制造業(yè)是國民經濟的基礎，制造技術水平是衡量一個國家綜合實力的重要標志之一。以飛機結構件為代表的航空零件結構尺寸大、形狀復雜、加工精度要求極高。因此，航空制造技術被稱為制造業(yè)的皇冠，代表著制造技術的最高水平。 1v@#b@NXM7  
數(shù)控（NC）是數(shù)字控制（Numerical Control）的簡稱，是20世紀中葉發(fā)展起來的一種用數(shù)字化信息進行自動控制的一種方法。裝備數(shù)控技術的機床，稱為數(shù)控機床[1]。與傳統(tǒng)機床相比，數(shù)控機床具有高效率、高精度、高柔性化及高集成化等特點，既能保證加工質量，又能大大降低勞動強度，提高生產效率[2]。而飛機結構件是最早使用數(shù)控機床進行加工的產品之一。飛機結構件的加工要求在很大程度上是推動數(shù)控機床特別是高檔數(shù)控機床發(fā)展的主要動力之一；換而言之，高檔數(shù)控機床的整體水平又是決定航空制造水平的核心因素之一。 Xfiwblg  
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綜上所述，面向飛機結構件加工的數(shù)控機床在很大程度上代表著未來數(shù)控機床特別是高檔數(shù)控機床的發(fā)展方向。因此，我國從2006年開始已經把高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備專項列為國家重大科技專項。本文將結合作者從事的專業(yè)方向，淺談一下未來面向飛機結構件加工的數(shù)控機床的發(fā)展方向。 1\hLwG6Jj  
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高效加工是數(shù)控機床發(fā)展永恒的主題 /V
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效率是企業(yè)生存的根本，是提高企業(yè)經濟效益和競爭力的根本途徑。一方面，現(xiàn)代航空工業(yè)處于高速發(fā)展中，隨著飛機性能的不斷提升，飛機結構設計開始向整體化、大型化、輕量化方向發(fā)展，伴隨而來的是飛機結構件的形狀越來越復雜、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是我國國產大型客機C919的機頭風擋窗框零件，其整體結構是空間自由曲面，材料去除率高達99.35%，屬于典型的結構復雜、加工周期長的飛機結構件。另一方面，用戶和市場對飛機的研制周期要求越來越短，從而加劇了飛機結構件結構日益復雜化與市場期望周期不斷縮短之間的矛盾。在全球化競爭的背景下，航空制造企業(yè)別無選擇，只有快速響應市場的需求，才能立于不敗之地，而要快速地響應市場，就必須提高生產效率、縮短加工周期，高效的數(shù)控機床正是解決這一問題的有效手段。從目前數(shù)控機床的發(fā)展趨勢來看，未來用于加工飛機結構件的高效數(shù)控機床主要包含以下幾種。 XM'tIE+
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1 超高速、快進給的虛擬軸機床 mxNd
  
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在新機研制階段，為了縮短產品的研制周期，必須在最短的時間內制造出樣機，這就要求飛機結構件的制造必須高效、高質量的配套。而提高加工效率最直接最有效的方法就是使用加工效率更高的機床，換而言之，就是最大限度地提高機床的轉速和進給速度。 >hunV'vu'  
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然而，傳統(tǒng)機床由于結構上的缺陷，提高轉速和進給速度都受到很大限制，虛擬軸機床的出現(xiàn)，正是為了大幅度地提高數(shù)控機床的轉速和進給速度而進行的一種新的嘗試。相比傳統(tǒng)的數(shù)控機床，虛擬軸機床具有剛性高、加工速度高、加工精度高等一系列顯著優(yōu)勢。如德國DST機床（圖2）高速虛擬軸機床主軸轉速可達30000r/min，快速進給速度達到50m/min，加工進給速度為15m/min，可以極大地提高產品的加工效率，且加工精度不會隨著轉速和進給速度的提高而降低。目前市場上已經出現(xiàn)了轉速高達50000r/min的超高速虛擬軸機床。隨著飛機研制周期的越來越短，未來超高速的虛擬軸機床將會發(fā)揮越來越重要的作用。2 并行加工機床 6<&~R3dQ  
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另一種可以顯著提高加工效率的方式是采用并行加工機床，如多軸設備中心以及多軸加工的單元等。這類機床的用途非常廣泛，在新機研制階段，對于結構尺寸大的零件，可以采用多軸并行加工的方式，每個主軸只加工零件的固定區(qū)域，這樣使得零件的加工周期顯著縮短。在零件批產階段，可以使用帶有鏡像功能的機床加工完全鏡像的零件，或者使用多主軸平行加工的方式一次加工多件相同的零件。 qs4jUm  
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并行加工機床自問世以來就得到了廣大航空制造企業(yè)和工程技術人員的高度關注，在2013年歐洲機床展上，多家世界知名機床廠商展出了多種并行加工機床[3]，如日本森精機公司(MORI SEIKI)首次展出概念機型——i50型加工中心，德國巨浪公司展出4主軸立式加工中心，斯達拉格集團寶美公司展出S100型四面加工單元，德國Krause&Mauser公司展出多主軸加工工作站等。可以預見，在未來相當長的一段時間內，并行機床將在國際高檔數(shù)控機床領域占有一席之地。 1?@HOu  
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3 加工復雜結構件的立臥轉換機床 Q%e<0t7  
