飞机制造业对机床等设备的需求

作者：机床工具工业协会行业部 宋齐婴

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 2008年2月，国务院原则上批准大型飞机科技重大专项正式立项。温家宝总理说：自主研制大飞机是中共中央、国务院做出的重大战略决策，这意味着中国人要用自己的双手和智慧制造出在世界上有竞争力的大飞机。什么叫有竞争力？就是要实现批量生产，并且达到安全、经济、舒适这三项重要目标，在国内、国际市场上有竞争力。制造大飞机不容易，要突破许多关键技术，特别是发动机、材料和电子设备。 5月11日，中国商用飞机有限责任公司在上海正式成立，标志着中国大型客机研制项目正式启动。中国商用飞机公司主要从事民用飞机的设计、研制、生产、制造和承接飞机零部件的加工生产等业务。 我国通过研制支线客机，在人才、技术、材料、制造、项目管理等方面积累了一定的经验，为下一步研制大飞机奠定了坚实的基础。目前我国一些飞机制造企业在为波音、空客等公司生产关键零部件，在一定程度上具备了制造大飞机的生产能力。 研制大飞机重点要加强飞机研发、关键部件制造及总装、市场营销等方面的能力，要突破飞机发动机、机载设备、材料等关键核心技术。典型零件和难加工材料的加工也是其中的一个关键环节。 机床工业如何为航空工业服务，首先要了解飞机等航空零部件的结构和工艺特点。 一、飞机零件的结构特点 典型的飞机零件的结构特点是薄壁结构，形状复杂，外形变斜角变化大，外形多为双曲面，要求成形精确。为了减轻飞机重量，增加飞机的机动性和增加有效载荷和航程，进行轻量化设计，广泛采用新型轻质材料。为了提高零件强度和工作可靠性，主要采用整体毛坯件和整体薄壁结构。现在大量采用铝合金、钛合金、耐高温合金、高强度钢、复合材料等。结构复杂的薄壁件、蜂窝件不仅形状复杂，而且孔、空穴、沟槽、加强筋等多，工艺刚性较差。 二、飞机制造中需要用机床加工的典型零件 飞机制造中需要用机床加工的典型零件，主要有飞机机身结构件和发动机的关键零件两部分： 1.机身结构件典型零件 飞机机身结构件的典型零件有梁、筋、肋板、框、壁板、接头、滑轨等类零件。以扁平件、细长件、多腔件和超薄壁隔框结构件为主。毛坯为板材、锻件和铝合金挤压型材。材料利用率仅为5%-10%左右，原材料去除量大。目前，国内飞机零件，90%以上为铝合金件，少量为不锈钢和钛合金钢，且整体结构件越来越多，应用复合材料是今后的发展方向。 机身结构件典型零件的结构特点 （1）件的轮廓尺寸越来越大。如有的梁类零件的长度已达到13m。 （2）零件的变斜角角度变化大，超薄壁等。最薄处尺寸只有0.76mm左右，所以，加工工艺刚性差。 （3）零件的结构越来越复杂，很多零件采用整体结构。 （4）零件的尺寸精度和表面质量要求越来越高，如有些零件加工后出现的毛刺等缺陷，不允许用人工去除。 加工飞机机身典型零件所需主要设备 （1）三坐标加工中心，如大型龙门立式加工中心； （2）五轴联动加工中心，如大型龙门立式加工中心，应配备A/B摆角铣头或A/C摆角铣头； （3）从发展考虑，需要大型龙门式双主轴五坐标加工中心，工作台尺寸5m×20m，用于加工梁类零件； （4）加工铝合金件需要大功率高速加工中心，功率≥40kW，主轴转速20000r/min以上，带两坐标摆角铣头； （5）由于整体铝合金件切削加工去除量大，为便于排屑，最好需要工作台可以翻转90°的卧式加工中心，目前，国内尚无这种卧式加工中心； （6）飞机机身结构件品种多，形状各异，且工艺刚性差，需用大量卡具。为降低成本，缩短生产准备周期，需要各种柔性卡具； （7）钣金成形件主要涉及蒙皮、型材、导管等曲面成形，要求成形精准。为保证制造精度，需要大规格蒙皮拉伸机；蒙皮滚弯成形机；还有三轴滚校平机、型材拉弯机、导管成形机等。飞机部件装配还需自动钻铆设备； （8）为减轻飞机重量，复合材料的应用越来越多，制作复合材料构件需要铺带机等等（铺带机在国内还是空白）。 2.飞机发动机的关键件与加工要求 飞机发动机的关键件有机匣、各类叶片和整体叶盘。 机匣加工 航空发动机机匣有三类，一类是对开环形结构，一类是整体环形结构，还有一种是异形壳体。机匣材料是一种难加工的耐高温的高强度钛合金材料。机匣又是薄壁、弱刚性结构，型面复杂，精度要求高，加工难度大。机匣是大型零件，一台推力为15000公斤航空发动机机匣直径为φ800mm。大飞机的大型风扇机匣外形尺寸φ1823.5mmx546mm，最薄处壁厚3mm。