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航空產品與（yǔ）機床設備相互影響發展密不可分

2015-4-16 來源：中航（háng）工業沈陽黎明航空發動機作者：

　　航空產品的性能、質量與生產（chǎn）效率是（shì）與其（qí）製造裝備，尤其是機床設備的發展密（mì）不可分的。一般說來，產品的設計以用戶與市場需求為導向，但（dàn）設計目標能否最終實現，受（shòu）到裝備與製造工藝水平的製約。航空產品也是如（rú）此（cǐ）。航空零部件普遍具有十分複雜的幾何結構、較高的精度和（hé）檢測要求，同時大（dà）量（liàng）使用鈦（tài）合金、高溫（wēn）合金（jīn）、不鏽鋼、高強度鋁合金、複合材（cái）料（liào）等高性能（néng）材料，以保證航空產品對於（yú）其使用性能及環境、強度與重量的特（tè）殊要求。這些零部（bù）件從製造到檢測對於其製造工藝與裝備有著很高的（de）要求。同（tóng）時伴隨著科學技（jì）術的日（rì）新月（yuè）異，麵對風雲變幻（huàn）的國際形勢和瞬息萬變的市場（chǎng），過去長達10~15年的（de）航空產品研製周期已經不能滿足現今的客戶需求。這就要求航空製造企業必須對市場的變化有快速反應的能力，盡量（liàng）縮（suō）短產品的研製周期，並能夠對預（yù）研產品（pǐn）有足夠的（de）預驗證能力。這些也對航空產品製造裝備以及相配套的軟硬件條件提出（chū）更高的需（xū）求。

　　航（háng）空產品與（yǔ）機床設備發展的相互影響可以從兩個（gè）方麵來分析：一方麵（miàn），對於航空產品設（shè）計性能的不斷追求，促進了相關多種技術和裝備的發展。如熔模鑄造（zào）、粉末冶金、數控、在線檢測等。而這些技術和裝備的廣泛應用，又促進了其他行業（諸如機械設（shè）備、交通運輸、醫療、消費等）水平的（de）普遍提高;另一方麵，相關技術裝備、材料（liào）工（gōng）藝及配套軟硬件技術的提升以及新裝備新技（jì）術（如無餘（yú）量加工、增材製造、FMS、PDM、MBD技術）的普遍應（yīng）用，又（yòu）反過來影響（xiǎng）和改變著航空產品的設計模式，不但使以前無法實現的設計得以實（shí）現，而且（qiě）不斷促進產品設計性能和製造水平的提升。

　　毛料精化與無餘量製造機床設備

　　航空產品毛料對成品質量有著至關重要的影響。由於航空零件普遍結構複雜、精度要求高，傳（chuán）統的毛（máo）料製造技術往往無法滿足其表（biǎo）麵尺（chǐ）寸與精（jīng）度要求（qiú）。很（hěn）多表麵在（zài）鑄造和鍛造成型之後（hòu）還需要由機械加工來完成，如發動機（jī）輪盤、壓氣機葉片等。由於航空（kōng）零件大量采（cǎi）用造價昂（áng）貴的難加工材料，較大（dà）的毛料餘量不但造成材料的浪費，而且使（shǐ）航空產品機（jī）械加工的效率十分（fèn）低下。同時，機（jī）械（xiè）加工本身會破壞毛料原本內部金屬流線的完整性，並釋（shì）放內部應力，造（zào）成零件變形，對產品的最終質量產（chǎn）生不利的影響。因此，航空（kōng）產品（pǐn）對於毛料製造（zào）的精化、細化及無餘量製造技術及裝備產生廣泛的需求。

