飞机典型结构件数控加工设备选型梳理与分析

池力 唐文婷 杨杰

【摘  要】本文主要基于对飞机典型结构件的分类梳理，总结了典型结构件加工设备选型流程，针对性地提出了基于权重-最小方差和的设备细选型基础模型，期望对固定资产投资项目中飞机典型零件加工设备选型形成一定指导意义。

【关键词】飞机典型结构件;数控加工设备;设备选型

1引言

航空工业的飞速发展伴随着产品的迭代发展，产品种类增多与代次更新加速了研制技术的发展，先进制造技术得以持续提升与优化，工艺设备也朝着高精度、高刚性、高速、大扭矩等方向发展。飞机典型结构件的加工属于高精加工范畴，其加工能力也代表着航空制造能力和水平。飞机典型结构件的数控加工设备种类与结构形式呈现多样化发展，由传统铣床、龙门铣床逐渐向卧式翻板铣、高精加工中心等转变，同时，为保证特定材料或特定产品的专属加工能力，加工设备也呈现专业化发展趋势，目前主要加工设备厂家均有各自的系列化产品。掌握加工设备的发展趋势、加工设备的关键技术参数及加工特点，对于实际咨询工作具有重要意义。

而且，目前在对机加设备进行参数确定或比选时，主要以单因素分析为主，缺少多因素复合性分析;以定性分析为主，缺少定量的理论支撑;设备参数类型选取不一致及选型过程不一致，容易导致设备选型的科学细致程度不够，设备技术参数出现冗余或缺项，最终导致选型不准确。因此，有必要对设备选型流程进行梳理，规范关键技术参数，明确理论选型原则，为标准化选型提供理论依据和基础支撑。

2飞机典型结构件与加工设备梳理

2.1零件分类

按材料属性分类，飞机典型结构件零件分为铝合金结构件、钛合金结构件、合金钢零件。按结构特征分类，铝合金零件一般包括框、梁、壁板、长桁、隔板等，钛合金零件一般包括框、肋等，合金钢零件一般包括接头等。

2.2典型零件特点及加工要求

1）整体壁板类零件

整体壁板材料一般为铝合金，结构重量较轻，具备较好的整体油箱密封性，减少了零件和连接件的数量，简化了协调关系，但材料利用率低，在加工切削中容易产生变形。优先选用专用数控壁板铣床加工，可以获得较高的工作效率和最佳的产品质量。

2）框类零件

框类零件是机身横向结构的主要承力件，材料多选用铝合金，少数选用合金结构钢。框类零件加工以铣削为主，占全部工作量的70%左右。适合采用三坐标高速铣床进行大余量粗铣，由五坐标高速铣进行精加工，保证零件外形要求和加工精度。

3）接头类零件

典型钛合金零件，具有结构复杂、工艺流程长、加工周期长等特点，材料强度较高，材料去除率在90%以上。适宜采用三坐标高速铣能高效率的去除大部分加工余量，由五坐标高速铣进行精加工。

3.结构件加工设备选型分析

3.1设备选型流程

加工设备的选型是一个多目标、多方案的决策问题，其需要建立在对所需机床的加工性能分析基础之上。在分析过程中，首先应该考虑理想的切削深度、进给速率、切削速率以及一些材料系数等输入数据，然后计算出每一次加工所需的功率和扭矩，以及每次钻削过程的推力。获得机床相关关键参数后，结合设备库实例及设备厂家系列产品型号，通过参数拟合优化推理得出合理化的设备选型。

3.2选型原则

第一阶段为设备粗选型，主要通过对结构件加工性能分析，计算出对应加工设备关键参数，根据关键参数值与设备库实例进行初次匹配分析，得出若干个合理化的设备选项;鉴于影响选型的因素较多，同时需要体现关键参数的重要作用，以便做出优化选择，在第二阶段（细选型）本文提出一种基于权重-最小方差和的计算方式，对合理化的设备选项进行排序，方差和最小的即为最优设备参考选型。

第一阶段的粗选型比较容易操作，在此不作赘述。下面主要介绍第二阶段细选型基于权重-最小方差和的计算方法。

（1）参数权重

参数权重设置模型如下表所示。

上表中参数层表示设备选型涉及主要参数，如台面尺寸、主轴行程、主轴转速、主轴功率、主轴扭矩、定位精度等;参数权重列表示所选参数在指定材料加工设备选型中的重要程度，不同材料加工设备同一参数权重值可能不一致，但该列权重值和定义为1，即;子参数层是参数层的细分，如参数层主轴行程，子参数层则分為X/Y/Z轴行程;子参数权重表示各子参数在参数层内的相对重要程度，如参数层主轴行程，子参数层X/Y/Z轴行程在不同的加工对象时（如框类与缘条类）权重也会不同，但同一参数下子参数权重和为1;总权重表示各子参数在整个参数列下的重要程度，每一个子参数总权重值为参数权重值与子参数权重值的乘积。

以典型铝合金结构件加工为例，其最重要的机床加工参数（除主轴行程外）是主轴的转速和驱动功率。按照上表中设置模型给出某铝合金结构件加工设备参数权重值，如下所示。

（2）权重-最小方差和

在细选型阶段，主要目的是根据已获取的设备参数需求，通过量化的计算方式优选出相对合适的设备实例或者对多个合理可行方案进行排序。

根据方差是衡量源数据和期望值相差的度量值的数学意义，这里引入方差和的概念来研究设备实例与设备实际需求之间的偏离程度，参数方差和越小，偏离程度越低，与实际需求越接近，根据最小方差和的计算达到排序或优选的目的。

为便于实际操作，可将上述计算模型集成在工作表中，通过关键参数的输入自动计算方案D值。

4.结语

本文主要对飞机典型结构件的产品特点与加工要求进行了分析与总结，针对性地提出了两阶段选型流程及基于权重-最小方差和的设备细选型基础模型，为实际工作中的设备选型提供了一种便利科学的方法和思路，基础模型的精确性尚有待进一步验证。通过本次研究，能够对飞机典型零件加工设备选型形成一定指导意义，能够为自适应选型系统的建立及其他设备的快速选型推广研究奠定基础。

参考文献：

[1] 李磊，王永超，刘晓晨，唐雨，叶雷。基于层次分析法-理想点法的机床设备选择[J]。组合机床与自动化加工技术，2016年第12期。

（作者单位：中国航空规划设计研究总院有限公司）