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航空制造技术对机床工具发展的需求

发表时间: 2022-02-17 11:04:44

作者: 济南森永机械设备有限公司

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随着我国航空工业的快速发展, 对数控机床的需求正处于上升阶段, 尤其是研制大飞机必将吸纳大量的高品质的机床工具为其服务,对机床工具行业的发展提出了挑战的同时也提供了难得的发展机遇。

机床工业是国民经济发展的基础,是装备制造业发展的重中之重。以航空制造业为代表的高新技术产业的快速发展,必将带动和促进装备制造业的发展,为机床行业的市场发展带来新的机遇和巨大的商机,将对装备制造业的产品结构和生产方式产生深远影响。

在重点项目的支持下,在市场需求的驱动下,中国航空工业取得了长足进步,取得了一系列自主创新成果。新型先进战斗机已成为中国军事装备的主力军。ARJ21、忻州60、忻州600、忻州700等民用飞机研发制造取得了显著进展,这些成果为中国航空工业跨越式发展奠定了坚实的基础。

航空制造技术分析

航空产品零部件的结构特点:现代飞机为了满足高速、高机动性、高负荷、长航程的性能要求,大量采用了新技术、新结构、新材料。其零部件正日益向大型化、复杂化、结构轻量化、材料多样化和精密制造方向发展。例如,飞机机身结构件的典型零件,如横梁、框架、肋骨、侧板、纵梁,以及航空发动机的关键零件,如齿轮箱、各种叶片和整体叶片盘,具有较大的轮廓和不同的形状。为了减轻飞机的重量,增加飞机的机动性、有效载荷和航程,现代飞机进行了轻量化设计,并广泛使用了高强度的新型轻质材料。为了提高零件的强度和可靠性,主要采用整体毛坯零件和薄壁整体框架结构。除大量铝合金外,零件还广泛采用难加工材料制成,如钛合金、高温合金、高强度钢、复合材料和工程陶瓷。


航空产品零件的工艺特点:各类零件规格尺寸和结构相差悬殊,机床工具等工艺装备通用性不高。如加工机身结构件需要采用高刚性的高效、大型、高速机床,加工发动机关键件需要采用精度及柔性高的精密机床,加工机载设备零件的需要采用多功能的复合机床;现代航空制造业所面临的通常都是多品种、小批量、短生产周期的生产任务,因此要求工艺系统有较高的响应速度;产品零件结构复杂,加工难度大。零件的外形涉及机身外形、机翼外形、翼身融合区等, 多数零件与飞机的气动外形相关,周边轮廓与其他零件还有复杂的装配协调关系;零件切削加工量大。由于越来越多地采用整体结构设计,使得需要切削加工的零件数量大幅增加,而且大部分零件在切削过程中材料去除量非常大,部分飞机结构件的材料去除率达90%以上;薄壁易产生加工变形。飞机存在大量的薄壁、深腔结构, 为典型的弱刚性结构,加工精度高。由于要实现无余量装配,对工艺分离面的对缝、间隙等要求十分严格,零件制造精度要求高;刀具及切削参数选用困难。由于刀具工业的发展赶不上新材料的开发和应用步伐,又缺少加工切削数据库的支持,使得如何合理选择刀具和科学选用加工参数成为工艺技术的一个难点。


航空制造技术现状:经过航空制造业界的不懈努力,我国飞机制造技术水平、加工质量逐年稳步提高,航空发动机研发和制造的技术瓶颈也取得重大突破,数控加工机床在行业内也基本得到普及。


目前,我国航空制造技术虽然取得了长足的进步,但与国外发达国家相比还是存在较大的差距。主要表现在数控加工技术的应用水平整体不高, 与优质高效的加工要求相去甚远;对新型机床的性能及其加工技术掌握不够;部分关键零件的工艺还依赖于个人的经验,工艺能力普遍不足;切削工具的制造、管理和配套水平低,刀具及其切削参数的选用缺少科学依据, 制造成本居高不下;航空制造数据库还没有系统的建立起来,各先进制造单元大多数还处于独立运行状态,集成度差,未能形成先进制造技术的综合实力。