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飛機結構件的結構非常復雜，通常需要進行多個工位的加工，圖3為國產大飛機C919的登機門手柄零件。從圖3可以看出，該零件結構非常復雜，空間6個方位都需要加工，如果采用傳統(tǒng)的工藝方案加工該零件，影響該類零件加工周期的一個重要因素就是零件在加工過程中需要不斷地拆卸零件進行重新裝夾，這樣使設備的利用率低下，不但增加了制造成本，而且嚴重制約了零件的生產周期。要從根本上解決這個問題，就必須盡量減少零件的裝夾次數(shù)。立臥轉換為這類飛機結構件從工藝上提供了近乎完美的解決方案。立臥轉換機床最大的特點是設備具有超大擺角行程的旋轉主軸，如圖4所示。一般情況下，主軸裝配在機床立柱上，擺角為0°時，主軸呈水平臥式加工狀態(tài)；擺角向下旋轉90°時，主軸呈豎直立式加工狀態(tài)。圖4所示的典型立臥轉換機床旋轉主軸的擺角區(qū)間為+60°~-120°，主軸旋轉范圍達180°[4]，機床加工狀態(tài)可以在立式與臥式之間自由轉化。配上可以旋轉的工作臺以后，只需一次裝夾。機床可以對零件6個方位進行全方位的加工，極大地提高零件的加工效率和設備利用率。未來這類機床必將成為加工飛機復雜結構件的重要選擇。4 多工作臺、快速換裝的柔性裝夾系統(tǒng) eORXyh\K  
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與數(shù)控機床的切削效率相比，如今機床利用率已經成為影響飛機結構件加工效率的重要因素，其影響權重因子逐年增大。數(shù)據表明，與發(fā)達國家相比，我國數(shù)控加工的整體技術主要差距已不是機床的切削效率，而是機床的利用率，即單位時間內機床有效切削時間的百分比。除機床正常的保養(yǎng)和維修外，占用機床非加工時間最多的便是零件的裝夾和找正。目前，國內絕大多數(shù)企業(yè)的裝夾方式還是在線上裝夾，這是造成設備利用率低下的主要原因之一。 IjI'Hx  
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為了提高設備的利用率，較好的解決方案是機床有多個工作臺，使機床在正常加工的同時進行線下的裝夾準備工作。考慮到飛機結構件形狀復雜、品種多樣性的特點，工作臺還應具備較好的柔性，便于不同類型零件的快速裝夾。圖5為沈陽機床有限公司生產的帶有雙工作臺的五坐標臥式加工中心。它可在零件加工的同時進行線下裝夾零件，顯著提高了設備利用率。隨著經濟全球化進一步加深和國際數(shù)控加工市場競爭日益激烈，未來這種具備多工作臺、快速換裝的機床必將受到廣大航空制造企業(yè)的青睞。用于難加工材料的大扭矩機床是未來發(fā)展的重要方向 4o>y9  
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現(xiàn)代飛機的設計越來越傾向于在飛機的“骨架”（主承力結構件）部分采用高強度鈦合金、高強度鋼等材料，而在非承力部分采用更輕的材料，以此來減輕飛機的重量，提升飛機的綜合性能。但是，高強度鈦合金、高強度鋼等材料非常不利于加工，并且這些主承力結構件大多采用整體設計，結構尺寸很大，如文獻[5]提到中的鈦合金整體框的投影面積達到了5.02m2，長3.62m。當前，這些材料的加工效率都非常低下，以鈦合金為例，目前國內的加工線速度大約在50~100m/min，最高不超過200m/min，與鋁合金的加工效率相差了一個數(shù)量級。按現(xiàn)在的技術水平，這類零件僅數(shù)控加工周期就長達2~3個月，已成為制約飛機的研制及交付周期的瓶頸問題。 <G})$f'x2  
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眾所周知，影響鈦合金、高強度鋼等難加工材料切削性能的主要因素是切削力，而目前影響鈦合金、高強度鋼等難加工材料加工效率最主要的因素是機床的輸出扭矩不夠，導致其加工效率低下。目前國內用于鈦合金加工機床的輸出扭矩一般在1000NM以下，最新的設備可以達到2000NM左右。因此，解決難加工材料的加工效率問題，縮短飛機研制周期和交付周期，更大扭矩的機床是未來加工難加工材料的重要發(fā)展方向。 =v2|QuS$  
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用于復合材料加工的專用數(shù)控機床逐漸增多 +!lDAkW0  
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波音和空客公司代表當今世界最先進的民機制造技術。近幾年，復合材料的使用比例越來越大（圖6），且增長趨勢突飛猛進。復合材料在飛機上的用量和應用部位已成為衡量飛機結構先進性的重要指標之一，以空客350為例，其復合材料構件重量約占全機結構重量的50%。因此，未來飛機結構件的機床很大程度上要面對復合材料加工。目前，飛機結構件中使用的復合材料主要包括芳綸紙蜂窩材料、金屬蜂窩材料、碳纖維復合材料、玻璃鋼復合材料和泡沫材料等。現(xiàn)有的數(shù)控設備加工復合材料面臨的最大問題是加工過程中產生的大量粉塵等污染物對環(huán)境的污染非常大，因此，必須采用新的加工設備從切削機理上來杜絕粉塵等污染物，以降低復合材料加工對環(huán)境的影響。目前，用于加工芳綸紙蜂窩芯的超聲波機床，如圖7所示，已在國內外得到廣泛的應用。該機床的主要原理是以切割的方式來加工蜂窩芯，工程應用結果表明，用于加工芳綸紙蜂窩芯的超聲波機床能顯著改善加工環(huán)境，提高加工效率和產品質量。目前，國內外一些企業(yè)已經把超聲波機床用于碳纖維復合材料的加工。此外，水切割設備、磨料水射流設備等已經開始嘗試用于復合材料的加工。隨著復合材料在飛機結構件中所占的比重逐漸增長，未來必將出現(xiàn)更多專用的設備用于加工復合材料。 '-wmY?ZFxy  
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