　　近幾年來，毛料的精化、細化技術日臻完善。精（jīng）密鑄造（zào）工藝設備不涉及機床概念，在此不加討論。無餘量精密鍛（duàn）造技術采用高（gāo）精度的鍛造機床設備、完善的檢測和輔助處理工（gōng）藝，可使發動機鍛造葉（yè）片型麵（miàn）及緣（yuán）板麵達到無餘（yú）量狀態。該技術的應用可提高鍛件尺寸精度（dù），保（bǎo）證葉片內部金屬流（liú）線的完整性，提（tí）高產品可靠性，同時降低葉片（piàn）加工成本，提高葉片的（de）生產效率。精密（mì）冷輥軋機床（chuáng）設備不僅使加工技術簡化，更重要的是（shì）可使（shǐ）葉片的機（jī）械性能、產品質量和使用性能得到提高，有利於葉（yè）片材料潛在性能的發揮。

　　近年（nián）來，粉末冶金材料和工藝開始廣泛應用於航空產品，如發動機輪盤、飛機結構件等的（de）製造。粉末冶金技術的關鍵在於粉末的製備以及零件的成形（xíng）和致密化技術（shù）。合金粉末一般采用熱等靜壓（yā）、熱擠壓、噴射成形、快速成形和注射成形等工藝進行成形和致密化。其中激光快速成型工藝又稱3D打印（yìn），也稱為金屬材料增材製（zhì）造技術（shù），以區別於以塑性加工工藝為代表的等材製造和以機械加工工藝（yì）為代表的減材製造。該技術是以金屬（shǔ）粉末、顆粒或金（jīn）屬絲（sī）材為原料，通過CAD模型預分層（céng）處理，采用高功率激光束熔化堆積生長，直接（jiē）從CAD模型一步完（wán）成高性能構件的“近終成形”。3D打印設備雖然（rán）沒有被明確稱為（wéi）機床，但是具備機床這一概（gài）念所具備的一切特征。同時將其功能融入現有的數控機（jī）床設備也是機床行業近年來努力的一個方向。

　　增材製造技術以其靈活多（duō）樣的（de）工藝方法和（hé）技術優勢在現（xiàn）代航空產品（pǐn）的研（yán）製與開發中具有獨特的（de）應用前景。在航空（kōng）製造領域中，難加工材料、複雜型麵的結構件等都可以很好（hǎo）地采用增材製造技術實現高精度加工。由於（yú）沒有傳統機加工藝對於刀具的可達（dá）性限製以及鑄造及（jí）塑性加工中的脫模限製，3D打印幾乎可以實現能夠在CAD中設（shè）計的任何結構（gòu）形式（shì），從（cóng）而產生全新的設計，如圖1所示。同時，由於3D打印幾乎不需要傳統工藝需要的夾具、模具製造等工藝準備環節，可以大幅度（dù）縮短航（háng）空（kōng）產品的研製周期，提高快速響應能（néng）力。
　　

　　
圖1使用3D打印製造的全新設計（jì）航空零件

　　
　　數（shù）控設備與柔性（xìng）製造
　　
　　盡（jìn）管隨著（zhe）新型航空材料與成型技術的不斷應用，機械加（jiā）工在航空（kōng）產品製造工（gōng）藝中的比重有減少的趨（qū）勢，但（dàn）是對於高精度尺（chǐ）寸和表麵特征，切削加工仍然是無法替代的（de）加工手段。同時，隨（suí）著航空零部件中新材料和新結構的不（bú）斷應用，機（jī）械加工的難度也在不斷增加。

　　與其他尖（jiān）端製造行業一樣，航空產品加（jiā）工所使用的數控機（jī）床正（zhèng）朝（cháo）著高速化、精密化、智能化、綠色化（huà）等方向發展。自20世紀90年代初以來（lái），各（gè）國（guó）相繼推出了許多主（zhǔ）軸轉速10000~60000r/min以上的數控機床。高速加（jiā）工技術的（de）應用（yòng）縮短了切削時間和輔助時間，不僅可以提高生（shēng）產效率，還可以改善加工質量，已（yǐ）成為機床技術重要的發展（zhǎn）方（fāng）向。同時（shí），通過優化機床的結構，提高了製造和裝配（pèi）的精度，減少了數（shù）控和伺服（fú）係統的反應時間。采用溫度、振動誤差補（bǔ）償等技術，提高了數控機床的幾何精度、運（yùn）動精度等。

