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“S”试件建立了五轴联动的检验准则和精度的调试方法准则

2013年01月23日 09:28中国机床商务网点击:5822

  JC35导读:由成飞公司研发并提出的“S”试件是检验五轴联动机床整机综合性能的最有效的样件。它可以检验整机的几何精度、定位精度、综合加工效率、综合表面加工质量、整机振动及颤振等一系列问题。
  
  随着飞机性能要求的逐步提高,航空结构件材料逐渐由铝合金为主转变为铝合金、钛合金、复合材料并重。但钛合金高效加工已成为现代航空制造企业和机床制造商共同面临的难题。
  
  高档数控机床与基础制造装备科技重大专项,用于钛合金航空结构件加工的五轴联动加工中心课题,为优先启动课题,由沈阳机床(集团)有限责任公司、天津大学、成都飞机工业(集团)有限责任公司产学研用各方联合实施,通过重切削稳定性分析、五轴机床动态特性分析和五轴加工中心后置处理的核心算法及后置平台开发等关键技术研究,研制出国产首台用于复杂钛合金航空结构件加工的五轴联动加工中心。同时,通过“S”试件切削工艺技术研究,完成了“S”试件试切实验,标志着国产高端产品能够满足钛合金航空结构件的加工需求,零件加工精度与国外同型机床相当。
  
  成为国际标准测试件
  
  重大突破:“S”试件切削工艺技术的研究,可有效提升我国高档数控机床研制能力,解决钛合金高效加工难题,进而提升航空制造企业应用国产设备的信心,助推我国航空结构件数控加工装备的国产化进程。
  
  钛合金航空结构件是飞机的核心承力部件,因钛合金强度高,弹性模量小、塑性变形严重,排屑困难,导热率低、加工区域温度高,化学活性高、易氧化、加工硬化严重,闭角变壁厚结构,且具有复杂曲面。
  
  因此,“S”试件加工需要克服很多难点,如:“S”试件壁薄;刀轴向较深;开角闭角连续变化;频繁换向;光洁度要求高;检测点多;轮廓尺寸要求严格;棒铣刀侧刃加工等。同时,还要防止影响“S”试件加工的一些因素,如:机床进给系统伺服动态性的影响;A/B轴双摆角铣头重力前倾的影响;整机与关键部件结构动态性的影响;主轴热误差的影响;机床切削刚度的影响;机床后置处理平台的影响等。
  
  在用户成都飞机工业(集团)有限责任公司(简称成飞)的指导和帮助下,沈阳机床集团针对“S”试件加工时出现的问题,对机床的薄弱环节进行攻关,归纳总结出快速通过“S”试件表面质量诊断机床存在的问题的方法,建立了五轴联动的检验准则和精度的调试方法准则。
  
  此方法的掌握,极大地提高了此类机床的改进周期,缩短了安装调试时间,增加了产品的可靠性。其加工方法被工信部纳入检验数控机床专项五轴联动加工中心的标准,并在机床行业内推广。2012年9月,“S”形试件被纳入ISO10791-7标准组作为附加测试件,成为国际标准测试件。
  
  破解对我航空制造企业钳制
  
  应用前景:目前,用于航空航天钛合金复杂零件的重切削五轴联动加工中心应用前景十分广阔,“S”试件切削技术作为此类产品的测试与验证方法,对其快速推广和产业化、满足国内航空航天领域需求、替代进口等将具有重要意义。
  
  “S”试件切削工艺技术的问世,是产学研用联合攻关的典范。其中,沈阳机床集团研制了第一台立式五轴联动加工中心VMC25100u,首台样机在典型“S”试件切削测试时发现Y向运动不稳定;成飞参考国外同类型机床结构特点,结合该机床的Y向实际运动情况,建议对机床立柱进行详细测试;天津大学开展了结构动力学建模与仿真、切削过程稳定性分析、试验模态分析;沈阳机床(集团)有限责任公司应用首台样机进行典型“S”试件切削,通过典型“S”试件的表面质量判断明确了机床薄弱环节。三家合作单位共同制定包含修改机床参数、改进机床结构、提升关键部件刚性三个步骤的修改方案。
  
  沈阳机床集团根据修改方案设计、研制了第二台机床,将机床加工钛合金所需要的特性,通过切削实验的方式得到有效验证。如:大扭矩的AB摆轴,通过大角度强力铣削验证;大扭矩主轴,通过铣削试验满足最大扭矩验证等。第二台改进型机床于2012年初完成“S”试件切削,并已在国内重点航空制造企业投入应用。
  
  成飞基于数控加工厂的数字化车间管理系统,对第二台改进型机床实际应用情况进行了详细记录,为沈阳机床集团对第一台机床的工艺性试验和后续改进提供了有力的数据支持,这一研发流程在当前我国高档数控机床的产业化、工程化阶段作用十分突出。
  
  当前,在我国数控机床市场中,高档数控机床,特别是五坐标联动、大型数控机床的市场份额为国外品牌所占领。机床工业的现状致使我国航空结构件数控加工装备长期以来以进口国外设备为主,尤其是五轴加工等高技术关键装备接近100%依赖进口。“S”试件切削工艺技术的研究,有效提升了我国高档数控机床研制能力。该类机床的成功研制打破了国外同行对航空制造企业的垄断,间接降低了国内进口此类机床的价格。
  
  随着新材料的应用,钛合金高效加工设备逐渐成为数控机床行业新的竞争点。“S”试件切削技术适时而生,为钛合金加工机床的推广迈出了关键一步。而且,“S”试件切削技术作为此类产品的测试与验证方法,对其快速推广和产业化,以及满足国内航空航天领域需求具有重要意义。
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