制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，制造技術(shù)水平是衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。以飛機(jī)結(jié)構(gòu)件為代表的航空零件結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜、加工精度要求極高。因此，航空制造技術(shù)被稱為制造業(yè)的皇冠，代表著制造技術(shù)的**水平。
數(shù)控（NC）是數(shù)字控制（Numerical Control）的簡(jiǎn)稱，是20世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種用數(shù)字化信息進(jìn)行自動(dòng)控制的一種方法。裝備數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，稱為數(shù)控機(jī)床[1]。與傳統(tǒng)機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有**率、高精度、高柔性化及高集成化等特點(diǎn)，既能保證加工質(zhì)量，又能大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率[2]。而飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是最早使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工的產(chǎn)品之一。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工要求在很大程度上是推動(dòng)數(shù)控機(jī)床特別是**數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ唬粨Q而言之，**數(shù)控機(jī)床的整體水平又是決定航空制造水平的核心因素之一。
綜上所述，面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的數(shù)控機(jī)床在很大程度上代表著未來數(shù)控機(jī)床特別是**數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向。因此，我國(guó)從2006年開始已經(jīng)把**數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備專項(xiàng)列為國(guó)家重大科技專項(xiàng)。本文將結(jié)合作者從事的專業(yè)方向，淺談一下未來面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向。
**加工是數(shù)控機(jī)床發(fā)展永恒的主題
效率是企業(yè)生存的根本，是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)力的根本途徑。一方面，現(xiàn)代航空工業(yè)處于高速發(fā)展中，隨著飛機(jī)性能的不斷提升，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始向整體化、大型化、輕量化方向發(fā)展，伴隨而來的是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的形狀越來越復(fù)雜、尺寸越來越大、材料去除率越來越高、加工工藝性越來越差。圖1是我國(guó)國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)C919的機(jī)頭風(fēng)擋窗框零件，其整體結(jié)構(gòu)是空間自由曲面，材料去除率高達(dá)99.35%，屬于典型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工周期長(zhǎng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。
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圖1 C919飛機(jī)機(jī)頭的風(fēng)擋窗框
另一方面，用戶和市場(chǎng)對(duì)飛機(jī)的研制周期要求越來越短，從而加劇了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化與市場(chǎng)期望周期不斷縮短之間的矛盾。在全球化競(jìng)爭(zhēng)的背景下，航空制造企業(yè)別無選擇，只有快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求，才能立于不敗之地，而要快速地響應(yīng)市場(chǎng)，就必須提高生產(chǎn)效率、縮短加工周期，**的數(shù)控機(jī)床正是解決這一問題的**手段。從目前數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)來看，未來用于加工飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的**數(shù)控機(jī)床主要包含以下幾種。
1 超高速、快進(jìn)給的虛擬軸機(jī)床
在新機(jī)研制階段，為了縮短產(chǎn)品的研制周期，必須在最短的時(shí)間內(nèi)制造出樣機(jī)，這就要求飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造必須**、高質(zhì)量的配套。而提高加工效率最直接***的方法就是使用加工效率更高的機(jī)床，換而言之，就是**限度地提高機(jī)床的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。
立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床**的特點(diǎn)是設(shè)備具有超大擺角行程的旋轉(zhuǎn)主軸，如圖4所示。一般情況下，主軸裝配在機(jī)床立柱上，擺角為0°時(shí)，主軸呈水平臥式加工狀態(tài)；擺角向下旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，主軸呈豎直立式加工狀態(tài)。圖4所示的典型立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床旋轉(zhuǎn)主軸的擺角區(qū)間為+60°~-120°，主軸旋轉(zhuǎn)范圍達(dá)180°[4]，機(jī)床加工狀態(tài)可以在立式與臥式之間自由轉(zhuǎn)化。配上可以旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)以后，只需一次裝夾。機(jī)床可以對(duì)零件6個(gè)方位進(jìn)行***的加工，極大地提高零件的加工效率和設(shè)備利用率。未來這類機(jī)床必將成為加工飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的重要選擇。
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圖4 立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)范圍
4 多工作臺(tái)、快速換裝的柔性裝夾系統(tǒng)
與數(shù)控機(jī)床的切削效率相比，如今機(jī)床利用率已經(jīng)成為影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工效率的重要因素，其影響權(quán)重因子逐年增大。數(shù)據(jù)表明，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)數(shù)控加工的整體技術(shù)主要差距已不是機(jī)床的切削效率，而是機(jī)床的利用率，即單位時(shí)間內(nèi)機(jī)床**切削時(shí)間的百分比。除機(jī)床正常的保養(yǎng)和維修外，占用機(jī)床非加工時(shí)間最多的便是零件的裝夾和找正。目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)的裝夾方式還是在線上裝夾，這是造成設(shè)備利用率低下的主要原因之一。
