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 金沙在线登陆     |      2020-01-19

日前,随着铣头的转动,S试件合格切出,中航工业制造所成功设计研制出国内首台A/B摆角五坐标单主轴数控龙门铣床。 这台具有完全自主知识产权的A/B摆角五坐标单主轴数控龙门铣床,配有以刀尖点为旋转中心的编程方式,可对五坐标加工刀具长度进行自动补偿,从而提高加工程序对不同刀具和机床的适应性,使得多坐标联动的程序编制大大简化,提高机床的加工效率和加工精度。 按照国际通行的VDI/DGQ3441标准,该机床的精度、NAS试件、圆锥件及S试件完全符合验收标准,尤其是RTCP精度达到0.04mm,远远高于机床技术协议要求的0.08mm的指标。 目前,该产品已顺利通过使用客户中航工业成飞的预验收。有关负责人介绍,该台设备对铝合金、钛合金、高强度合金钢等材料都适用,特别可以为各种复杂型面大型结构件的研制生产提供重要的装备技术支撑,是航空工业加工大型飞机结构件的关键设备之一。该设备的研制成功为后续在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项中,作为“国产高档数控机床在典型飞机结构件加工中的示范应用”课题的示范应用提供了设备基础和应用条件。

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大型飞机结构与材料的特点对数控加工技术及装备提出了很高的要求,主要表现为:铝合金结构零件数控切削加工的高速化和高效化;钛合金及结构钢零件数控切削加工大扭矩和高刚性要求;复合材料铺放及加工的自动化和数控化;数控加工工艺与装备技术解决方案的一体化。以上4个方面的要求,使得面向大型飞机零件数控加工技术及装备的发展与应用呈现出新的特点。本文就上述前2个方面,以飞机结构零件加工过程中涉及的一些关键数控加工技术及装备为重点,对大型飞机制造中的数控技术、装备以及相关的使能支撑技术的发展进行讨论。大型飞机选料和结构特点现代大型飞机在材料选择方面呈现出新的特点和趋势。波音系列和空客系列飞机结构材料的选用最具代表性。铝合金在大型飞机结构材料中所占比例较大,但在新的机型中铝合金的用量呈现出下降趋势,即由原来占结构重量的70%~80%下降为20%左右,而复合材料在飞机结构中的使用量则大幅度增长,原机型复合材料用量多在11%左右,到A380复合材料用量上升到22%,而A350和B787的复合材料用量比例高达52%和60%;钛合金和高强度结构钢的用量比例也呈增加的趋势,在B787、A380结构上增加到10%以上,而在A350上则高达21%。大型飞机结构选用材料方面呈现的主要特点和趋势是:复合材料用量大幅度增加,钛合金和钢用量也有较大增加,铝合金用量明显减少。飞机结构零件主要有壁板、梁、框、肋、缘条、长桁和接头及骨架等,由于高性能、轻量化和高可靠性的要求,在结构方面,这些零件采用整体结构和复杂型面结构的设计大大增加,从而使飞机结构零件呈现出几何尺寸大、加工精度高、型面复杂、工艺特征多、壁厚薄、切削加工过程材料去除量大、加工变形控制难度大等特点,对数控机床性能、加工精度、变形控制和加工效率提出了很高的要求。机身机翼等结构零件数控加工技术与装备虽然B787、A350等最新型大型客机结构中复合材料的用量在增加,但大型飞机的机身、机翼、尾翼等结构多采用铝合金板材、型材等加工,近年来预拉伸铝合金板材在飞机整体结构件中的用量越来越大;机身承力框及加强框、机翼翼梁和加强肋等部件多采用高强度铝合金和合金钢锻造毛坯,经切削加工而成。