隨著現(xiàn)代航空制造業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)成為飛機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。數(shù)控加工技術(shù)的進(jìn)步使飛機(jī)設(shè)計(jì)理念發(fā)生了轉(zhuǎn)變，零件設(shè)計(jì)向整體化、復(fù)雜化方向發(fā)展，同時(shí)，設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變也給數(shù)控加工技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，如何高質(zhì)量、高效率、低成本地完成大型零件的數(shù)控加工成為了必須攻克的難題。
國外發(fā)達(dá)國家航空制造史很長(zhǎng)，特別是飛機(jī)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)都已非常成熟。隨著近年來國內(nèi)各類軍民機(jī)的研制，國內(nèi)主要航空企業(yè)在航空數(shù)控加工技術(shù)方面積累了大量的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，初步形成了以飛機(jī)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造為代表的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但是，隨著我國大飛機(jī)項(xiàng)目的啟動(dòng)，航空零件數(shù)控加工技術(shù)將面臨更大的挑戰(zhàn)，因此，我們?cè)跀?shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域還需要不斷進(jìn)行深層次的研究，以縮小和西方國家的差距。
國內(nèi)航空零件數(shù)控加工技術(shù)現(xiàn)狀
與其他行業(yè)產(chǎn)品相比，航空類產(chǎn)品零件具有一些顯著的特征，從而決定了航空零件數(shù)控加工技術(shù)的特點(diǎn)以及發(fā)展的方向。這些特征主要體現(xiàn)在以下方面：
(1)產(chǎn)品類型復(fù)雜，具有小批量、多樣化特點(diǎn)。由于現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件品種繁多，同時(shí)，飛機(jī)研制通常為小批量生產(chǎn)，因此無法采用大規(guī)模流水線生產(chǎn)方式來提高效率和降低成本，因此航空零件數(shù)控加工也必須適應(yīng)這種特點(diǎn)。
(2)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化和整體化，工藝難度大，加工過程復(fù)雜�，F(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步促使航空零件的設(shè)計(jì)趨于復(fù)雜化和整體化，簡(jiǎn)化裝配，提高結(jié)構(gòu)性能，這也給數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求。
(3)薄壁化、大型化特點(diǎn)突出，變形控制極為關(guān)鍵。為了控制飛機(jī)重量，飛機(jī)零件的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是進(jìn)行了薄壁化設(shè)計(jì)，另一方面，飛機(jī)的大型化也使得零件結(jié)構(gòu)趨于大型化，出現(xiàn)了許多超大型零件，因此加工變形成為了突出的矛盾。如圖1所示為典型飛機(jī)薄壁結(jié)構(gòu)件—787短艙梁。
(4)材料去除量大，切削加工效率問題突出。飛機(jī)零件材料去除量一般都在90%以上，切削效率對(duì)生產(chǎn)周期和成本影響較大。
(5)質(zhì)量控制要求高。航空零件由于具有極高的安全性要求，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量控制十分嚴(yán)格。
(6)產(chǎn)品材料多樣。隨著材料、冶金技術(shù)的發(fā)展，高強(qiáng)度鈦合金、復(fù)合材料等的應(yīng)用范圍和用量正在逐步地得到擴(kuò)展，對(duì)航空數(shù)控加工技術(shù)的適應(yīng)性提出了廣泛的要求。
(7)大型結(jié)構(gòu)件毛料價(jià)值高，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)大。
經(jīng)過多年的技術(shù)應(yīng)用研究和探索，我國在航空零件數(shù)控加工技術(shù)研究與應(yīng)用上取得了較大的進(jìn)步，但是目前我國數(shù)控加工整體技術(shù)水平和國外先進(jìn)水平差距仍較大，尤其在大型結(jié)構(gòu)件研制方面，存在諸多下述亟待解決的問題：
(1)混線生產(chǎn)，專業(yè)化、集成化程度低。在目前的生產(chǎn)資源配置中，普遍存在專業(yè)化程度低，布局不合理，各種類型產(chǎn)品交叉生產(chǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重，極大地制約了產(chǎn)品效率的提高。
(2)數(shù)控加工準(zhǔn)備時(shí)間、輔助時(shí)間占用過多，裝夾效率低下。在數(shù)控加工中程序調(diào)整、工裝夾具準(zhǔn)備、刀具準(zhǔn)備及零件檢測(cè)等占用的時(shí)間較多，加工效率偏低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)床有效切削時(shí)間比例僅為30%，極大地影響了產(chǎn)品加工效率的提高。