　　隨著人們環境保護意識的加強，對環保的要求越來越高。不僅（jǐn）要求在機床製造過（guò）程中不產生對環境的汙染，還要求（qiú）在機床的使（shǐ）用過（guò）程中不產（chǎn）生二（èr）次汙染。在這種形勢下，裝備（bèi）製造（zào）領域對機床提出了（le）無（wú）冷卻液、無潤滑液、無氣味的環保要求，機床的排屑、除塵等裝置也發生了深刻的變化。上述綠色加工工藝愈來（lái）愈受到機械製造業的重視。

　　（1）數控設備的集成化與智能化。
　　
　　數控設備的集成化包括將多種機械加工工藝集成於（yú）一（yī）台（tái）數控機床或者（zhě）在數控機床設備中融合其他加（jiā）工或檢測等工藝技術。複合加工是機械加工的重要發展方向之一。其中車銑複合加工是最具有代表性的技術（shù）領域。車銑中心具有多軸聯動功（gōng）能，能夠完成任意角（jiǎo）度的（de）車削、銑削、鑽削、鏜削、滾齒、攻、鉸、擴等任務（wù），具有高柔性、多任務的特點。在單件和成批生產（chǎn）中均可獲得較高的（de）關聯加工尺（chǐ）寸精度、大大縮短加工輔助時間，是加工（gōng）精密、複雜回轉零件的理想設（shè）備。它對於提高航空回（huí）轉（zhuǎn）關（guān）鍵零部件的製造（zào）精度及（jí）縮短製造周期有（yǒu）著（zhe）重要的作用。在線測量通過將檢測技術融於數控加工的（de）工序過（guò）程中，可以避免脫機檢測返修（xiū）帶來的二次裝夾定位，解決零件製造中通用工裝和專用工裝無法測（cè）量部位的測（cè）量（liàng），顯著提升加（jiā）工效（xiào）率，保證加工質量。在航空產品研製和生（shēng）產中，可以對正在加工中的零部件進行及時的（de）修（xiū）正與補償，以消除廢次品（pǐn）的產生。

　　智能化的內容包含在數（shù）控係統中的各個方麵：為追求（qiú）加工效率和加工質量方麵的智能化，如加工過（guò）程的自適應控製（zhì）、工藝參數自動生成（chéng）；為提高驅動性能（néng）及使用連接方便的智能化，如前（qián）饋控製、電（diàn）動機參數的自適應運算（suàn）、自動識（shí）別負（fù）載、自（zì）動選定（dìng）模型、PID參數自整定（dìng）等；簡化編程、簡化操作方（fāng）麵的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界麵等；還有智能診斷、智能監控方麵（miàn）的內（nèi）容、方便係統的診斷及維修等。

　　自適應控製技術通過在加工過（guò）程中，根據采集到的電機扭矩、主軸振動等機床運行狀態信息（xī），進行機床的自我調整和控製，以此（cǐ）保證機床的正常加工和運（yùn）行，保持（chí）機床以最佳動態性能加工零件。這樣既提（tí）高了設備生產效率，又保（bǎo）證了加（jiā）工精度（dù）。智能化故障診斷技（jì）術包括機床（chuáng）信號數據（jù）采集和監控、數據傳輸和智能化人機界麵設計開發等（děng）內容。根據數（shù）控（kòng）機（jī）床故障機理分析，選擇能反映機床特征的信號，通過在（zài）機床（chuáng）關鍵部件安裝不同類型傳感器，進（jìn）行機床特征信號的采集（jí），經處理後進行可（kě）視化界麵監控。智能化實時補償技術通過外接傳感器，采集（jí）主軸在軸向（xiàng）和徑向的熱膨脹伸長誤差，通過對這（zhè）些誤差數據分析處（chù）理，進（jìn）行實時補償，提高機床加工精度[3]。