某铝合金整体结构机翼翼盒肋板的实际零件结构尺寸为3100mm×1600mm×100mm,材料去除量达95.5%,最小壁厚接近1mm。数控切削加工是机身机翼等结构零件的主要制造工艺方法,实际应用中对于多坐标/高速/高刚性/大功率的数控龙门铣床、床身式立铣床、立式加工中心以及专用高速蜂窝铣床和长桁缘条铣床等数控加工设备的需求量大,这些设备主要用于整体构件,钛合金、复合材料结构件以及其他高强度合金钢的梁、肋、接头类复杂结构零件等的数控加工中。1 高速数控加工技术以高性能数控机床及先进刀具为基础的高速数控铣削加工技术为飞机主要结构件中的铝合金零件提供了高效率、高质量数控切削加工的解决方案。该项技术已成为航空数控加工的一个发展方向,并开始从航空制造向其他制造领域推广应用。此类数控加工技术与装备的特点及要求可概括为:采用高速主轴系统,提供尽可能高的材料去除速率(Material Removal Rate,MRR),当前应用的高速主轴,转速可达42000r/min,甚至更高。采用内冷、静压轴承、内装式力矩电机等技术的新型大功率电主轴在提供高转速的同时还可获得大的主轴功率,如Fisher公司的MFW-2320/30 VC HSK-A63主轴系统的功率和转速可分别达到100kW、30000r/min。采用高性能的进给系统,在加工中各种走刀路径获得很高的伺服动态特性,从而缩短切削加工时间。高性能数控机床不仅有高的主轴转速和主轴功率,同时,进给系统的高速度、高加速度、高加速度变化率产生的各坐标轴走刀运动的高动态响应,可以大大缩短进给运动的动态加减速时间,直接缩短加工时间,同时还可以保持高的表面加工质量。具有高加速度和高加速度变化率的高性能机床与传统机床在加工同一个型腔时同走刀路径对应的进给速度变化情况。走刀加速过程很短,机床很快进入到给定的匀速进给切削阶段,从而可以获得好的切削性能和加工效率。走刀加速过程长,机床不能快速进入匀速进给切削。高性能切削数控技术的应用,使得飞机铝合金结构件数控切削加工时的材料去除速率高达5000~7000cm3/min,当然,这里还有机床结构优化、刀具、主轴动平衡、控制系统等的贡献。2 新结构数控机床技术为适应飞机结构零件工件材料与结构的数控加工方面越来越高的效率和质量要求,一些新结构、新概念的数控机床的研制开发也受到人们的关注。2007年汉诺威的欧洲机床展览会上,DS Technologie公司展出的ECOSPEED、ECOFORCE向人们展示了新颖的专用于航空航天数控切削加工技术和装备。ECOSPEED和ECOFORCE系列机床采用并联结构SPRINT Z3主轴头,主轴采用卧式结构布局,全系列机床可进行完全的五轴联动加工,并具有高刚性、高阻尼特性、高加速度(9.81m/s2)等特点,可采用最小量润滑、刀具内喷冷却和普通冷却液等方式进行切削加工冷却润滑,工作台最大直线工作行程可达15800mm,最大快移速度达65m/min,摆角范围±40°u65292X摆角回转定位速度≥80°/s,角加速度达到685°/s2。DS Technologie公司分别针对航空结构件2种不同类型的工件材料进行了相应的开发,ECOSPEED主要应用于铝合金材料的数控切削,主轴参数可选用功率为80kW,转矩为46N·m,转速为30000r/min或功率为75kW,转矩72N·m,转速为24000r/min;ECOFORCE主要应用于钛合金难加工材料飞机零件的数控切削,采用低速大转矩主轴,进行三轴粗加工时,主轴参数可选用功率为60kW,转矩为4000N·m,转速2000r/min,而用于五轴精加工时,主轴参数可选用功率为50kW,转矩为1100N·m,转速为5000r/min。DS Technologie新结构数控加工中心以其独特的设计理念及新颖的结构,为具有不同材料和不同结构特点的飞机结构零件加工提供了高效的解决方案。