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机床行业:航空航天制造业的助推器
Dec 16, 2011  来源:清华大学制造工程研究  作者:张京京 靳存

中国航空航天业的发展趋势


        新中国成立以来,在几代航天人的不懈努力下,中国的航空航天业从无到有,从小到大的发展了起来,并在一些重要领域已经跻身于世界先进行列。随着中国经济的快速发展和航空航天科学技术的不断提高,中国航空航天业正面临着前所未有的机遇,有着广阔的发展空间。“神七”飞天,“嫦娥一号”绕月探测卫星的成功发射,大飞机、新支线飞机等民用航空及通用航空产业的发展,都将很大程度的推动中国的航空航天工业步入快速发展阶段。


        航空航天制造业是整个行业的基石。只有掌握了先进的制造技术,才能生产出高性能的航空航天产品。在未来的一段时间,航空航天制造业的发展趋势主要有:产品信息集成程度越来越高,数字化设计、制造、管理一体化;零件的复杂程度不断提高,大量零件采用整体结构、轻型结构和满足特定需要的特殊结构,新工艺将在零件加工中不断涌现;钛合金和复合材料等新材料在零件中的应用比例将越来越大;航空航天产品对零件的寿命和可靠性要求越来越高,产品更新周期日益加快,因而对零件加工精度和加工效率的要求越来越高。


航空航天业对机床装备的要求


        机床工业作为装备制造业的先导产业,它的地位不言而喻。数控加工设备已经成为航空航天产品制造的主要需求之一。未来几年,航空航天工业对于机床工具装备的需求无论是在数量上还是水平上都将大幅度增长。同时航空航天业也对机床装备提出越来越高的要求。


机床应具有大功率、大扭矩、高刚性

 


        钛合金作为一种新型结构材料,具有密度小,比强度高,热强度好,能耐各种酸、碱、海水、大气等介质的腐蚀等一系列优良的力学、物理性能,因此在航空航天业的应用越来越广泛。当今的F-22战斗机中则占到了39%;B787客机和C-17军用运输机的钛合金用量也分别达到了15%和10.3%。而且钛合金是继镍基超合金以后的第二大喷气式发动机常用材料,占结构质量的1/3以上。但是,由于钛合金切屑变性系数小,导热率低,切削时切削力比较大,切削温度很高,导致切削功率大,主轴扭矩高。因此要求机床主轴有更大的扭矩和功率,同时机床也要有高刚性的床身和机床主轴,从而可以抑制工件的变性和振动,提高加工质量。另外,航空航天产品的零件无论是体积还是重量一般都非常大,切削时切削用量很大,材料去除率也很高,这就必然要求机床具有大功率切削的能力,机床本身也向重型、超重型化发展。


机床应具有高速性,精密性


        铝合金是航空航天制造的主体材料,一般采用高速切削加工。高速切削单位时间材料切除量提高3~5倍,加工时间可降至原来的1/10以下,加工效率高。而零件加工切削力可减少30%左右,使得工件在切削中的变形大大减小,提高了加工精度。切削中切削热的95%~98%被切屑带走,减少了工件的热变形。高速加工激振频率较高,远远超过了机床系统的固有振动频率,因此工件加工时处于“无振动”切削状态,这就会获得较高的加工表面质量。航空产品零部件中的薄壁、筋板结构比较多,加工精度和加工质量要求高,加工时易发生变形,因此这种结构也特别适合高速加工。因此航空航天制造用机床应具备高速加工的能力。航空航天业是高精密领域,对机床精密性的要求也很高,机床多为高精密的数控机床,比如精密数控车床和车削中心、立卧转换4-5轴铣削中心、高精度数控万能磨床等。


机床应实现复合化、自动化


        航空航天产品的很多零件结构很复杂,还有机械加工困难的窄槽、异型孔、微孔等等,这就需要多个工序和不同类型的机床来完成加工,这就造成了效率低下。为了解决这个问题,航空航天制造机床的复合化程度越来越高,这样在机床上一次装夹,就可完成多个甚至所以的加工工序,大大提高了加工效率。同时,航空航天制造用机床还应该具备自动装夹找正、过程监控与误差补偿等能力,这样才能大大提高加工效率和质量。