　　（2）生產線與製造裝備的柔性化。
　　
　　所（suǒ）謂柔性製造，傳統意義（yì）上是指用可（kě）編程、多功能的數控機床設備（bèi）更（gèng）換（huàn）剛性自動化機床設備，用易編程、易（yì）修改、易擴展、易更換的軟件（jiàn）控製代替剛（gāng）性聯結的工序過程，使剛性生產線實現軟性化和柔性（xìng）化，能（néng）夠快速響應市場的需求，完成多品種、中小批量（liàng）的生產任務。柔性製造係統（FMS）中的柔性具有多種涵義、除（chú）了加工柔性外（wài）、還包括（kuò）擴展的柔性、工藝的柔（róu）性、批量的柔（róu）性、設備的柔（róu）性、產品的柔（róu）性、流程的柔性以及生產的柔性。圖2為大（dà）型飛機的柔（róu）性生產線。
　　

　　
圖2大型飛機的柔性生產線
　　

　　航空產（chǎn）品（pǐn）尤其（qí）是飛機和發動機的（de）一些關鍵零件，由於其結構的特殊性，往往采用較為分（fèn）散（sàn）的（de）工序和較長的生產線。在柔性製造技術研究的早期，由於數控（kòng）機床設備本身功能和性能以及配套軟硬件條件的限製，柔性製（zhì）造係統必須在較大的生產線級別（bié）和較大投資水平上才可以實（shí）現。對於航空產品來說（shuō），僅在成熟（shú）產（chǎn）品和實力十（shí）分（fèn）雄厚（hòu）的航空製造企業獲得了有限的實際應（yīng）用。隨著數控（kòng）設備及相關信息化（huà）技術的發展，以占地麵積（jī）小、成本低（dī）、功能完善為特點的柔性製（zhì）造單（dān）元（FMC）得到（dào）了長足發展和應用。通過工（gōng）序集中，在較小的柔性製造單元中（zhōng）完成大部分在（zài）較長生產（chǎn）線中才（cái）能完（wán）成的加工工序。而柔性加工機床更是將柔性製造單元集中到一（yī）台設備中（zhōng），可以在一台設備中完成零件從毛料到成品的大部分加工，柔性（xìng）組合機床如圖3所示。對於一些小型航空零部件的快速研製有著十分重要的價值。
　　

　　
圖3柔性（xìng）組合（hé）機床

　　
　　除了機床設備的柔性，輔助工藝裝備（如夾具等）的柔性也是重要的（de）一環。柔性（xìng）夾具是以組合夾具為基礎（chǔ）的能適用（yòng）於不同機床、不同產（chǎn）品或同一產（chǎn）品不（bú）同規（guī）格型號的機床夾具。由預先製造好的各種不同形狀（zhuàng）、不同尺寸規格和不同功能的係列化、標準化元件、組件和合件拚裝而成。夾具元（yuán）件通過組（zǔ）裝—使用—分解—再組（zǔ）裝周而複（fù）始循環使用，可以（yǐ）大量減少製造夾具材料、動力消耗，降低其（qí）製造費用，減少夾具的設計（jì）、製造、調節時間。與專用夾具相比較，柔性夾具元件具有明顯的技術經濟效果，適用於多品種、小批量生產以及（jí）FMC、FMS和CIMS等加工係統。