A320客机铝合金翼肋零件加工实例表明,采用这种新结构的机床,可将零件加工时间由传统数控机床加工时的9.5h缩短到2.05h。可以预见,未来还将出现一些专门针对大型飞机结构零件高效优质数控加工设计的新概念、新结构的机床。3 高效专用数控机床及相关技术为了进一步提高加工效率,多主轴头、立卧转换(翻板)工作台、大型卧式主轴布局、柔性夹具等结构已成为大型飞机结构件加工用数控机床的重要特点。多主轴头机床一般采用大型龙门结构,在一台机床上设计有2个甚至2个以上相同的主轴头,在同一个工作台上,多个主轴头可以同时加工多个相同的结构零件,从而使数控切削加工时间成倍缩短。立卧转换(翻板)工作台是为方便飞机大型结构零件定位、装夹和切削过程排屑设计的一种多工作台形式,在使用时,先以立式工作台的形式进行零件的定位和装夹,零件定位装夹好以后,再将工作台自动转换到卧式加工位置,从而便于切削加工过程中大量切屑的快速排除。立卧转换工作台多采用双工作台形式以节省工件装备时间,提高机床主轴的利用率。大型卧式主轴布局主要是针对飞机大型结构零件尺寸大、加工中材料去除量大的特点设计的。卧式主轴切削时形成的大量切屑,可以依靠自重自动掉落,避免了立式切削时必须采用人工或辅助工具清除切屑的麻烦。柔性夹具采用数控多点可调支撑、真空吸咐或机械夹头的方式,实现对不同形状的大型结构件在机床上的柔性、快速的定位和装夹,非常适合单件或小批量大型结构零件以及大型复合材料构件数控加工时的装夹。起落架零件数控加工技术与装备大型飞机起落架零件大多采用钛合金或超高强度钢锻件毛坯,如B777的主起落架载重梁采用Ti-10V-2Fe-3Al合金锻件,重3175kg,投影面积1.23m2;B747主起落架梁采用Ti-6Al-4V合金锻件,重1290kg,投影面积4m2,长6m,是迄今为止最长的钛合金锻件。由于起落架零件材料的比强度高、弹性模量小、热导率低,采用锻件毛坯进行切削加工的方式,切削性差。在零件几何结构方面,起落架零件的内外圆表面、凸台、孔等均需要进行数控加工,且几何和形位精度要求高,对数控机床精度、刚性的要求以及对刀具的要求都非常高,同时要求在一台数控机床上可实现多功能的复合加工,如车、铣、钻、镗等多种切削加工,以达到一次装夹完成全部加工的目的。此外,采用车铣方式加工回转表面,还可获得变单刀连续车削为多刀非连续铣削,从而降低切削力,改善刀具散热条件,减小刀具磨损。因此,高刚性多功能的复合加工数控技术及装备、新型涂层刀具材料及刀具结构设计已成为起落架零件切削加工的重要关注点。高效数控加工使能技术如上所述,大型飞机制造中的数控加工过程,关键在于优质和高效。真正地实现高效数控加工,机床、刀具等“硬件”条件是基础,同时,支持高效加工的“软件”使能技术和工具也必不可少,主要包括:高效智能化的数控程编系统、数控加工过程运动仿真软件、数控加工过程力学仿真软件、虚拟数控加工系统和数控加工切削参数数据库等。数控程编系统和加工运动仿真软件已有较长的发展历史,并有大量成熟和商品化的工具软件,如CATIA、UG、Pro/E、Vericut、Delcam、EdgeCAM等。数控切削加工过程中,“机床、刀具、工件”三者构成了一个具有动力学特性的加工工艺系统。在数控加工过程中,除了各个控制轴坐标运动形成刀具与工件之间的相对几何运动关系之外,该加工工艺系统还会产生切削力变化,切削热、工件和刀具变形、振动等力学特性的变化。这些变化直接影响到数控加工过程尤其是高速加工过程的质量、效率和成本。因此,对数控加工过程特别是对高速加工进行力学仿真,获得不同切削参数条件下的动态切削力、刀具和工件的变形与振动状态、颤振稳定域、切削温度变化、已加工表面形貌等,可以为切削参数和刀具的选择和优化提供可靠依据。