(3)切削加工效率低，高速切削應(yīng)用比例較低。在數(shù)控加工仿真、程序優(yōu)化、工藝參數(shù)庫、制造資源管理等方面與高效加工需求存在一定的差距，切削參數(shù)不合理、機(jī)床利用率低等現(xiàn)狀極大地制約了高效數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展。特別是飛機(jī)大型零件，材料去除量大，加工周期長(zhǎng)，加工效率低成為制約生產(chǎn)研制的突出矛盾。
(4)信息化程度低，制約了生產(chǎn)研制的高效運(yùn)作。數(shù)控機(jī)床是一個(gè)孤島，各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息傳遞和交換存在瓶頸，總體上制約了企業(yè)的高效運(yùn)作，影響生產(chǎn)效率。
(5)大型結(jié)構(gòu)件變形控制仍然是亟待突破的難題。不同類型的航空零件結(jié)構(gòu)、尺寸、材料各不相同，難以掌握準(zhǔn)確的變形規(guī)律，是數(shù)控加工中最大的變數(shù)之一。
(6)研制成本高，研制風(fēng)險(xiǎn)大。大型航空結(jié)構(gòu)件、新型材料構(gòu)件等一般毛料價(jià)值較高，任何質(zhì)量損失都會(huì)給企業(yè)帶來巨大的財(cái)產(chǎn)損失。
國外航空零件數(shù)控加工技術(shù)
在發(fā)達(dá)國家，航空零件的制造加工過程普遍實(shí)現(xiàn)了高度專業(yè)化、信息化和自動(dòng)化，不需要人工干預(yù)，裝夾定位過程簡(jiǎn)單快捷，加工效率高(如圖2為空客帶自動(dòng)托盤交換的臥式加工中心加工的大型梁類零件)，這些特性主要體現(xiàn)在以下方面：高度專業(yè)化的生產(chǎn)資源配置和布局;普遍應(yīng)用高速無人干預(yù)加工技術(shù);普遍應(yīng)用大功率高效切削，主軸功率使用率在70%以上;普遍實(shí)現(xiàn)快速裝夾、托盤交換等不間斷加工過程，減少空機(jī)時(shí)間;生產(chǎn)資源集成化信息管理程度高;配套設(shè)施完備：包括主軸測(cè)頭、集中刀庫、安全防護(hù)、鋁屑處理系統(tǒng)等;采用自動(dòng)測(cè)刀，芯片讀寫的方式進(jìn)行刀具參數(shù)、刀具壽命管理。
航空零件數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展探索
1以產(chǎn)品特征成組劃分為基礎(chǔ)，形成專業(yè)化的精益生產(chǎn)線
目前，在航空零件的大規(guī)模研制中往往面臨較大的被動(dòng)局面，無法形成具有極大競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其根本原因就在于原有的相對(duì)落后的生產(chǎn)資源配置和布局已經(jīng)無法滿足當(dāng)前研制需要，尤其是國家大飛機(jī)項(xiàng)目的啟動(dòng)在給我們帶來極大機(jī)遇的同時(shí)也對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)能力和制造技術(shù)水平敲響了警鐘。
首先，要確立零件族的概念，應(yīng)用成組技術(shù)建立典型零件族。其次，在確立典型零件族的基礎(chǔ)上，分類建立標(biāo)準(zhǔn)化的典型零件族工藝流程。
最后，在標(biāo)準(zhǔn)化的典型零件族工藝流程的基礎(chǔ)上形成專業(yè)化、集成化的生產(chǎn)資源配置和布局，并最終形成各類典型航空零件的精益生產(chǎn)線。特別是對(duì)于大型結(jié)構(gòu)件，建立專業(yè)化的典型零件生產(chǎn)單元對(duì)于提高其加工技術(shù)水平、降低成本尤為重要。
2以裝夾快捷化為目標(biāo)，形成高效可靠的裝夾技術(shù)
對(duì)高速加工的數(shù)控設(shè)備來說，正確設(shè)計(jì)夾具、縮短夾具生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，實(shí)現(xiàn)零件在數(shù)控機(jī)床上的快速裝夾定位非常重要，能大大提高有效切削時(shí)間比例，保證加工質(zhì)量，從而達(dá)到提高數(shù)控加工效率的最終目的。在傳統(tǒng)夾具體上，采用機(jī)械定位、人工夾緊和拆卸通常要花費(fèi)大量的時(shí)間和人力，而高速加工大型工件時(shí)，采用半自動(dòng)化或全自動(dòng)化裝夾技術(shù)是非常有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的，液壓定位和夾緊非常有效。
液壓夾具的主要優(yōu)勢(shì)是節(jié)省夾緊和松卸工件時(shí)所花的大量時(shí)間，有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明液壓夾緊相比機(jī)械夾緊節(jié)省約90%的時(shí)間，縮小了生產(chǎn)循環(huán)周期，降低了成本。另一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)在于夾緊力在定位和夾緊過程中保持恒定不變，從而確保了同一道工序下加工質(zhì)量的一致性。
柔性夾具系統(tǒng)也是一種新型的替代傳統(tǒng)夾具的裝夾系統(tǒng)。目前先進(jìn)的柔性夾具系統(tǒng)都具有自適應(yīng)能力，針對(duì)產(chǎn)品變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)整，從而適應(yīng)了產(chǎn)品變化較大時(shí)的情況(如圖3所示的空客-MELT全自動(dòng)柔性裝夾系統(tǒng)及生產(chǎn)線)。