　　信息化與虛擬機床
　　
　　隨著信息化（huà）技術的發展，航空產品的研製也正在從實體製造驗證向虛擬製造驗證的方（fāng）向轉（zhuǎn）變。虛擬製造是一種廣義概念，但從習慣性和狹義角度也可將虛擬製造理解為：利用虛擬現實技術在計算機上完成產品的成型、加工和裝配過程。虛擬（nǐ）製造技術（shù）的發展填補了（le）CAD/CAM技術和生產管理活動之間（jiān）的鴻溝，使人們在真實（shí）產品生產前，就可以（yǐ）在計算機上虛擬地進行產品成型、加工、裝配和測試，減少試切、試裝次數，及時發現工藝過程、作業計劃、生產調度及（jí）加工質（zhì）量方麵的問題。虛擬加（jiā）工實現的關鍵是在提供的虛（xū）擬工作環境下，對不同的加工方法建立由機床、刀具、工裝組成的加工係統的運動學、動力學模型及（jí）誤差分析模型（xíng）。虛擬裝配利用VR技術構建的多模式（包括視、聽、觸（chù）等）交互裝（zhuāng）配仿真環境，由裝配規劃（huá）人員交互地建立產品零部件的裝配（pèi）順序（xù）和裝配路（lù）徑及確定（dìng）工、夾具和安裝方法，可視化地比較不同的裝（zhuāng）配工藝（yì）過程，在不進行（háng）實物試裝的情況下，人機協同地對產品的可（kě）裝配性（xìng）問題進行全（quán）麵、精（jīng）確的檢（jiǎn）查和分析，盡可能早地發現並解決（jué）潛在的裝配問題。

　　虛（xū）擬機床是使用軟件（jiàn）元素工具包構建的，包括機床的三維模（mó）型、加（jiā）工仿（fǎng）真（zhēn）軟件、軟件內核（hé）和控製（zhì）器的人機（jī）界麵軟件。虛擬（nǐ）機（jī）床能減少機床的非生產性時間。虛擬機床的成本僅相當於實際（jì）機床的零頭，但非常逼真，可（kě）以用於減少實際機（jī）床的非生產時間。利用虛擬機床（chuáng）技術（shù），可以提高加工效率，保證數控編程質量，減少（shǎo）數控技術人員與操作人員的工作量和勞動（dòng）強度，提高數（shù）控編程製（zhì）造（zào）加工一次成功率，縮短產品設計和加工周期，提高生產效率（lǜ）。

　　傳統航空產品製造是以二維工程（chéng）圖紙為依據。隨著數控及CAD/CAM等相關軟硬件技術的發展，大量新產品研製都已（yǐ）引（yǐn）入（rù）二維和（hé）三維結合的（de）數字化製造技術。但從產品設計（jì）、工藝工裝、數控編程及檢測等環節中僅包含幾何信（xìn）息的三維數字模型（xíng）的應用效（xiào）果並不理想，其（qí）重複工作量大，數據（jù）不唯一。基於模型定義（MBD）技術（shù）通（tōng）過集成的（de）三（sān）維實體模型來（lái）完整表達產品（pǐn）信息，詳細規定了三維實體模型中產品的尺寸、公差標注規則和工藝信息。全（quán）麵實施MBD對於提升航空產品製造水（shuǐ）平、縮短製造（zào）周期、降低製造成本（běn）、提高產品質量有著重（chóng）要意義。產品數（shù）據管理（PDM）則是對企業全生命（mìng）周期產品數據、資源與業務流程進行整體優化管理（lǐ）的一種信息（xī）技術，是產品數字化（huà）製造的技術平台。它以產品數（shù）據為核（hé）心，是其他各種軟件工具（jù）和分析、管理工作的集成環境與基礎（chǔ）。它能提（tí）供一種結構化的方法，有效、有規則地存取、集成、管理、控製產品（pǐn）數（shù）據和數據的使用流程。PDM係統提供的版本管理功能能夠（gòu）保證（zhèng）所有參加同一項目的（de）員工采用單一（yī）數（shù）據來工作，並且（qiě）是及時和最新的數據，確（què）保設計過程數據的一致性，減少設計中重複和更改次數。

　　綜上所述（shù），航空產品與機床設備的發展是（shì）一種相互依存且相互促進的關係。從100多年前第一架飛機升空飛行伊始，人類從來沒有停止過探索飛行奧秘的腳步。對（duì）於航空產品性能的不斷追求對機床設備在精密、高效、環保與智能化等方麵（miàn）提出了更高的（de）要求。同時，各類新技術及新工藝的不斷應用也在（zài）不斷推進航空產品與機床設備技術水平的提升，從而促進社會整體科技水平的不斷進步。

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