从20世纪90年代后期开始,面向数控切削加工过程力学特性仿真的相关技术和工具得到学术界和工业界的重视,国外已开发出相应的仿真软件,如CutPro/Shop-Pro、MetalMAX等,可实现对铣削、车削、钻(镗)削等切削过程的力学仿真,最早在波音飞机、普惠发动机等航空制造企业中得到了成功的应用,现已应用到汽车、模具、机床等多个制造领域。在国内,北京航空航天大学研究开发了“数控铣削加工动力学仿真系统”和“数控加工动力学特性测试与分析系统”。这2套系统具有“主轴、刀具、工件”动力学特性测试、铣削加工过程力学仿真、切削参数优化选择、生成切削参数数据手册等功能,已成功应用到飞机、直升机、导弹、雷达等产品的关键结构件的数控加工过程的力学仿真和工艺优化,大大提高了数控加工主轴转速、切削速度、主轴功率利用率、材料去除速率和表面加工质量,取得显著效果。采用数控加工运动仿真,特别是力学仿真,为数控加工程序、切削参数、切削工艺进行优化,已成为航空产品数控加工的重要要求和新的发展趋势。虚拟数控加工技术将是数控加工仿真的进一步发展,即将运动(几何)仿真、力学(物理)仿真相结合,在虚拟环境中考虑机床及加工过程的运动学、动力学、控制系统响应、空间精度、切削力、主轴转矩/功率、加工误差等,建立仿真模型,在实际零件加工之前对加工过程进行仿真和优化,从而可以正确、经济和高效地加工出首件合格零件。数控加工切削参数数据库是支撑高效数控加工应用的基础技术,世界各工业发达国家大都开发了各自的金属切削数据库,其中以美国的CUTDATA和德国的INFOS最为著名。一些刀具生产厂商也建立了与刀具产品相关的切削数据库供用户选用,取得了一定的效果。切削数据库的建立和应用带来可观的经济效益,据CIRP对切削数据库经济效益的调查,切削数据库可使加工成本下降超过10%。从20世纪80年代开始,国内一批高校和研究所虽然开展了切削数据库的研究和建设工作,但是,当前针对大型飞机制造中零件材料和结构的高效优化切削参数数据库十分匮乏,有待于学术界和工业界共同努力,建立起有我国航空制造特色的数控切削加工参数数据库。结束语本文从大型飞机制造中数控加工零件的材料及结构特点和要求出发,介绍了大型飞机制造中高速数控加工技术、新结构数控机床、专用数控加工机床、多功能复合加工、高效数控加工使能技术等方面的内容,并对相关的技术和装备要求及发展趋势进行了分析,期待对相关的工程技术人员有所裨益。(end)

高效高速加工技术实际上是一种工序复合化高速加工技术,即在一台高功能高速数控加工中心机床上,实现对零件高金属切除率mrr的高速粗加工/高速半粗加工和高零件表面积切除速率的高速半精加工/高速精加工多种工序的复合加工,和常规切削加工和典型高速加工技术相比,HEM-HSM加工具有明显的优势,是一种高加工生产率与高加工质量集成融合的高速加工技术。能实现这种一次装夹完成粗精工序复合加工的高速数控加工机床可称为高效高速数控加工机床。现今,用于HEM-HSM加工应用的高效高速数控MC机床多为五轴联动和配备有高功率高转速/高转矩主轴,并已成为许多航宇制造业用户特别关注的现代化先进关键制造装备之一。为此,许多世界着名的数控机床制造商都为航宇制造业推出了多种类型用于大型铝合金材和钛合金材整体结构件HEM-HSM加工应用的五轴联动高速数控MC机床,实现高效率高速粗加工和高质量高速精加工的良好融合,满足用户对高生产率大型高速加工设备的迫切需要。应指出的是,用于诸如铝合金等轻合金材的HEM-HSM加工设备和用于诸如钛合金等硬合金材的HEM-HSM加工设备具有较大的不同。