■文/黃峻 丁云清

隨著我國(guó)航空工業(yè)快速發(fā)展，航空產(chǎn)品中大量復(fù)雜高精度零件需通過(guò)高效數(shù)控加工提升效率，保證質(zhì)量。本文結(jié)合直升機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件加工特性分析了其對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工要求，通過(guò)國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床使用情況對(duì)比分析了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床存在的主要問(wèn)題與不足，并進(jìn)一步提出國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的改進(jìn)建議。

1、引言

直升機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件包括槳轂、機(jī)身薄壁整體機(jī)加框及起落架、液壓系統(tǒng)件。隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，直升機(jī)批生產(chǎn)對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件的制造可靠性與加工效率提出越來(lái)越高的要求。數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代航空復(fù)雜零件加工的重要保障，其加工適應(yīng)性也成為航空產(chǎn)品制造技術(shù)提升的基礎(chǔ)與關(guān)鍵要素。

2、直升機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件加工特性

1) 槳轂

① 槳轂材料

槳轂系統(tǒng)主要包括主槳轂、尾槳轂和自動(dòng)傾斜儀三大部件。當(dāng)前，世界上主流直升機(jī)大部分使用第三代球柔性槳轂技術(shù)。該種槳轂主要承力件材料已由高強(qiáng)度鈦合金（TB6）取代過(guò)去常用的優(yōu)質(zhì)合金鋼。TB6鈦合金在國(guó)內(nèi)是近幾年研制并開始工程應(yīng)用的新材料，主要性能參數(shù)為：σb≥1200Mpa，斷面收縮率ψ（徑向≥6%，弦向≥4%）。TB6鈦合金的切削特性如下。

? 切削溫度高：TB6鈦合金的熱導(dǎo)率低（約為鐵的1/5、鋁的1/10），極大地限制了刀尖的冷卻條件和散熱能力。

? 彈性變形大： TB6鈦合金彈性模量低，加工易變形，已加工面回彈，與后刀面劇烈摩擦，尺寸精度難保證。

? 加工硬化：TB6鈦合金化學(xué)活性大，易與大氣中多種元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成硬而脆的外皮，切削過(guò)程中的塑性變形易造成表面硬化。

? 易粘刀：TB6鈦合金化學(xué)活性大，切削過(guò)程中與刀具親合力大，造成粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損，產(chǎn)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象和積屑瘤。

② 槳轂關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

直升機(jī)槳轂關(guān)鍵零件多為曲線回轉(zhuǎn)體帶復(fù)雜接頭、支臂結(jié)構(gòu)，零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形尺寸多為空間尺寸，帶空間扭角結(jié)構(gòu)，有極高的裝配協(xié)調(diào)性要求，零件加工精度要求較高，各平面、型面、腔槽及大量精度孔與回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)間有較高的位置關(guān)系要求，如位置度0.03～0.1，對(duì)稱度0.02～0.1，孔尺寸精度IT6～7級(jí)，內(nèi)花鍵精度5～6級(jí)，表面粗糙度Ra1.6～3.2μm。加工工序包括車削、銑削、鉆削、鏜削、鉸削、深孔加工、插齒加工等。

2) 機(jī)身薄壁整體機(jī)加框

① 機(jī)身薄壁整體機(jī)加框特點(diǎn)

機(jī)身薄壁整體機(jī)加框主要為機(jī)身連接、對(duì)接框，毛坯為鋁合金預(yù)拉伸板，零件加工余量大，材料去除率超過(guò)95%。以S-92型直升機(jī)為例，該型機(jī)大量采用薄壁整體框設(shè)計(jì)，整體框結(jié)構(gòu)突顯“四化”特點(diǎn)。

? 大型化：典型零件后梁長(zhǎng)2900mm，寬760mm，外形尺寸大；

? 復(fù)雜化：典型零件664站零件將原22個(gè)角盒類零件合并設(shè)計(jì)為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，外形復(fù)雜，閉角結(jié)構(gòu)多；

? 薄壁化：零件最小壁厚一般為1.2m m，筋板厚度最簿處0.5mm，腹板厚度最簿處0.6mm。

? 精密化：零件帶大量雙曲面理論外形配合面，表面粗糙度

② 機(jī)身薄壁整體機(jī)加框主要加工問(wèn)題

? 變形問(wèn)題：變形問(wèn)題直接導(dǎo)致整體構(gòu)件精度不能滿足設(shè)計(jì)要求，裝配、協(xié)調(diào)、互換無(wú)從談起；