所以，机匣加工需要中、大型多功能、高精度数控机床。如加工直径为φ2000mm的数控立车和精密数控立车；工作台尺寸为2400mm×5000mm的龙门式五轴联动加工中心，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，工作台3000mm×5000mm的龙门式数控镗铣床。 叶片加工 航空发动机的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。叶根榫头的加工需用拉床和缓进给强力磨床，并希望缓进给强力磨床具有换砂轮功能和滚轮修砂轮装置，还需要有在线测量、程序调整和自动补偿功能。 叶片形面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。希望有叶片形面检测设备。 大型宽弦空心风扇叶片采用宽弦、空心、带阻尼凸台结构，直径φ1600mm以上，风扇叶尖速度高达457m/s,选用重量更轻的钛合金或树脂基材料，制造这类叶片需要五坐标叶片铣床；自动抛光机；组合封焊和扩散连接及超塑成形设备等。 叶片有很多冷却用的小孔，用电脉冲打孔，比用激光打孔好（激光打孔有硬化层），但现在，电加工打孔机床没有打孔深浅的显示，操作困难。希望能解决这个问题，能显示打孔的深浅。而耐1100°C高温的镍基单晶涡轮叶片具有很好的高温强度和综合性能，叶片上有许多直径为φ0.3～φ0.4mm的冷却气膜孔，制作这类叶片，需要定向/单晶熔铸炉、陶瓷型芯焙烧炉、制芯机、磨削中心、数控缓进给磨床以及叶片制孔的电液束流设备和小孔加工单元等装置。 整体叶盘加工 整体叶盘是薄壁盘类零件，叶盘圆周上有装叶片的榫槽。直槽可用拉削加工和磨削加工。圆弧形榫槽可用铣削和成形磨加工，但圆弧形榫槽的检测困难。叶环和叶盘的加工需要数控卧车、精密数控立车。要求加工机床的刚性好，定位精度高，定位精度约为2～3μm。整体叶盘的叶片部分，可用五轴高速加工中心加工，还可以用电火花成形加工。重型燃机叶盘直径可达2000～3000mm，需要用砂轮线速度100m/s以上的高速磨床加工。 加工发动机关键零件所需的主要设备有： 带A/B摆角铣头或A/C摆角铣头的五轴联动加工中心； 五坐标叶片铣床； 整体叶盘高效加工中心； 工作台3000mm×5000mm数控龙门镗铣床； 精密数控立式车削中心； 数控立式车床； 精密数控车床； 车铣复合加工中心； 榫齿倒圆专用加工中心； 激光熔覆加工机床； 电火花铣削加工机床； 数控卧式车床； 数控立式磨床； 数控缓进给磨床； 端面弧齿磨床； 高速转子叶尖磨床； 700t电动螺旋压力机； 板类件无模多点成形压力机； 定向/单晶熔铸炉； 用于叶片制孔的电液束流设备、小孔加工单元以及真空热处理炉等等。 上述设备要求机床具有足够的刚性，操作简单，人机界面清楚，具备样条插补（NURBS）功能,过程均匀控制，以减少对拐角处加工精度的影响，还具有在线测量和仿真功能。 三、发展大飞机必须立足国内，开发并应用国产设备 目前，飞机制造企业所使用的机床大部分是进口的，国产机床很少，而且大部分用于粗加工，主要原因是：现在国产机床的精度保持性、质量稳定性、服务及时性等方面与航空用户的要求还有差距，有些机床国内还是空白。 为了改变这种状况，国外机床制造企业在与航空制造企业合作方面有一些好的做法值得借鉴。如国外一些机床制造企业设立了对应航空应用的开发部门，该部门的职责是收集航空制造企业的需求，向产品设计部门转达这些需求，研究开发用于航空零件加工的工艺和程序。机床制造企业还设置航空客户销售经理，专门负责航空制造市场的销售，加强与航空制造企业的联系，反馈航空制造市场的需求信息。国内机床制造企业也可借鉴国外的这种先进做法，首先要了解航空制造企业的需求和飞机零件的制造工艺，据此制定机床设计方案，研究相适应的工艺路线，提供能够满足航空企业要求的机床。大部分航空制造企业都表示，如果国产机床能够满足要求，还是愿意使用国产机床的，因为国产机床的成本低。另外，购买国外的高档数控机床，国外设定了很多限制，甚至不卖给我们。 所以，发展大飞机必须立足国内，开发上述急需的加工设备，才能不受制于人。我国机床工业企业应勇挑重担，为国分忧。航空发动机制造企业和飞机制造企业也要为振兴我国装备制造业出力，积极应用国产设备，帮助改进国产设备，尽早形成产学研用的互动创新机制。(end)

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