近10多年来,适用于轻负载切削的高功率高速主轴和高速刀具设计制造技术取得了显着进步,同时对铝合金材HEM-HSM加工技术及其工程应用研究也已比较成熟,因而铝合金高效高速数控MC机床在航宇制造业得到较广泛应用。本文将仅对用于铝合金材大型复杂整体构件高效高速数控MC机床的应用现状和最新发展作一讨论与介绍。铝合金材HEM-HSM加工需要高功率高转速主轴用于大型铝合金材航宇整体结构件HEM-HSM加工应用的高速数控MC机床,机床主轴应具有足够高的功率、转速、适当转矩和足够宽的可调控的转速范围,也就是说要求机床主轴功率/转矩每转速特性应适合于航宇铝合金等轻合金材的高效高速切削加工之工艺要求。从金属切削加工基本原理可知,对金属材工件铣削加工时有:mrr = PS×MRF = aeapzfZ n×10-3(1)PS = SPF×mrr (2)PS/n= T/9555 ≈ T×10-4 (3)这儿,mrr:金属切除率,cm3/min;PS:主轴功率,kW;MRF:金属切除指数,cm3min-1/kW;ae:切宽WOC,mm;ap:切深DOC, mm;fZ:刀每齿进给量,mm/刃转;z:刀齿数;n:主轴转速,r/min;SPF:主轴功率指数,kW/cm3min-1;且SPF = 1/ MRF; T:主轴转矩,Nm。从式与式可看出,为取得高金属切除率mrr,作为HEM-HSM加工应用的高速数控MC机床之主轴首先应具有足够高的功率。典型铝合金材主轴功率指数SPF为0.015kW/cm3min-1。对功率60~120kW电主轴,一般可具有金属切除率mrr达4000~8000 cm3/min的高切削能力。工业实践表明,铝合金材相对可加工性系数Kr一般大于3,属很容易切削材,同时高速切削时所需的切削力比常规切削要低30~50%以上。而从式可清晰看出,在确定的高主轴功率场合下,这就要求主轴应具有足够高的转速才能和低切削负载加工应用相适应。实际上,这正是铝合金材采用HSM实现高速精加工或半精加工的典型应用场合,即要求主轴运行在高功率高转速区,见图1。如对铝合金材的HSM精加工应用场合,一般要求主轴转速高于18000 r/min,典型为18,000~35,000 r/min;通常,HSM半精加工主轴转速为18,000~24,000 r/min,HSM精加工主轴转速为24,000~35,000 r/min;主轴转矩不低于5Nm即可,典型值为10~50 Nm。

图1 HEM-HSM加工最佳主轴度范围

从式还可看出,对确定的主轴功率,主轴转速和转矩是为相互制约的一对参数。为此,如适当降低主轴转速可获得较高主轴转矩,或说可产生较大加工切削力,而这又正是铝合金材采用HEM实现高效高速粗加工的典型应用场合。如作为铝合金材的HEM粗加工应用场合,一般要求主轴转速不高于15,000 r/min,通常HEM粗加工主轴转速为10,000~14,000 r/min,HEM半粗加工主轴转速为14,000~18,000 r/min,主轴转矩要求在50~150 Nm。这就是说,用于大型铝合金材航宇整体结构件HEM-HSM加工应用的高效高速数控MC机床应配置高功率高转速的电主轴,其功率通常高于40~120 kW,转速可控范围应宽于数千至数万r/min;转矩多在20~150Nm,最大功率/转速比在0.01数量级,切削速度1500~6000m/min,切削力多为数百到1000N,加工进给速度10~20 m/min,金属切除率mrr达4000~8000cm3/min,典型刀具接口为HSK-A63。德国着名电主轴制造商MN公司生产的HCS230-22,000/120高速电主轴可作为此类电主轴的一个典型实例,其功率/转矩-转速特性曲线如图2所示。