3從常規(guī)切削向高速切削過渡，逐步實(shí)現(xiàn)無人干預(yù)高速加工
現(xiàn)代飛機(jī)的高性能要求其結(jié)構(gòu)具有輕量化、薄壁化和整體化的特點(diǎn)，零件須實(shí)現(xiàn)較高的精度和表面質(zhì)量，傳統(tǒng)的低速加工方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代航空制造的需要。大量的型號(hào)研制應(yīng)用證明，高速切削加工技術(shù)具有極大的優(yōu)越性，不僅加工效率大大提高，零件的加工質(zhì)量也得到提高。
國內(nèi)目前在高速加工應(yīng)用方面和國外存在著較大的差距，主要表現(xiàn)在20000R/MIN～40000R/MIN的大型高速銑削設(shè)備數(shù)量少，配套設(shè)備缺乏，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)匱乏，嚴(yán)重制約了國內(nèi)整體數(shù)控技術(shù)水平，未來無論在硬件環(huán)境的建設(shè)，還是應(yīng)用技術(shù)的研究方面都需要投入大量精力。
4實(shí)現(xiàn)刀具資源的信息化管理及優(yōu)化配置
隨著產(chǎn)品任務(wù)量的加大、設(shè)備的增加，用于機(jī)械加工的刀具需求量也越來越大，品種也越來越多。但長(zhǎng)期以來，刀具管理模式主要采用人工管理模式，刀具管理制度不健全，刀具庫房不規(guī)范，在刀具的集中配置方面不完善，嚴(yán)重影響了刀具管理水平，增加了數(shù)控加工的準(zhǔn)備時(shí)間，制約了數(shù)控加工的效率和加工能力的進(jìn)一步提高。隨著數(shù)控加工和刀具技術(shù)的高速發(fā)展，面對(duì)高效生產(chǎn)的挑戰(zhàn)和不斷降低制造成本的壓力，刀具的管理成為各制造企業(yè)日益關(guān)注的熱點(diǎn)。
文建立自動(dòng)化、信息化的刀具管理存儲(chǔ)環(huán)境是解決目前刀具應(yīng)用管理落后、低效現(xiàn)狀的有效途徑。可以通過植入芯片進(jìn)行刀具的全生命周期管理，從而合理地應(yīng)用刀具資源。
5深化仿真技術(shù)應(yīng)用研究，推動(dòng)數(shù)字化制造體系的建立
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控加工仿真技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，尤其在航空、航天、國防及其他大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的研制開發(fā)過程中，數(shù)控加工仿真在減少損失、節(jié)約經(jīng)費(fèi)、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮了巨大作用。
基于VERICUT軟件構(gòu)建的數(shù)控加工仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)了數(shù)控編程的虛擬制造，比刀位文件仿真更真實(shí)、直觀，極大地提高了數(shù)控編程的效率和質(zhì)量。
文仿真加工技術(shù)目前已經(jīng)成為數(shù)控加工研制過程中必不可少的環(huán)節(jié)。尤其對(duì)于飛機(jī)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件來說，其材料昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大量采用高速切削，相關(guān)設(shè)備極為昂貴。確保加工過程中刀具軌跡、切削參數(shù)的正確性、合理性，杜絕過大余量切削、碰撞干涉、超程等意外錯(cuò)誤至關(guān)重要。因此，建立準(zhǔn)確、完整的仿真加工環(huán)境是必要的。
6突破典型大件變形控制關(guān)鍵技術(shù)
對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工來說，由于產(chǎn)品類型多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工條件各異，因此，零件的數(shù)控加工變形是數(shù)控加工中最難確定的因素，加工變形控制仍然是困擾數(shù)控加工的主要難題之一。
(1)數(shù)控加工變形控制的一般方法。
A。應(yīng)力釋放原理。充分釋放內(nèi)應(yīng)力是減小加工變形的有效手段。通過有限元模擬的狀態(tài)證明，當(dāng)零件材料沿某一個(gè)方向出現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)時(shí)，則沿此方向的內(nèi)應(yīng)力將無法傳遞，在此斷裂界面上沿此方向的內(nèi)應(yīng)力為零。如圖5所示是一種典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力釋放示例。
B。應(yīng)力平衡原理。內(nèi)應(yīng)力不可能消除，只能盡量減小，或者使內(nèi)應(yīng)力盡可能處于平衡狀態(tài)，平衡的內(nèi)應(yīng)力使零件處于“動(dòng)態(tài)”的穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到控制變形的目的。
