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航空制造业对数控机床设备提出的要求

2010年07月07日 09:29中国机床商务网点击:2972

摘要:航空产品零件制造的复杂性及加工精度的严格,对数控机床设备提出了需求:对高速、高效数控设备的需求; 对多功能的多轴数控加工中心的需求;对数控机床适应信息技术发展的需求。

  由于航空产品零部件的形状结构复杂、材料多种多样、加工精度要求严格,航空制造领域一直是先进技术高度密集的行业之一。

  航空产品零件制造的复杂性主要体现在以下几个方面:(1)通常带有复杂的理论外形曲面、纵横交错的加强筋结构、厚度较小的薄壁结构等,不仅形状复杂,而且孔、空穴、沟槽、加强筋等多,工艺刚性较差。(2)现代飞机具有长寿命、高可靠性要求,这使零件表面的质量控制要求更为严格;零件的尺寸精度和表面质量要求越来越高。(3)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,结构复杂、材料去除量大、精度及表面质量要求高,加工周期较长。(4)零件的材料多为高强钢、铝合金、钛合金、高温合金和复合材料等难加工材料。

  由于航空产品零部件的上述特点,航空制造业对数控机床设备提出了以下需求:

  1. 对高速、高效数控设备的需求

  对于薄壁零件,由于具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点,已在航空零部件中得到广泛地应用。但薄壁零件由于刚性差、强度弱,在加工中极容易变形,使零件的形位误差增大,不易保证零件的加工质量。使用高速数控切削设备可以大大改善这种状况,因为切削力随着切削速度的提高而下降;切削产生的热量绝大部分被切屑带走;在高速切削范围内机床的激振频率远离工艺系统的固有频率范围,并且可以尽量减少加工中的径向切削力和热变形以上特点有利于减小工件变形,改善薄壁零件的加工精度和表面质量。

  对于飞机结构件,也是应用高速加工的主要领域,特别是在铝合金结构件、复合材料构件的切削中应用广泛。这类零件通常采用采用“整体制造法”,即在大块毛坯上去除余量,形成薄壁,细筋结构的零件,需要去除大量金属材料,导致切削时间占用零件总生产时间比例很大,整加工周期较长,最终零件成品的重量只有毛坯的10%~20%,其余的80%~90%材料都成了切屑。使用高速高效数控设备可以实现这些零件的切削加工过程对于高效、准确加工的迫切需求。

  对于镍基高温合金、钛合金以及高强度结构钢等被现代航空产品大量采用的难加工材料,由于这些材料强度大、硬度高,耐冲击、加工中容易硬化,切削温度高、刀具磨损严重,也只有采用高速切削技术,才可以有效地减少刀具磨损,大幅度提高生产率并提高零件的表面质量。

  在航空零部件加工中,高速切削正在被大量应用,目前,高速加工的切削速度为常规切削的5~10倍,航空零件切削加工现场配备的高速铣削设备主轴转速已经达到24000r/min。高速切削,首先是高的速度,即高的主轴转速,另一方面,又应有高的进给速度,为了提高效率,机床还要具有快速移动、快速换刀、高的主轴加速度和进给加速度,高速切削加工技术是对数控机床的结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统都提出了较高的要求。数控机床厂家在保证加工精度的前提下,提高机床切削速度是适应航空零件加工的一个方向。

  2. 对多功能的多轴数控加工中心的需求

  随着飞机产品飞行性能的提高,对现代航空零件加工精度的要求也逐步严格,复杂形状表面的精度误差从早期的±(0.15~0.3)mm已经提高到±(0.08~0.12)mm,表面粗糙度从Ra6.4~1.6提高到Ra1.6~0.8。对于以机翼梁、机身框、翼肋及壁板为典型代表的飞机机体结构件,以及以机匣、整体叶盘、叶片以及轴、盘为典型代表的航空发动机零件,既要保证零件的表面质量,又要保证加工的位置精度和形状精度,这些零件,一般都要求一次装卡,一次定位加工成型,只有多轴联动的加工中心,才能满足上述要求。在目前,对于航空零部件,五轴联动的数控铣床以及具有五坐标联动控制、转台结构的数控机床等复合设备的需求增加。

  3. 对数控机床适应信息技术发展的需求

  随着CAD、CAPP、CAM等信息技术的发展、为提高加工效率,许多企业都成立了数控编程中心,数据传输、模块化设计以及成组加工技术对数控机床的硬件设计提出了更高的要求,另外,由于航空材料多为贵重稀有金属或复合材料,虚拟切削加工技术将会得到进一步应用,所谓虚拟切削加工技术就是在对零件几何参数、材料物理性能、加工过程切削参数以及加工物理过程(受力变形、热变形等)进行全面物理建模的基础上,利用计算机数值仿真技术对加工过程的动态情况和加工结果进行实际综合分析的一种新兴技术。它对数控机床的软、硬件提出了更高的要求,要求根据NC加工机床的实际状况用NC代码驱动虚拟加工环境中的NC机床进行虚拟切削加工,它能描述刀具的真实运动轨迹,完成碰撞、干涉检查,还可逼真地描述加工后工件的形位误差、几何尺寸误差和表面粗糙度等属性,并将虚拟成品零件与设计零件进行比较,如零件精度不能满足设计要求,则可对工艺参数(进给量、切削速度等)或工件装卡方式进行调整改进,如有必要还可对零件的结构设计进行完善,以提高其可加工性。

  总之,航空零部件的高精度、高可靠的要求促进了数控机床制造技术的提高,数控加工技术的发展也推进了航空制造业的进步。
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