该高速电主轴额定功率120kW,额定转矩84Nm,基速13,800 r/min,最高转速22,000 r/min,最大功率/转速比0.011,刀具接口HSK-A80,主轴轴向刚性达160 N/μm,径向刚性496 N/μm。此外,诸如瑞士IBAG、FISCHER、RENAUD、德国IMT、JAGER和意大利OMLAT等许多数控机床电主轴制造商都能提供这类用于诸如铝合金等轻合金材HEM-HSM应用的高功率高速电主轴,并在高速数控机床上得到了广泛实际应用。如意大利OMLAT公司高速电主轴OMC-230-230/635 也具有和图2相类似的功率/转矩-转速特性曲线,额定功率80kW,基本转速12,000 r/min,基本转矩64Nm S6-60%:80 Nm),最高转速达24,000 r/min,最大功率/转速比0.008,设计有HSK-A63刀具接口。这儿就不一一列举了。

图2 高功率高转速电主轴特性曲线

铝合金材立式高效高速数控加工机床众所周知,机械切削加工机床装备是实现切削加工工艺的基本平台。因此,为适应大型零件HEM-HSM加工工艺要求,立式HEM-HSM数控MC机床多继承了传统高速加工机床可使运动部件轻量化的“箱中箱”结构设计,对传统大型龙门结构机床采用一种高架立柱过桥式横梁主轴部件可移动的、对称式机床结构设计,见图3。这种结构机床,龙门立柱和工作台是不动的,X/Y/Z轴运动分别由横梁、主轴溜板部件来完成,A(B)、C轴运动则集中在主轴头上来实现。高架桥式龙门移动结构设计机床优点在于:机床结构具有较好开放性,且直接通过刀具实现五轴运动,适合加工大型零件;坐标运动部件质量轻,不但适合于高速移动,并且刚性好;对称结构设计,有利于减轻温度热变形影响,提高了精度;所有导轨表面均高于刀具切削点,有利于导轨表面清洁保持,延长了导轨使用寿命;采用适当集成化电主轴铣头装置,可实现5坐标联动和多面体加工于一台机床上;设备占地面积减少;需要时X向行程容易加长。这种大型HEM-HSM数控MC机床在航宇制造业中已得到了较广泛的应用,成为加工大型飞机整体结构件的关键设备。世界许多着名机床制造商都推出了用于铝合金材HEM-HSM加工的立式高效高速数控MC机床,以满足航宇制造业用户之迫切需求。图3所示的为美国MAG Cincinnati机床公司新近为航空飞机制造业推出的HyperMach五轴数控型面铣削中心,可用于实现大型复杂飞机铝合金材的HEM-HSM切削加工。该机床为高架桥式龙门移动结构,工作进给速度60m/min,快速移动速度100m/min,配置有集成化A/B或A/C旋转轴的大功率主轴头,其功率/转矩-转速特性能与图1要求相适应。带A/B轴主轴头标配主轴额定功率100kW,转矩79Nm,基速12,000r/min,最高转速18,000r/min,刀具接口HSK-A100;或可选配主轴额定功率60kW,转矩29 Nm,基速20,000r/min,最高转速30,000r/min,刀具接口HSK-A63。带A/C轴主轴头标配主轴额定功率60kW,转矩29 Nm,基速20,000r/min,最高转速30,000r/min,刀具接口HSK-A63;或可选配主轴额定功率85kW,转矩85 Nm,基速9600r/min,最高转速20,000r/min,刀具接口HSK-A100。据Cincinnati公司宣称,在HyperMach机床上加工一铝合金材大型飞机薄壁零件,仅费时30min。同样的零件若在典型高速铣床上加工需3hr,而在普通数控床则需8hr以上。波音公司就购置有这种高效高速五轴数控加工机床用于加工C-17军用运输机和波音787民用客机的如框、肋、壁板和梁等大型铝合金材整体结构件,其金属切除率mrr可高达7374cm3/min,即每分钟可产生约20kg铝合金切屑。

图3 HyperMach立式五轴数控型面铣削中心