航空制造业对机床工具的需求

国际金属加工网 2017年02月14日

机床工具产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,势必带动和促进装备制造业的发展,为机床工具行业市场开拓带来了新的契机和巨大的商机,对装备制造业的产品结构和生产方式都将产生深远影响。

一、航空制造技术分析

1. 航空产品零件的结构特点

现代飞机为满足高速、高机动、高负载和远航程等性能要求,大量地采用新技术、新结构、新材料,其零件越来越向尺寸大型化、型面复杂化、结构轻量化、材料多元化和制造精密化发展。如飞机机身结构件的典型零件梁、框、肋、壁板、桁条以及航空发动机的关键件机匣、各类叶片和整体叶盘等,其轮廓大而形状各异。为了减轻飞机的重量,增加飞机的机动性及有效载荷和航程,现代飞机都进行了轻量化设计,广泛采用高强度的新型轻质材料。而为了提高零件的强度和可靠性,主要采用了整体毛坯件和薄壁整体框架结构,零件材料除了大量采用铝合金外,还广泛采用钛合金、耐高温合金、高强度钢、复合材料和工程陶瓷等难加工材料。

2. 航空产品零件的工艺特点

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)零件切削加工量大。由于越来越多的采用整体结构设计,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。

(5)薄壁、易产生加工变形。存在大量的薄壁、深腔结构,为典型的弱刚性结构。

(6)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。

(7)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。

3.航空制造技术现状

在国际转包生产和国内型号工程的拉动下,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,已初步具备了研制大飞机的技术条件。

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。

4.航空制造技术的发展趋势

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(5)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。

(6)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。

(7)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。

二、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。

1. 航空产品零件的制造对机床工具的需求

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。

(1)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。因此,类零件需要大型、重型机床装备,要求工作台承重10t以上,有效行程在15m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。

(2)飞机发动机关键零部件:包括压气机、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。

(3)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。

(4)机载产品:零件种类繁多,结构复杂,材料多样,性能各异。加工此类零件需要中、小型高精度的多功能数控复合机床及高速数控铣床,如高精度的立、卧式加工中心及高精度的车、铣、磨复合加工中心等机床设备。

2. 大飞机项目对机床工具业的影响

航空工业一直是引领机床工具发展的主要行业,也是机床工具的消费大户。大飞机项目的实施,对我国机床工具行业提出了新的挑战,也为这个行业带来发展的新机遇。

(1)提供机遇:大飞机是我国的新兴技术产业,涉及到国民经济的多个行业,许多技术领域我国传统机床制造行业尚没有涉足,关键零件的制造无论是在技术上还是在装备上都面临着挑战。加上大飞机因其在安全性、经济性、环保性、舒适性和适航性等方面均有其特殊的要求和标准,原有的制造设备将不能够满足其零件的加工技术要求,使得大飞机的制造设备有了更新换代的需求,这些对机床工具业的产业结构调整和技术创新带来了难得的机遇,必将促进我国机床工具业的跨越式发展。

(2)设备升级:虽然我国已成功研制了支线飞机,但与大飞机相比,其制造装备还不能满足大飞机对超重型和重型零件的复杂、高效、复合加工的需求。各航空制造企业都面临着大型加工设备的升级选择。

(3)对材料的需求:大飞机因自身性能的要求,必将采用大量的新材料和复合材料,对材料成形装备、加工设备、切削刀具都提供了难得的发展机遇。

(4)对高速高效机床的需求:大飞机因其在安全性和有效载荷方面的突出要求,零组件大量采取了轻量化的整体结构设计方法,零件的壁厚越来越薄,在加工中为避免产生切削变形和提高加工效率,采用高速铣削加工技术已是必然的发展趋势,对高速数控机床的需求量将越来越大,必将引领国产高速、高效机床的发展。

(5)带动相关产业发展:航空制造业与机械、电子、材料、冶金、仪器仪表和化工等工业行业密切相关,大飞机的研制也将引发关联行业发展,使相关行业对机床工具的需求旺盛,为机床行业市场拓展带来新的契机。

(6)促进高端国产机床发展:目前,我国航空制造业中加工飞机关键件的机床设备主要还是依赖于进口,而研制大飞机所需的部分高性能机床装备属于难以从国外进口或者国外不向我国出口的产品,因此大飞机项目必将促进我国高端机床的国产化技术水平的提高。

(7)设备需更新换代:我国航空制造业中装备的数控机床大部分是在“九五”期间通过重点型号的技改投入而引进的,至今已使用了十余年,设备老化现象严重,其功能及精度已不能满足制造大飞机的需要,普遍存在机床工具更新换代的需求。

三、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。

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(5)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。

(6)重视系统设计,融入信息技术,推行数字化制造,大力提高机床装备的制造工艺水平和整机的可靠性及稳定性。

(7)在机床装备研发技术路线上,坚持以数字化为主体,以集成化为手段,以复合化为特色,以高速化、精密化和绿色化为目标,突出自动化、网络化,并最终实现智能化。


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