【編者按】飛機結構件是飛機的主要受力部件捷绑，零件外形與飛機的氣動外形相關尸校，周邊輪廓與其他零件具有復雜的裝配協(xié)調關系潭灯，槽腔榆墅、薄壁渐仓、筋、肋及高精度孔等是其主要的結構特征榨未，大量的空間復雜曲面需要五軸聯(lián)動數(shù)控加工悄慨，因此飛機結構件數(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)既是高端制造業(yè)技術水平的標志收谭，又是一個國家高檔數(shù)控創(chuàng)新與發(fā)展的策源地车管。因此，各國競相在航空制造業(yè)方面展開競爭旧败，各國數(shù)控設備还桶、數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控刀具等企業(yè)均針對航空制造業(yè)的需求提出了專用解決方案和發(fā)展規(guī)劃暮孕。我國2009年開始實施的《高檔數(shù)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苛瞬，以推進國產(chǎn)高檔數(shù)控機床在航空制造業(yè)的生產(chǎn)應用，實現(xiàn)關鍵制造裝備的自主研發(fā)十偶、生產(chǎn)和供給菩鲜。

　　飛機結構件的發(fā)展趨勢及需求分析

　　隨著現(xiàn)代設計技術的發(fā)展和飛機性能提升的需求园细，飛機結構件也呈現(xiàn)出一些新的變化，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　〗有！（1）零件向整體化猛频、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蛛勉，在現(xiàn)代飛機設計中鹿寻，整體結構件呈現(xiàn)出數(shù)量越來越多、零件尺寸越來越大的發(fā)展趨勢董习。如F-22戰(zhàn)機后機身整體框毛坯尺寸達到4000mm×2000mm烈和，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）皿淋。

　≌猩病（2）零件結構復雜化、零件制造精確化窝趣。作為主要承力部件的飛機結構件疯暑，不但要滿足與其他零件的裝配協(xié)調關系，還有自身的結構尺寸精度茫绅、零件重量等方面的要求盅格。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(jīng)開始與周邊連接段零件融合為一體咳综，具有高精度裝配孔的耳片結構等大量出現(xiàn)在整體構件上鞭碳。另外，在零件尺寸變大的同時霍执，零件加工的尺寸精度反而提高山滔，緣條厚度、腹板厚度更薄删摸，轉角半徑莉紊、底角半徑更小，槽腔深度攀誓、緣條高度更大幼潮，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)坏榜，所以精確制造將是未來飛機結構件數(shù)控加工的關鍵技術坯苹。大型飛機結構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)控機床基礎大件結構特性和熱穩(wěn)定性摇天，控制環(huán)境溫度粹湃、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）闸翅。

　≡儆蟆（3）零件材料多樣化。隨著現(xiàn)代飛機高速坚冀、高機動性能要求的不斷提高济赎，具有比強度高、抗腐蝕性好记某、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司训，逐漸成為飛機結構件的主要材料，如鈦合金液南、復合材料等壳猜。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滑凉、鈦合金忿震、復合材料三分天下的局面，而且復合材料二娄、鈦合金還有進一步擴大的趨勢肚浴，例如在A350、波音787中復合材料比例均已達到50%以上苇恤。因此加工裝備不僅要解決鋁合金飛機結構件加工淡碟，還要解決鈦合金、復合材料加工（圖4）供窝。

　　基于飛機結構件所呈現(xiàn)出的多種材料一步、大尺寸、高精度復雜曲面的發(fā)展趨勢百涕，未來飛機結構件數(shù)控加工將面臨大型復雜曲面高精度五軸加工率满、鈦合金高效加工、復合材料綠色制造等技術難題就考，數(shù)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)工作痰拢。

　　飛機結構件數(shù)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(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贯卦、鈦合金高效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资柔，并且已經(jīng)有部分產(chǎn)品投入生產(chǎn)應用。

