控機床行業(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、直銑頭等構成了新型的鈦合金加工機床，預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將提出新的要求（圖7）。

　　
　?。?）自動化數控加工系統。當我們還在討論單臺設備加工性能的時候，以提高加工效率、控制產品質量、多功能集成為特點的自動化加工系統在飛機零件生產中悄然開始應用。洛馬公司的JSF/F35項目的碳纖維蒙皮加工系統將數控加工、零件檢測、零件清洗、零件烘干等集成在一個加工系統之中，操作人員在控制室里對零件生產過程進行監(jiān)控，由系統內的物流小車自動進行零件轉運。以斯達拉格STC系列臥式加工中心為基礎的柔性生產線在英宇航和法宇航等飛機結構件生產中得到應用。自動化數控加工系統不僅有利于提高加工效率和產品質量，其相對封閉性解決了碳纖維粉塵對人體和環(huán)境的危害，是復合材料綠色制造的解決方案（圖8）。
　　
　　國產數控機床現狀及存在問題
　　
　　近幾年，國內數控機床發(fā)展迅速，尤其在中檔和經濟型數控領域內*較高，但是在數控機床方面發(fā)展較為緩慢。近幾年，在國家數控機床國產化戰(zhàn)略的指導下，尤其是《數控機床與基礎制造裝備》的實施，部分機床企業(yè)在五軸聯動數控機床方面取得了一些技術突破，研制產品在國內航空制造業(yè)內開始應用，能夠完成飛機結構零件的五軸加工。
　　
　　從國產數控機床的產品研制、生產應用和產業(yè)化進程來看，目前我國數控機床方面還存在較為嚴重的問題，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)的產業(yè)結構調整。
　　
　　首先，在產品研制階段，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品研發(fā)的。這種研發(fā)模式依靠用戶資金進行新產品研發(fā)，對用戶風險太大，而機床企業(yè)不需要投入研發(fā)資金。所以當用戶沒有足夠的技術力量在產品設計、制造、安裝、驗收等環(huán)節(jié)對機床企業(yè)進行監(jiān)控，其產品研發(fā)失敗的可能性非常大。這種現狀是造成機床用戶不愿采購國產數控機床、機床企業(yè)與用戶需求脫節(jié)的主要原因。
　　
　　第二，在產品應用階段，一方面是售后服務質量，尤其是售后服務人員的技術水平對用戶的現場生產影響很大。這是由于售后服務安排時按定型產品進行考慮，未考慮到現場服務人員不具備五軸數控機床維修能力。另一方面，機床企業(yè)沒有對研制產品的生產應用情況進行跟蹤，不能進行產品的進一步改進和完善。
　　
　　第三，在產業(yè)化進程方面，機床企業(yè)基本上沒有長遠的規(guī)劃，甚至有些企業(yè)在完成*設備研制后，由于沒有后續(xù)產品訂貨，其設計研發(fā)團隊就解散了，無法進行產品的優(yōu)化和產業(yè)化工作。
　　
　　國產數控機床的研發(fā)模式及產品定位
　　
　　在歐美發(fā)達國家，航空制造企業(yè)的數控機床基本形成了由本國的一家或幾家主要供給的格局，并在數控加工機床方面代表相應的發(fā)展方向。如美國波音、洛馬等公司的裝備供應商主要為CINCINNATI、INGERSOLL，德宇航數控機床主要供應商為DST，法宇航數控設備主要供應商為FOREST-LINE。這些機床制造商與機床用戶形成了長期的技術合作聯盟，密切關注用戶需求，針對用戶新的需求、采用聯合研制的方式進行新產品的研發(fā)。通常其新產品的技術簽定由用戶技術人員完成，并根據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人員在INGERSOLL安裝現場進行了長達3周的測試，給出了詳細的測試報告。INGERSOLL公司根據測試報告完成設計定型，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”應該成為我國數控機床研發(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；用戶參與設計和技術方案評審，可以了解用戶關注點，解決設計與應用現場脫節(jié)的問題；用戶參與產品設計、制造、安裝等過程，通過用戶把關，解決產品質量控制問題；用戶對研制產品進行性能檢測，可以獲取*檢測技術和經驗，解決新產品檢測標準缺乏的問題；雙方技術合作，獲取用戶市場，解決機床制造經驗缺乏問題。
　　
　　針對飛機結構零件對數控機床的需求，結合前期我國數控機床的研發(fā)與應用情況，國產數控機床重點應該在量大面廣的設備上加大投入，力爭在該類設備上取代進口設備。鋁合金加工重點為AC擺角結構的高速加工機床，主軸轉速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擺角結構的重載加工機床，機械主軸轉速3000r/min，主要類型有龍門移動式五軸（三軸）數控銑床、立柱移動式五軸（三軸）立式加工中心；對鋁合金高架橋結構增加防護罩可以進行復合材料加工。上述設備類型在目前國內均有相應產品進行研發(fā)，其覆蓋面達到飛機結構件加工機床的80%。
　　
　　結束語
　　
　　飛機結構件的發(fā)展趨勢對數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控加工系統了目前飛機結構件數控機床的發(fā)展方向。國產機床制造商應該結合用戶需求和行業(yè)發(fā)展方向，根據企業(yè)自身特點和產品特點，通過與機床用戶合作生產來實現國產數控機床的生產應用，推進國產裝備的產業(yè)化進程。
　　
　　（文章來源：航空制造技術）