為了提高設(shè)備的利用率，較好的解決方案是機(jī)床有多個(gè)工作臺(tái)，使機(jī)床在正常加工的同時(shí)進(jìn)行線下的裝夾準(zhǔn)備工作�？紤]到飛機(jī)結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜、品種多樣性的特點(diǎn)，工作臺(tái)還應(yīng)具備較好的柔性，便于不同類型零件的快速裝夾。圖5為沈陽機(jī)床有限公司生產(chǎn)的帶有雙工作臺(tái)的五坐標(biāo)臥式加工中心。它可在零件加工的同時(shí)進(jìn)行線下裝夾零件，顯著提高了設(shè)備利用率。隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)一步加深和國(guó)際數(shù)控加工市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，未來這種具備多工作臺(tái)、快速換裝的機(jī)床必將受到廣大航空制造企業(yè)的青睞。
用于復(fù)合材料加工的專用數(shù)控機(jī)床逐漸增多
波音和空客公司代表當(dāng)今世界**進(jìn)的民機(jī)制造技術(shù)。近幾年，復(fù)合材料的使用比例越來越大（圖6），且增長(zhǎng)趨勢(shì)突飛猛進(jìn)。復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量和應(yīng)用部位已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一，以空客350為例，其復(fù)合材料構(gòu)件重量約占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的50%。因此，未來飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的機(jī)床很大程度上要面對(duì)復(fù)合材料加工。目前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中使用的復(fù)合材料主要包括芳綸紙蜂窩材料、金屬蜂窩材料、碳纖維復(fù)合材料、玻璃鋼復(fù)合材料和泡沫材料等�，F(xiàn)有的數(shù)控設(shè)備加工復(fù)合材料面臨的**問題是加工過程中產(chǎn)生的大量粉塵等污染物對(duì)環(huán)境的污染非常大，因此，必須采用新的加工設(shè)備從切削機(jī)理上來杜絕粉塵等污染物，以降低復(fù)合材料加工對(duì)環(huán)境的影響。
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圖6 波音和空客部分機(jī)型的復(fù)合材料用量
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目前，用于加工芳綸紙蜂窩芯的超聲波機(jī)床，如圖7所示，已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。該機(jī)床的主要原理是以切割的方式來加工蜂窩芯，工程應(yīng)用結(jié)果表明，用于加工芳綸紙蜂窩芯的超聲波機(jī)床能顯著改善加工環(huán)境，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)外一些企業(yè)已經(jīng)把超聲波機(jī)床用于碳纖維復(fù)合材料的加工。此外，水切割設(shè)備、磨料水射流設(shè)備等已經(jīng)開始嘗試用于復(fù)合材料的加工。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中所占的比重逐漸增長(zhǎng)，未來必將出現(xiàn)更多專用的設(shè)備用于加工復(fù)合材料。
開放的數(shù)控系統(tǒng)是未來機(jī)床的必然選擇
IEEE對(duì)于開放式系統(tǒng)的定義是：經(jīng)過恰當(dāng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序能夠在不同廠商的多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，能夠與其他系統(tǒng)的應(yīng)用程序互相操作，并且能夠提供一致性的人機(jī)交互界面[6]。與傳統(tǒng)的封閉式專用數(shù)控系統(tǒng)相比，開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于：在體系結(jié)構(gòu)上給用戶留有進(jìn)行二次開發(fā)更多的余地，能夠迅速**地響應(yīng)新的加工需求。雖然開放式數(shù)控系統(tǒng)自20世紀(jì)就成為國(guó)內(nèi)外機(jī)床廠家和學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)問題，但迄今為止仍然沒有較好的實(shí)施方案。
按照開放式系統(tǒng)的定義，目前數(shù)控系統(tǒng)（如FANUC、SIEMENS等系統(tǒng)）都不是開放的，兼容性較差，彼此封閉。隨著技術(shù)進(jìn)步，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，這種數(shù)控系統(tǒng)越來越不適應(yīng)制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。這是因?yàn)楝F(xiàn)代**機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，不但要有更高的精度和快速的運(yùn)算處理能力，而且要求程序在不同廠商的系統(tǒng)上運(yùn)行，并且用戶可以根據(jù)自己的需求嵌入和擴(kuò)展其功能，如故障診斷、加工結(jié)果重現(xiàn)、加工數(shù)據(jù)監(jiān)控等。
飛機(jī)結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜，可加工性較差，很多零件的加工故障診斷以及加工程序的優(yōu)化單憑工藝技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)無法做出正確的判斷，這就迫切需要在數(shù)控系統(tǒng)上嵌入相關(guān)的軟硬件設(shè)備對(duì)加工過程進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果來調(diào)整優(yōu)化當(dāng)前的工藝方案和切削參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的高性能加工。因此，未來加工飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控機(jī)床對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)的需求十分迫切。
結(jié)束語
數(shù)控機(jī)床的發(fā)展極大地提高了航空制造技術(shù)的整體水平，同樣，航空制造技術(shù)特別是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的技術(shù)要求也加快了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程，正是由于兩者相互促進(jìn)才使彼此得到共同的發(fā)展。文章從面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的技術(shù)要求出發(fā)，對(duì)未來數(shù)控機(jī)床發(fā)展方向進(jìn)行了展望，包括**數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向，難加工材料機(jī)床的發(fā)展方向，加工復(fù)合材料機(jī)床的發(fā)展方向以及數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向幾個(gè)方面。
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