国产数控机床在航空制造业中的应用分析

鞠晓光

Abstract： The aviation industry is a relatively important field in the development of high technology， and it is also the main competition point of the world's high-tech industries. All countries regard the aviation industry as a pillar industry in the development of high-tech. The same is true in China， which regards the aviation industry as a key development area， which also creates certain opportunities for the development of the national aviation industry and aviation manufacturing technology. How to promote the application of domestic CNC machine tools in the manufacture of aircraft structural parts is of great significance to the industrial structure adjustment of the national equipment manufacturing industry. This article analyzes the development status of domestic CNC machine tools and discusses the application of Chinese CNC machine tools in the aviation manufacturing industry.

关键词： 航空制造业;国产数控机床;应用

Key words： aviation manufacturing;domestic CNC machine tools;application

中图分类号：TG659                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0206-03

0  引言

飞机中的大多数零件都存在协调位置较多、加工精度高和结构比较复杂等诸多方面的特征，也正是因为这些方面的特征给数控机床的选用提出了一定的要求。最近几年，伴随国家航空工业的高速发展，我国的数控机床产业也取得了比较明显的进步。对于国产数控机床，其不仅在加工质量等层面获取了一定的提高，同时研发成功了五轴联动高档数控車削中心，为其在航空制造产业中的应用提供了更好的保障。

1  国产数控机床的发展状况分析

关于国产数控机床，从技术能力、管理服务和产品数量等层面来讲，已经获取了比较大的成就，和国际较为先进的水平之间正在逐渐缩小差距。最近几年，就国产数控机床来讲，从产品的数量和品种上来看，都取得了比较明显的进步，同时产品相应的技术水平与质量同样得到较为明显的加强。同时，国产数控机床就服务以及外观造型等众多方面来讲都实施了一定的改进，当前产品的种类已经达到了发达国家水平[1]。从五轴联动数控机床等同其具有一定关联的领域来看，已然迈入了世界领先水平的行列。现今，国家自主研发成功了世界上最大的数控桥式龙门复合机床等数控机床，这也在一定程度上使得只有少数国家垄断的局面被打破，对于中国制造业的发展十分利好，尤为是针对我国航空制造产业的发展具有比较良好的促进效果。

相比于国外的先进技术水平来说，对于国产数控机床，在重要配件、刀具水平和技术条件等多个方面，仍然存在着不小的差异。而据相关统计显示，构成数控机床的传感器与伺服电机等关键性部件，大多数依然是通过向国外进口。而当前能够进行生产的中高档数控车床，相当多的都是处于装配和生产的最后环节中，并不能掌握真正的技术，而且其中的部分关键性技术和零部件也都是需要进口的。尤为是数控刀具的技术落后状况所体现的问题比较突出。由于国产数控刀具在安全性上相对较低，而且使用期限也比较短，从性能、质量以及品种等方面来看，依然无法满足用户的实际需要[2]。因为国产刀具的使用寿命比较短，且刀具品种比较少，这些都对机床运转的稳定与可靠造成了一定的影响。例如，对于五轴联动数控机床，国外产品可以持续性保持1500小时的工作时间，而国产数控机床保持无故障持续性工作的时间最多是1000小时，这便可以看出，和国外同种产品相对比，在使用性能方面国产的数控机床依然存在一定的不足。所以，对于促成真正意义上的中国数控企业，国产数控技术首先应实现对民族品牌的有效打造，从而实现技术创新和成果转移以及与市场形成更加快速的技术连接，同时也可以对国外的一些先进技术管理制度予以引进。

