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航空工业制造机床需求情况调查

    通过对飞机和航空发动机主要关键件制造工艺和设备进行摸底调查发现,目前航空工业急需专用设备加工复合材料零件,而发动机及零件加工需大量使用高精度机床

    “高档数控机床与基础制造装备”是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》确定的16个科技重大专项之一。目前,专项实施方案已经进入专家论证和审批阶段。今年六七月份,国家发展和改革委员会工业司委托中国机床工具工业协会组织了一次行业调研,就重大专项的目标、实施条件和工作方案作进一步论证。据此,协会组织30名行业专家对航空、船舶汽车发电设备和机床工具行业61家企业和院所进行了专项调研。

  据中国机床工具工业协会人士介绍,本次调研的重点是对飞机和航空发动机主要关键件制造工艺和设备进行了摸底调查。此次航空工业调研的主要用户有:沈阳飞机公司、沈阳黎明航空发动机公司、上海飞机制造厂、西安飞机国际公司、西安航空发动机公司。

 

  急需专用设备加工复合材料零件

  飞机的典型零部件有梁、筋、肋板、框、壁板、接头等零件,毛坯为板材、锻件和挤压型材。目前,90%以上的零件为铝合金件,少量为不锈钢和钛合金。

  飞机零件主要结构形式分为两类。一类是长板型零件,如梁、缘条、筋和壁板类零件,长宽比大,内、外缘为空间曲面,形状复杂。例如,某型号飞机缘条零件是T形薄壁件,材料为T形高强度铝合金挤压型材,6700mm×110mm×200mm,有91.68°的角度要求,理论外形精度正负0.25mm;上壁板件和下壁板件都是高强度铝合金件,最长5600mm,最宽750mm,最薄2mm,加工时还需用真空平台夹持;加工铝合金件要求高速切削,因为梁和机翼等整体壁板都是整体材料加工而成。

  另一类是框形零件,如异型肋、支架或接头等。主要为框形结构,形状复杂,加工量大。如某支线飞机后梁转轴接头是平衡尾翼的主要受力件,结构形状复杂,毛坯为锻件,外形尺寸420mm×340mm×225mm,形位公差0.1mm;肋腹板毛坯为高强度铝合金材板,最大925mm×260m×76mm,最小590mm×190mm×35mm,分为单面框、双面框两种腹板,最薄处仅0.9mm,材料利用率12%,这就意味着88%的材料被切除。仓门也是框类零件,材料为7150~T7351高强度铝合金,毛坯尺寸40mm×3100mm×800mm,也有单、双面框之分,还有门盖加强筋板、门框接头等。

  为了提高加工效率,铝合金件加工采用高速切削,要求使用高速机床,主轴转速15000r/min-18000r/min以上,加速度1g左右,定位精度0.02mm,加工精度0.1mm~0.15mm,全行程内精度0.3mm。

  航空工业中,钛合金的应用在增加,铝锂合金也开始应用。加工钛合金件要求机床具有足够的扭矩和功率,属于大扭矩强力切削,要求主轴转速6000r/min左右,机床应具有足够刚度和五坐标加工功能,应配备A/B摆角铣头或A/C摆角铣头。A/B摆角铣头的刚性好,A/C摆角铣头的刚性差些,五轴联动时摆角正负25°,机床定位精度0.02mm。

  飞机工业中复合材料应用增多,尤其是碳纤维材料。目前急需复合材料加工专用设备如铺带机等,铺带机的关键是要具备检测、激光定位、红外监控、压实、超声波切割等功能。

 

  发动机加工大量使用高精度机床

  航空发动机关键件主要是机匣和叶片。机匣有三类:对开环形结构、整体环形、异形壳体。航空发动机机匣是耐高温的高强度钛合金材料,前机匣温度200°C-300°C,而后机匣则要耐更高温度,属难加工材料。机匣也是大型零件,一台15000千克推力的发动机机匣直径达800mm,加工时间长,所以,提高加工效率很重要。

  机匣加工需要多功能、高精度数控机床,如数控立车、数控精密镗床五轴加工中心,需具备双工位、在线测量和仿真功能,刀库容量60把刀左右,数控系统具有高级编程功能,高速加工主轴转速10000r/min以上,主轴功率15千瓦~30千瓦。粗加工采用重切削,所以,机床要有足够的强度。精加工采用高速切削,机匣的许多小孔用电加工机床打孔。

  叶片类加工分为两部分,即涡轮叶片和叶轮(即整体叶盘)。叶片材料为耐高温的钛合金材料,需用五轴联动加工中心,五轴高速龙门铣等加工叶片形面,铣削加工量很大。叶根榫头的加工用拉床和缓进给强力磨床,要求缓进给磨床具有换砂轮功能和滚轮修砂轮装置,还需要用在线测量、程序调整和自动补偿功能。

  叶片形面的加工用电解加工可大大提高加工效率,还需用数控六轴砂带抛光设备抛光,这就要求机床带有叶片形面检测设备。如用电解加工,需防腐蚀、电解液处理、采取绝缘措施等,会增加环保成本。

  叶片有很多冷却用的小孔,用电脉冲打孔,比如用激光打孔(激光打孔有硬化层),但现在电加工打孔没有孔透不透的显示,操作困难。用户单位希望能够解决这个问题,使机床能够显示打孔的进程。

 

  大多需要五轴联动机床

  航空工业典型零件的结构特点是大量采用整体薄壁结构,形状复杂。为了增加航空器的机动性,增加有效载荷和航程,降低成本,进行轻量化设计和广泛采用新型轻质材料,且对材料性能要求越来越高。现在大量采用铝合金、高温合金、钛合金、高强度钢、复合材料、工程陶瓷等。结构复杂的薄壁件、蜂窝件多,工艺刚性差。

  航空工业需要带A/B摆角或A/C摆角的五轴联动加工中心、高速加工中心、大型双龙门立式加工中心、大型数控龙门镗铣床精密数控车床、大型数控精密立式车削中心、车铣复合加工中心、叶盘高效加工中心、断面弧齿磨床、高速转子叶尖磨床、缓进给强力磨床、拉床、电加工机床、激光熔覆加工机床、扳类件无模多点成形压力机、定向单晶熔炼炉、电液束流设备等。要求机床具有足够的刚性,操作简单,人机界面清楚,样条插补(NURBS),过程均匀控制和在线测量仿真功能。


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