　∧旄睢（1）大型高精度數(shù)控機床贿堰。傳統(tǒng)意義的高精度機床主要是指小型裝備，如DIXS啡彬、SIP等公司的坐標鏜羹与，該類機床的行程在1000mm左右。要實現(xiàn)飛機大型整體結構件五軸聯(lián)動復雜曲面的高精度加工庶灿，必須在大型龍門機床上進行纵搁，而該類機床的行程一般為2500mm×6000mm吃衅。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腾誉。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徘层。大型高精度數(shù)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利职。為此趣效，西門子公司的SINUMERIK 840D sl 推出了VCS(Volumetric Compensation System)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的基礎上開發(fā)了KMS補償系統(tǒng)撼盈，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绊叙，還能對旋轉軸和刀具長度進行手動補償，通過4球測量节讹、空間對角線測量等實現(xiàn)機床空間誤差的快速補償夸营；在熱誤差控制方面，通過空調系統(tǒng)對機床各部件的溫度進行實時控制漾肩，以減少熱誤差對機床精度產(chǎn)生影響（圖5舆滞、圖6）。

　《倌（2）鈦合金高效加工機床服讯。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%稼孤，因此授灵，提高加工效率是飛機結構件加工必需解決的問題。以高轉速扇述、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高效加工問題藏亲；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匪煌，因此如何實現(xiàn)鈦合金高效加工责蝠，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。目前萎庭，斯達拉格霜医、DST、INGERSOLL驳规、MCM等公司對此進行了大量的研究肴敛，均選擇了鈦合金臥式加工的解決方案，靜壓導軌吗购、鑄鐵床身医男、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高效加工機床捻勉，預計其粗加工效率提高60%镀梭、精加工效率提高600%刀森。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）。

　”ㄕ恕（3）自動化數(shù)控加工系統(tǒng)撒强。當我們還在討論單臺設備加工性能的時候，以提高加工效率滥港、控制產(chǎn)品質量、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)中悄然開始應用镇盛。洛馬公司的JSF/F35項目的碳纖維蒙皮加工系統(tǒng)將數(shù)控加工换蛔、零件檢測、零件清洗卜锡、零件烘干等集成在一個加工系統(tǒng)之中孽强，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)內的物流小車自動進行零件轉運歉赴。以斯達拉格STC系列臥式加工中心為基礎的柔性生產(chǎn)線在英宇航和法宇航等飛機結構件生產(chǎn)中得到應用氮妆。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)境的危害柄午，是復合材料綠色制造的優(yōu)秀解決方案（圖8）匹溪。

　　國產(chǎn)高檔數(shù)控機床現(xiàn)狀及存在問題

　　近幾年，國內數(shù)控機床發(fā)展迅速爽咒，尤其在中檔和經(jīng)濟型數(shù)控領域內市場占有率較高玩冷，但是在高檔數(shù)控機床方面發(fā)展較為緩慢。近幾年炼幔，在國家高檔數(shù)控機床國產(chǎn)化戰(zhàn)略的指導下秋茫，尤其是《高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備》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突破乃秀，研制產(chǎn)品在國內航空制造業(yè)內開始應用肛著，能夠完成飛機結構零件的五軸加工。

　　從國產(chǎn)高檔數(shù)控機床的產(chǎn)品研制跺讯、生產(chǎn)應用和產(chǎn)業(yè)化進程來看枢贿，目前我國高檔數(shù)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刀脏，將直接影響到我國裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結構調整萨咕。

　　首先，在產(chǎn)品研制階段火本，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)的危队。這種研發(fā)模式依靠用戶資金進行新產(chǎn)品研發(fā)，對用戶風險太大钙畔，而機床企業(yè)不需要投入研發(fā)資金茫陆。所以當用戶沒有足夠的技術力量在產(chǎn)品設計槽悼、制造、安裝毛围、驗收等環(huán)節(jié)對機床企業(yè)進行監(jiān)控页梁，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)高檔數(shù)控機床沸恤、機床企業(yè)與用戶需求脫節(jié)的主要原因队淳。