2  航空制造业中国产数控机床的应用分析

2.1 典型飛机零件的特征

比较典型的飞机零件在进行数控加工的过程中，通常分成机身机构件的加工与发动机关键性部件的加工两个组成部分。

飞机的机身结构件通常包含框、梁、筋、滑轨等相关组成部分，这些结构起到了发动机、机翼、起落架等结构的有效连接作用，保证了飞机的完整性。机身结构件存在以下特点：①梁类零件通常都是细长且扁平的部件，具有较大的抗扭刚度和加强的抗弯性能，轮廓尺寸相对较大，部分梁类零部件的长度可以长达13m，毛坯是由铝合金与板材相互挤压而成。②框类零件主要结合应用途径的不同，分成隔框、腹板框和加强框等。其中加强框具有较大的框距，例如，大型运输机所具有的框距通常在300-500mm范围内，框的总体重量在机身机构重量中占据27%-29%的比例。关于隔框，其结构形式可以分成构架式框和环形钢框等，其加工往往都是应用模锻毛坯，为了有效保证腹板相应的剪切稳定性，一般会对加强型材予以应用。③机身的蒙皮促使其形成了相应的气动外形，应保证表面较好的光滑性，一般都是应用铝合金材料。针对Ma超过3的飞机，受热影响比较大的区域范围中，一般都是应用钛合金材料，蒙皮实际应由的厚度需要依照进行工艺的特点、经济性和载荷等众多方面的要求予以充分考虑。④由于滑槽和接头等关键零件结构刚度很大，且存在着相当的重复性，因此一般都是使用整体的毛坯尺寸件[3]。由于刚度很大，且表面比较平滑，在进行机械加工之后，若是存在着毛刺等相关缺陷问题，就不可能通过人工的加工方法进行消除。⑤由于肋板与钢筋等关键零件的变斜角角度比实际变动大，因此原材料上相应的去除工作量也很大，材料上一般都是应用铝合金，但也有一些使用钛合金和不锈钢等相关材质。

对于飞机的发动机来说，其中比较主要的部件主要包括各种类型的叶片、整体叶盘与等。在这其中，具有比较大的尺寸，刚性结构比较弱，具有壁薄的特点，其型面结构比较复杂，但对于精度的要求比较高，因此加工更加困难。譬如，某一型号大型的大型相应的外形尺寸一般为？准1823.5mm×546mm，最薄壁只有3mm;对于飞机叶片而言，其型面比较复杂，具有较高的强度，通常需要使用耐高温的钛合金材料，例如，某大型宽弦空心风扇叶片所应用的结构是、带和的结构，直径超过？准1600mm，使用质量比较轻的树脂基材料或是钛合金材料;对于整体叶盘，其是比较典型的薄壁类零件，通道比较窄，但具有一定的深度，具有较大扭曲度，但开阔性相对比较差，在受到外力作用时比较容易出现变形的情况，不准许出现缺陷与裂纹的情况，实际加工中应使用精密数控立车和数控卧车等机床进行加工，同时加工机床应具有较为良好的刚性和较高的定位精度。

2.2 典型飞机零件的加工

结合典型飞机零件的结构性特点，实施加工工艺的设计，主要根据相应的工艺流程进行零部件的加工与制造。本文针对机身结构中的发动机整体叶片与关键接头的加工进行举例说明，阐述实际所采用的加工方法。

首先，整体叶盘加工。这种结构是轮盘和叶片的组合，无需使用榫头与榫槽予以连接，这样叶片所具有的结构也变得更加紧凑，相应的涡轮、压气机等一些转动性部件的质量便会有所减轻[4]。针对整体叶盘的加工，一般都是予以锻件加工，也就是所说的五坐标数控加工的一种方式。详细的加工路线如下：进行材料复核检查前的相关准备-半粗加工-进行孔加工-辅助性加工。实际进行加工中，应用开槽的加工方式，针对大部分进行了有效去除，采用对称削叶片的方法，实现了对粗加工和半精加工叶片内应力非对称释放等相关问题的有效控制，采用叶盘叶片前后缘加工误差补偿技术，使得叶片形状、位置和尺寸差等相关问题得到了较为有效的处理。

其次，接头类零件的加工。就机身的接头来讲，主要的作用是用于机身有关部件与机身及其他部件相互间的连接。对于这种零部件而言，其自身结构具有一定的复杂性，协调难度相对比较大，同时刚性不足，工艺加工流程比较多，需要较长的加工时间。从飞机洁身来来，机身及尾翼所采用的零件接头材料一般都是低合金超高强度钢与300M钢，机身和其余部件之间采用的结构大部分是LC4、LD5等。例如，接头类零件的毛坯通常选用模锻件，加工工序遵循集中性的原则，通过加工技术要求的相关分析、定位基准的选取、辅助性加工工艺安排等相应工艺处理后，便完成了对接头类零件加工工艺的设计。实际加工制造中，接头处头部耳片槽和两侧面的加工应用-半精铣--精加工的方式予以实现;在对头部外形进行实际加工的过程中，应用粗铣-半精铣等相关加工处理方式;针对头部位置耳片上孔的加工应用钻-热处理-的加工方式。