航空制造技术的发展趋势:实现产品全生命周期的数字化管理是发展的核心。包括数字化样机、数字化设计、数字化加工、数字化装配、数字化检测及数字化信息管理等,最终达到完全实现产品在各个阶段的信息集成与共享;新型复合材料的应用比例越来越大。以碳纤维为代表的陶瓷基、树脂基及高温复合材料将不断地开发出来并应用于现代飞机上,给机床及刀具工业提出了新的要求;航空整体结构件将取代传统的“多件连接”的结构形式,复杂形状构件的整体精密成形和“锻造+切削加工”的生产方式将成为航空结构件发展的必然趋势;数控复合加工技术是提高加工效率、增加装备柔性、保证产品质量的有效手段, 必将成为航空制造业主要采用的零件加工技术;高速、高效的切削加工技术需求强烈,发展迅速,推广应用的前景广阔;为减少切削量和实现无余量装配,成形技术和加工技术日趋精密化;虚拟制造和网络加工技术将广泛应用。以仿真技术为基础的虚拟制造技术能够大幅缩短产品的研制周期, 提高产品合格率。而基于网络的加工技术可以组建产品级的动态企业联盟, 从而实现协同设计和异地制造。


航空制造业对机床工具的需求

随着我国航空工业的快速发展, 对数控机床的需求正处于上升阶段, 尤其是研制大飞机必将吸纳大量的高品质的机床工具为其服务,对机床工具行业的发展提出了挑战的同时也提供了难得的发展机遇。


航空制造业需机械加工的典型零件主要有机身结构件、发动机关键件、起落架零件及机载产品零件等。由于它们的结构和性能要求各异,对机床工具的需求也各有侧重。


飞机机身结构件主要有梁、框、肋、壁板等零件,此类零件大多为铝合金或钛合金材料,一般外形轮廓尺寸都很大,属薄壁多腔的整体框架结构, 机械切削去除量大,表面质量要求高。加工此类零件需要大型、重型机床装备,要求工作台承重10吨以上,有效行程在15米以上的高刚性机床。如数控龙门镗铣床、数控龙门加工中心、数控落地镗铣床和数控五轴联动龙门加工中心等。由于机械切削量大,对能实现柔性、复合加工的大功率数控高速切削机床需求尤为迫切,如多主轴的大型组合式复合加工中心等。

飞机发动机关键零部件有压气机、燃烧室、涡轮等。此类产品的零件多为高温合金或耐高温的复合材料,一般为异型环状结构,刚性差、精度高、型面复杂、加工难度大。加工此类零件需要大、中型多功能、高精度数控机床, 要求设备具有较高的柔性、优良的数控系统、在线测量功能强大、工位多、刀具库容量大,如大型精密数控立式车削中心、五轴联动加工中心及多轴数控龙门铣,另外还需针对发动机叶轮开发高性能叶轮加工专用机床。

飞机起落架一般采用高强度钢的锻造毛坯经机械加工而成。锻造起落架的毛坯需要万吨级压力机, 毛坯的加工需要中、大型数控落地镗铣床、五轴联动龙门加工中心等设备。


机床工具服务于航空航天制造业的发展之路

国家重大装备的发展需求,给机床工具产业的发展指明了方向。针对航空航天装备的需求与发展特点,如何满足航空航天工业对制造装备的需求,更好地服务于航空航天工业是机床工具企业必须解决的问题。

机床制造业要力争通过承担国家科技重大专项,瞄准世界先进水平,引进先进技术和专业人才,推动数控机床行业的技术升级和产品换代,研制可以满足航空航天等重点领域所急需的高档机床装备。

要借助“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项启动实施之机,加强数控机床基础理论研究和应用研究, 提升机床工具自主研发和创新设计能力。重点开发高速精密复合数控金切机床、重型数控金切机床、大飞机制造所需的各种数控专用设备,逐渐摆脱我国高端机床依赖进口的局面。

大力发展多功能的复合机床。虽然目前有的加工中心已实现能将车、铣、镗、磨、抛光等多种机加工工序复合在一台机床上,但这仍不能完全满足未来航空关键零件的加工。而将机械加工与激光、电、化学、超声波等不同机理的加工方法进行复合,兼备多种不同工艺特点的复合加工机床在今后的航空航天制造业中将有广阔的发展应用前景。

协调机床主机与数控系统、功能部件、切削刀具和测量装备的平衡发展,完善产品功能,提高关键配套设备自主开发和制造能力。

深入进行用户的加工工艺研究, 开发成套的机床装备和工艺技术。装备服务于工艺,工艺是装备的目的, 为实现工艺与装备的紧密融合,机床企业必须了解和熟悉用户工艺,关注用户制造工艺技术发展的动态,准确地为产品进行市场定位,研发满足用户要求的新装备。力争在提供给用户机床设备的同时,也提供工艺技术上的整体解决方案,以提升企业和产品的竞争力。


航空制造技术对机床工具发展的需求
随着我国航空工业的快速发展, 对数控机床的需求正处于上升阶段, 尤其是研制大飞机必将吸纳大量的高品质的机床工具为其服务,对机床工具行业的发展提出了挑战的同时也提供了难得的发展机遇。
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