? 顫振問(wèn)題：顫振問(wèn)題直接導(dǎo)致整體構(gòu)件尺寸超差，表面粗糙度低下，嚴(yán)重降低零件壽命；

? 精度問(wèn)題：薄壁公差需保證0.12m m的公差帶要求，2m×2m的腹板面需保證平面度0.15mm，接頭孔位及尺寸公差要求在0.03mm以下，表面粗糙度Ra<1.6um。

3) 起落架、液壓系統(tǒng)件

包含操縱系統(tǒng)、液壓燃油滑油系統(tǒng)、起落架、減擺器等產(chǎn)品制造。零件材料以高強(qiáng)度鋼為主，主要加工難點(diǎn)為高精度變徑深孔加工，最大孔深1000～1200mm，孔徑60～100mm，孔底帶型面，深孔內(nèi)外圓與各接頭、叉耳間存在較高的位置關(guān)系要求，如位置度0.05～0.08，孔尺寸精度IT6～7級(jí)，表面粗糙度Ra0.8～1.6μm。加工工序主要包括車削、銑削、鉆削、鏜削、鉸削、深孔加工等。

3、直升機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件加工對(duì)機(jī)床要求

1) 槳轂

? 具備整體高剛性、高功率、高扭矩，且恒扭矩范圍大，在受制于TB6材料可切削性能差而要求低線速度加工的不利條件下，通過(guò)大切削量實(shí)現(xiàn)TB6材料的高效加工；

? 具備過(guò)主軸中心高壓內(nèi)冷系統(tǒng)，為難加工材料加工提供充分的冷卻和斷屑條件，提高刀具壽命和零件質(zhì)量；

? 具備復(fù)合化加工能力，能在盡可能少的裝夾次數(shù)中保證較高空間形位公差零件的技術(shù)要求；

? 定位精度、重復(fù)定位精度高，且精度穩(wěn)定性、保持性要好，滿足高精度產(chǎn)品加工技術(shù)要求。

2) 機(jī)身薄壁整體機(jī)加框

? 主軸高轉(zhuǎn)速，各軸快進(jìn)給（含旋轉(zhuǎn)軸），通過(guò)高速加工帶走大量切削熱，解決薄壁零件加工變形與顫振的問(wèn)題；

? 五軸聯(lián)動(dòng)精度（RTCP）高，保證帶理論外形復(fù)雜雙曲面結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)加工精度要求；

? 五軸聯(lián)動(dòng)過(guò)象限誤差補(bǔ)償能力強(qiáng)，避免五軸聯(lián)動(dòng)過(guò)象限時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，保證較好的表面粗糙度要求；

? 熱變形控制技術(shù)，減少零點(diǎn)漂移，保證大尺寸零件長(zhǎng)時(shí)間加工時(shí)機(jī)床狀態(tài)的一致性和可靠性，避免需通過(guò)無(wú)謂人工補(bǔ)償方法增加復(fù)雜零件加工難度；

3) 起落架、液壓系統(tǒng)件

? 具有高精度深孔精密鏜銑加工能力，保證深孔類難加工材料的鏜銑加工要求；

? 具有深孔磨削能力，實(shí)現(xiàn)高精度深孔零件精密加工要求；

? 具有復(fù)合加工能力，解決起落架、液壓系統(tǒng)件中帶接頭、叉耳結(jié)構(gòu)的復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件加工形位公差要求；

4、國(guó)內(nèi)外機(jī)床使用現(xiàn)狀

1) 應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾年，航空制造業(yè)配置了一大批數(shù)控三軸及五軸高速銑削加工中心、數(shù)控三軸及五軸強(qiáng)力加工中心、車銑復(fù)合加工中心、數(shù)控五軸復(fù)合材料切鉆設(shè)備等，現(xiàn)有設(shè)備中以進(jìn)口五軸高端設(shè)備為主，并輔以部分國(guó)產(chǎn)三軸加工設(shè)備，目前，基本采用以國(guó)產(chǎn)設(shè)備粗加工、進(jìn)口設(shè)備精加工模式進(jìn)行復(fù)雜構(gòu)件制造。進(jìn)口設(shè)備在剛性、精度、可靠性、切削能力等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