　　第二，在產(chǎn)品應用階段真稚，一方面是售后服務質量千雏，尤其是售后服務人員的技術水平對用戶的現(xiàn)場生產(chǎn)影響很大。這是由于售后服務安排時按定型產(chǎn)品進行考慮农帝，未考慮到現(xiàn)場服務人員不具備五軸數(shù)控機床維修能力误目。另一方面，機床企業(yè)沒有對研制產(chǎn)品的生產(chǎn)應用情況進行跟蹤舆飒，不能進行產(chǎn)品的進一步改進和完善轴私。

　　第三，在產(chǎn)業(yè)化進程方面能真，機床企業(yè)基本上沒有長遠的規(guī)劃赁严，甚至有些企業(yè)在完成首臺設備研制后，由于沒有后續(xù)產(chǎn)品訂貨粉铐，其設計研發(fā)團隊就解散了误澳，無法進行產(chǎn)品的優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)化工作。

　　國產(chǎn)高檔數(shù)控機床的研發(fā)模式及產(chǎn)品定位

　　在歐美發(fā)達國家秦躯，航空制造企業(yè)的高檔數(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忆谓，并在數(shù)控加工機床方面代表相應的發(fā)展方向。如美國波音踱承、洛馬等公司的裝備供應商主要為CINCINNATI倡缠、INGERSOLL，德宇航數(shù)控機床主要供應商為DST茎活，法宇航數(shù)控設備主要供應商為FOREST-LINE昙沦。這些機床制造商與機床用戶形成了長期的技術合作聯(lián)盟，密切關注用戶需求载荔，針對用戶新的需求盾饮、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)品的技術簽定由用戶技術人員完成懒熙，并根據(jù)用戶建議進行完善和改進档价。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(xiàn)場進行了長達3周的測試，給出了詳細的測試報告靡黑。INGERSOLL公司根據(jù)測試報告完成設計定型揖帕，自此波音公司才與INGERSOLL簽訂采購合同。

　　國外航空裝備研發(fā)模式值得我們借鑒帽惠，機床企業(yè)和用戶企業(yè)“抱團發(fā)展”應該成為我國高檔數(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)挎茂，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剧鹏；用戶參與設計和技術方案評審热轨，可以了解用戶關注點，解決設計與應用現(xiàn)場脫節(jié)的問題盔惑；用戶參與產(chǎn)品設計梨耽、制造、安裝等過程刁夺，通過用戶把關，解決產(chǎn)品質量控制問題亮隙；用戶對研制產(chǎn)品進行性能檢測途凫，可以獲取先進檢測技術和經(jīng)驗，解決新產(chǎn)品檢測標準缺乏的問題溢吻；雙方技術合作维费，獲取用戶市場，解決高檔機床制造經(jīng)驗缺乏問題促王。

　　針對飛機結構零件對數(shù)控機床的需求犀盟，結合前期我國高檔數(shù)控機床的研發(fā)與應用情況，國產(chǎn)高檔數(shù)控機床重點應該在量大面廣的設備上加大投入蝇狼，力爭在該類設備上取代進口設備阅畴。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迅耘，主要類型有高架橋式五軸（三軸）高速銑床贱枣、龍門立式五軸（三軸）高速加工中心、雙工作臺臥式五軸（三軸）高速加工中心颤专；鈦合金加工重點為AB擺角結構的重載加工機床纽哥，機械主軸轉速3000r/min，主要類型有龍門移動式五軸（三軸）數(shù)控銑床衙猾、立柱移動式五軸（三軸）立式加工中心柬激；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(chǎn)品進行研發(fā)斧与，其覆蓋面達到飛機結構件加工機床的80%行忘。

　　結束語

　　飛機結構件的發(fā)展趨勢對數(shù)控機床提出了新的要求，大型高精度機床筋劣、高效鈦合金加工機床以及自動化數(shù)控加工系統(tǒng)引領了目前飛機結構件數(shù)控機床的發(fā)展方向鞋会。國產(chǎn)機床制造商應該結合用戶需求和行業(yè)發(fā)展方向担灭，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)高檔數(shù)控機床的生產(chǎn)應用填杀，推進國產(chǎn)裝備的產(chǎn)業(yè)化進程

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