3  国产数控机床关键技术相关完善方法

3.1 车铣复合加工技术的完善

该项技术是一项较为先进的数控加工技术，可以有效提高生产加工效率，同时加工精度比较高，在航空制造业中获取了比较普遍的应用，所以针对这项技术的相应加工工艺予以改进，能够有效加强相关设备的使用性能[5]。首先，完善加工方案决策技术。先从与加工方案相关的知识库中调用所使用加工方案的有关信息，之后在和知识库中所给出的有关属性值与特征数据信息之间相互比较，最后再与所采用的加工材料、热处理等多个方面的信息进行匹配，这样便能够得到符合现实要求而且相对合理的加工方案，并选择了最优化的加工工艺方式作为具体的加工决策结果，这样便使得加工方案决策技能的改进获得了更加合理的实现，也使得加工方式设计技术越来越具有现代化水平。其次，完善工步排序技术。从工业产品特征之间比较简单的拓扑关联与工艺知识准则来看，应用人工智能技术对工艺顺序的相关性予以分析和研究，设置对应的工步有向图，同时借助有向图所具有的表现形式针对工步相互间所具有的关系予以呈现，这样便会令相同工步间所对应的工艺时间误差是最小值，明显缩减了刀架的等待时间，通过与此确保了工艺排序技术更加合理改进的有效实现。最后，完善碰撞检测技术。可以充分应用双基层次包围盒及其对应的碰撞检测方式，针对车铣复合工艺方案中可能会发生的撞击状况进行了实时性的跟踪测量，从而可以在较短的时限中提出其中不引起事故的相应对象，同时利用了双基时差定位的方法提高检测结果所具有的准确度，进而提高了测量的有效性，从而助力于工艺设计工作者在第一时间内完成了工艺方案或是运动参数的正确调整，提高了修正效果，实现了碰撞检测技术进步的高效实现。

3.2 可靠性技术的改进

要想保证国产数控技术更加可靠的發展，应由可靠性建模、可靠性设计和故障分析等众多层面入手。首先，借助修复如旧的假设与都能时间动态相应模型的创建，可以使得机床的可靠性模型更加真实，也能够为数控机床相应的可靠性设计提供一定的参考依据[6]。然后，通过对数控车床故障数据分析及相关应用的研究开发，以实现对数控机床故障数据分析信息的管理与安全性评价等多个方面功能的良好实现。再次，通过相对完备的可靠性标准，对可靠性分配设计和以故障分析未出的可靠性增长设计进行进一步优化，以促进机床可靠性管理综合理念与方式的相应完善。最后，通过对各装置可靠性机理与现存关键技术的合理总结，对已存在工况模拟能力的可靠性试验体系加以研究，以便提高机床上关键部件所具备的可靠性。

3.3 刀具切削效率的提高方法

要想使数控机床及相应的刀具切削加工效能获得相应提高，就必须从以下两个层面着手：一方面，大力推广使用较为成熟、领先且更加适用的高新磨削技术，并促进各类新刀具结构、新磨削工艺技术和切削材料的研究开发。另一方面，加强工艺水平，降低刀具的实际损耗，可以通过对某些典型零件原本工艺流程的分解，并选择配置相对合理的加工工具，对相关的走刀路线进行优选，降低走刀的实际次数，对相关切削参数加以优化处理，从而实现降低对于刀具实际消耗量的效果。

4  航空制造业今后对于国产数控机床的需求

4.1 大型高精度数控机床和五轴联动卧式加工机床

目前，对于一些大型飞机的结构件而言，很多长度均超过20m，相应的表面粗糙度是1.6，这也促使加工朝向更加精密化方向发展，机型朝向大型化方向发展。德国制造的高精度五坐门铣床，研制了适合机械工作空间误差的补偿KMD控制系统。与此同时，对相应的工作区域，使得恒温控制系统得到了较为良好的实现[7]。此种状况下，机床在2.5m×9m×1.5m工作空间的范围中定位精度便能够实现1.6μm/m3。另外，就当前飞机结构件而言，其在加工中的材料去除率为95%。在进行立式机械加工的过程中，由于在高速切削状况下所产生的许多切屑比较易在零件的表层进行积累，导致零部件需要进行二次切削，使得加工的质量受到一定影响，而卧式机床因为其较好的特性，以及拥有相应的柔性加工单元等诸多的优点，在飞机结构件加工中的应用也将显得更加具有普遍性，在今后对航空结构件的机械加工中。卧式机床所占有的比例也将更大。