從使用情況看，部分國(guó)產(chǎn)數(shù)控設(shè)備質(zhì)量一般，在設(shè)計(jì)、制造、安裝方面都存在一些問(wèn)題。尤其是大型龍門或者五軸加工中心，由于設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)不足，問(wèn)題較多。曾出現(xiàn)的問(wèn)題包括：三坐標(biāo)加工中心導(dǎo)軌潤(rùn)滑存在制造缺陷；滑枕部分設(shè)計(jì)不合理，維修主軸拉刀機(jī)構(gòu)時(shí)，需拆卸Z軸電機(jī)、主軸電機(jī)、齒輪箱，工作量大且可維修性差；油冷機(jī)功率偏小，齒輪箱的冷卻效果不佳，造成齒輪箱溫升較高；滑枕防護(hù)罩設(shè)計(jì)不合理，主軸電機(jī)散熱效果不好，造成滑枕熱變形，工件加工精度超差；五軸加工中心結(jié)構(gòu)不合理，軸頭漏油、A軸伺服報(bào)警，刀庫(kù)液壓部分有故障，設(shè)備利用率很低；數(shù)控車床存在設(shè)計(jì)缺陷，冷卻液箱設(shè)計(jì)不合理，漏液等。

2) 國(guó)產(chǎn)機(jī)床與國(guó)外機(jī)床主要差距

? 主軸、滑枕等熱變形較大，影響加工精度；

? 漏水、漏油較普遍，刀庫(kù)可靠性較差，故障率較高；

? 結(jié)構(gòu)欠合理，加工產(chǎn)品適應(yīng)性不強(qiáng)；

? 基于高可靠性條件下的復(fù)合化加工能力不足；

? 機(jī)床剛性、可靠性、精度及精度保持性較差。

5、國(guó)產(chǎn)機(jī)床改進(jìn)建議

經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床歷經(jīng)從無(wú)到有、從仿制到自主研制的不同階段，已解決能不能干出來(lái)的問(wèn)題，進(jìn)入 “十二五”及今后新的發(fā)展時(shí)期，需進(jìn)一步突破高精尖制造的瓶頸。從整體上看，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)還普遍存在做大不做強(qiáng)的弊端，數(shù)控系統(tǒng)和關(guān)鍵功能部件發(fā)展技術(shù)水平滯后較嚴(yán)重，高檔數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵核心制造技術(shù)基本依賴進(jìn)口，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，依有較大差距，可持續(xù)發(fā)展能力不強(qiáng)。近年來(lái)，國(guó)際數(shù)控機(jī)床制造技術(shù)不斷向高精度、高性能、智能化、復(fù)合化方向發(fā)展，對(duì)機(jī)床可靠性要求明顯提高，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品功能的持久性、精度的穩(wěn)定性、運(yùn)行的無(wú)故障性以及可維修性和經(jīng)濟(jì)性要求也越來(lái)越高。國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造業(yè)還需全方位改造技術(shù)，提升水平。

1) 在機(jī)床精度方面，國(guó)產(chǎn)機(jī)床靜態(tài)幾何精度已達(dá)到較高水平，但動(dòng)態(tài)精度、五軸聯(lián)動(dòng)精度、高速插補(bǔ)精度以及精度保持性還需進(jìn)一步提高；

2) 三軸加工中心需解決漏水、漏油問(wèn)題，提高刀庫(kù)的可靠性；

3) 進(jìn)一步提高五軸加工中心整體可靠性，提升復(fù)雜曲面五軸聯(lián)動(dòng)加工運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化控制技術(shù)；

4) 在誤差補(bǔ)償技術(shù)方面，需進(jìn)一步增強(qiáng)反向間隙補(bǔ)償、熱變形誤差補(bǔ)償、過(guò)像限誤差補(bǔ)償和空間誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)水平；

5) 結(jié)合航空產(chǎn)品工藝需求，提升機(jī)床結(jié)構(gòu)合理性與加工適應(yīng)范圍；

6) 提升基于高可靠性條件的復(fù)合加工水平，應(yīng)用立式或臥式復(fù)合加工手段實(shí)現(xiàn)更高柔性加工；

7) 加在針對(duì)航空制造業(yè)非金屬材料加工設(shè)備的研發(fā)制造能力；

8) 提升機(jī)床智能化水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工過(guò)程自適應(yīng)控制、在線實(shí)時(shí)防碰撞保護(hù)及智能故障診斷與修復(fù)；

9) 加快響應(yīng)速度，提升售后服務(wù)質(zhì)量與水平；

10) 進(jìn)一步完善優(yōu)化機(jī)床細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、制造。