C。余量補(bǔ)償原理。在加工過程中，如果已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的變形，則可以通過余量補(bǔ)償?shù)男问綔p小變形�；谶@個(gè)原理控制變形的措施有：基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)孔的重新修正，預(yù)留適當(dāng)?shù)木庸び嗔康却胧?/p>
D。減少應(yīng)力的產(chǎn)生。除了材料固有的內(nèi)應(yīng)力外，加工過程也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，造成加工變形，因此，盡可能減少加工中產(chǎn)生的應(yīng)力，也是主要控制變形措施之一。例如，高速加工能大大減少加工表面應(yīng)力的產(chǎn)生;提高冷卻效果也能大大減少加工表面應(yīng)力的產(chǎn)生。
(2)基于有限元仿真的數(shù)控加工變形模擬技術(shù)：
對(duì)于零件數(shù)控加工變形控制的研究，目前國內(nèi)外仍然缺乏十分有效的研究手段，在實(shí)際生產(chǎn)中主要憑借技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累及反復(fù)試驗(yàn)為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)數(shù)控加工工藝過程，存在很大的不確定性因素和研制風(fēng)險(xiǎn)。
有限元模擬切削分析技術(shù)，是研究數(shù)控加工變形的有效技術(shù)之一。有限元仿真加工變形模擬技術(shù)使得在加工之前可利用數(shù)值仿真技術(shù)模擬加工過程，對(duì)加工過程進(jìn)行分析，確定各種參數(shù)對(duì)零件變形的影響，預(yù)測(cè)復(fù)雜零件在加工過程中的變形、破裂情況，給設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)人員提供進(jìn)行設(shè)計(jì)和工藝分析的依據(jù)。
7推動(dòng)切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用
合理的切削參數(shù)是數(shù)控加工實(shí)現(xiàn)高速高效加工的前提，也是實(shí)現(xiàn)高速無人干預(yù)加工過程的必要條件。目前，基本的切削優(yōu)化技術(shù)主要有：基于動(dòng)力學(xué)仿真的切削優(yōu)化技術(shù)、基于優(yōu)銑技術(shù)的切削參數(shù)優(yōu)化和基于幾何仿真切削的優(yōu)化技術(shù)，分別有各自的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。
(1)基于動(dòng)力學(xué)仿真的切削優(yōu)化技術(shù)。
基于動(dòng)力學(xué)仿真的切削優(yōu)化是以切削加工系統(tǒng)物理特征為基礎(chǔ)的仿真切削優(yōu)化技術(shù)�；驹硎峭ㄟ^對(duì)機(jī)床加工系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試和分析，得到其固有頻率、阻尼比、模態(tài)剛度等參數(shù)，然后采用切削加工動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)進(jìn)行顫振穩(wěn)定域仿真，得到顫振穩(wěn)定域仿真曲線;最后根據(jù)顫振穩(wěn)定域仿真曲線，結(jié)合被加工工件特征選擇合理的切削參數(shù)(如圖所示)。
(2)基于優(yōu)銑技術(shù)(OPTIMILL)的切削參數(shù)優(yōu)化。
優(yōu)銑技術(shù)是一種采用自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)機(jī)床主軸上的負(fù)載/功率，以最優(yōu)進(jìn)給速率的計(jì)算以及用計(jì)算所得的最優(yōu)進(jìn)給速率對(duì)切削過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。優(yōu)銑技術(shù)需要對(duì)每項(xiàng)零件多次進(jìn)行切削優(yōu)化，得到的優(yōu)化結(jié)果只對(duì)該零件有效。
(3)基于幾何仿真切削的優(yōu)化技術(shù)。
基于幾何仿真的切削優(yōu)化是針對(duì)切削過程中切削條件和待切削材料量的實(shí)時(shí)變化自動(dòng)調(diào)整進(jìn)給率的優(yōu)化措施，它能夠在一定程度上提高加工效率，改善切削過程。其基本原理是，以刀具實(shí)時(shí)材料去除率和刀具前進(jìn)方向?yàn)閮?yōu)化基礎(chǔ)，切削大量材料時(shí)，刀具進(jìn)給率降低;切削少量材料時(shí)，進(jìn)給率相應(yīng)地提高，保持機(jī)床負(fù)載的相對(duì)均衡和切削穩(wěn)定。
這3種優(yōu)化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中都具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但也各有一定的局限性，將其結(jié)合起來則能夠達(dá)到較好的效果。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上通過建立典型切削參數(shù)庫，能夠?qū)崿F(xiàn)同類零件切削的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。