4.2 钛合金高效与复合材料加工机床

当前，现代飞机的制造中，钛合金和碳纤维作为代表的相关复合型材料的应用所占据的比重较大。在铝合金材料高速加工问题大体已经得以解决的情况下，钛合金和复合型材料的加工将变为今后航空制造企业的重要任务。因为切削性能相对较差，钛合金的实际切削效率一向都比较低，怎样确保这种材料的高效加工是目前航空制造企业应予以关注的一个问题，可以从高效的加工工艺和加工设备等层面着手，其中高效的加工设备是基础性保障。复合型材料的加工重点应予以解决的是污染方面的问题，和金属材料有所不同的是，在针对复合型材料进行高速切削处理的过程中，会有很多的粉尘形成，会给人体和机床带来比较大的损伤。所以，航空制造企业中使用复合型材料加工及具有较好防护性能加工设备方面具有较为迫切的需要。

4.3 自动化生产系统和满足数字化制造需求的设备新型功能

为了能够有效提升实际制造效率，降低零件加工中所产生的品质风险，具有加热、运输等诸多功能的自动制造系统已经问世。当前，国外飞机制造企业的柔性生产线已经得到了相当普遍的运用，国外的部分飞机生产公司在活性碳纤维蒙皮工艺中开始使用了集清洗和输送等多个方面功能为一体的自动制造系统，提高了零件相应的机械加工效能，实现零部件相对良好的机械加工品质[8]。除此之外，数字化生产过程中，对于机床所处区域相应的环境，也应实施实时性监测，同时机床也应可以对零件加工的流程和当前机床的工作状况相关信息加以收集，此种状况下，便对机床提出了更进一步的要求，需要具备零件在线测量和刀具自动测量等众多方面功能。

5  结束语

伴随现代飞机性能的逐渐提高，飞机零部件也逐渐朝向新型材料、整体化等趋势进行发展。事实上，国产数控机床具有诸多方面的优势特点，相比较于国外数控机床不远万里进入中国市场来讲具有着比较明显的优势。我们比较欣慰的看到，相较于国外数控机床而言，国产数控机床在性价比和售后服务等众多方面都存在着绝对性的优势，从产品的可靠性以及质量等层面来看是不会逊于任何一个国外厂家产品的。众所周知，就航空制造企业而言，相关设备的更新换代速度是比较快的，耗能较大、产能较小的设备必将会遭受市场的淘汰，可以对其实施相应的技术性改造，这是一个具有较大发展潜力的市场。另外，这也是国产数控机床进驻航空制造业的一个良好契机，牢牢抓住机会，是国产数控机床重新打造自我、冲出重围的关键。

参考文献：

[1]张遵生，张海涛，李青，等.数控加工技术在航天航空制造业的特殊需求中的不断发展[J].中国战略新兴产业，2019（32）：98.

[2]何璇.数控技术在制造业的发展探析[J].湖北农机化，2019（14）：1.

[3]王永胜.数控技术在机械制造业的应用探究[J].世界有色金属，2019（17）.

[4]张中岳，邢凡凤.数控机床技术在机械制造中的应用[J].中国高新区，2019（006）：160.

[5]吉远镜.论数控技术的发展对当代机械制造业的影响[J].南方农机，2020，51（01）：220.

[6]龙忠海.数控机床机械结构设计和制造技术新动态的探讨[J].农家参谋，2019（24）.

[7]冀中仁.2017年军工行业国产数控机床应用座谈会暨国防科技工业智能制造论坛在京举行[J].中国军转民，2017（204）：6-7.

[8]刘红安，李元华.目前航空制造业数控设备技术发展动态[J].金属加工：冷加工，2018（012）：2-4.