 


航空航天业中广泛应用的机床类型


        航空航天结构件一般采用整体设计,通常尺寸和重量都较大。龙门结构机床由于结构刚性好、加工范围大、占地面积小、操作方便等优点,成为航空航天大型数控加工机床结构的首选。这种机床的宽度一般在2.5米以上,单龙门工作台的长度为12米左右,而双龙门工作台为28米左右。下图为北京第一机床厂生产的数控动梁龙门系列镗铣床,它的工作台行程为8米到73米。而龙门结构机床中,多龙门多主轴的机床占了很大一部分比例,这种结构的机床能显著提高加工效率和工作台的利用率。
 

北京第一机床厂生产的数控动梁龙门系列镗铣床
北京第一机床厂生产的数控动梁龙门系列镗铣床

        并联机床也是航空航天领域受欢迎的机床之一。自1994年起,并联机床开始风靡全球,曾有人把并联机床的诞生称为21世纪的机床革命。这种机床具有敏捷加工、一次装夹加工、复合角度加工等优点,非常适合航空航天零件制造。美国波音公司是第一家在实际生产中采用并联运动机床的公司。1996年至今,第一台机床并联机床一直在高质高效的加工生产波音727和737的底梁部件。欧洲空中客车公司也已应用并联运动机床多年, 主要用于大型飞机结构件上钻孔与切边。下图是哈量集团应用瑞典爱克斯康公司的最新并联机床技术开发的LINKS-EXE700新一代并联机床,可满足航空航天业需要的灵活加工技术。
 

LINKS-EXE700新一代并联机床
LINKSEXE700新一代并联机床


        目前在航空航天制造业广泛使用的机床设备种类很多,主要有:高速加工中心、多轴联动加工中心、双主轴车削中心和车铣中心、精密磨床和复合磨床、精密电加工机床、精密大型龙门镗铣床和精密落地镗铣床、高效数控专机等。这些机床的市场占有量很大,也是航空航天客户引进比较多的机床。


国内机床商为航空航天提供机床的现状


        与普通的数控机床相比,航空航天数控机床有着规格大、联动坐标多、控制功能强、主轴转速范围大、坐标运动精度高等优点,机床设计制造的难度很大,造价也比较高。目前我国航空航天制造业的机床设备大部分是从国外进口的,国产机床设备占的比重比较小。出现这种状况的原因主要是国产机床装备的水平不能满足航空航天制造的要求。目前,国内机床装备在精度、稳定性、可靠性、售后服务方面同进口机床还存在着一定的差距。国内只有少数的机床生产厂家可以提供用户满足要求的技术成熟的可靠产品。


        近些年国产机床与进口机床之间的差距也在缩小。国产机床在高速、高精、多轴、复合等方面都有较大突破,尤其是龙门加工中心和数控龙门镗铣床更为突出。北京一机、济南二机、沈阳机床厂、江苏多棱等多家实力雄厚的国内机床商已经推出了多种五轴联动龙门加工中心和数控龙门镗铣床。目前我国航空工业采购国产机床设备的比例从以前的10%~20%上升到30%~40%。相信在不远的将来,随着机床制造技术的不断发展和国内机床制造商的不断努力,国产机床肯定能占据大部分的国内市场,为中国航空航天业提供更优质的数控机床,满足航空工厂的要求。


国际金融危机对航空航天业和机床业的影响


        由美国次贷危机引起的金融危机席卷全球,给世界经济带来沉重的打击,航空航天业也不能幸免,许多航空公司陷入了困境。近期我国三大航空集团已取消或缩减了部分国内和国际航班。中国第一家民营航空公司奥凯航空于2008年12月3日接到了民航总局的“停飞令”,已经面临破产的境地。航空公司融资和经营出现困难,会推迟或者取消航空制造的订单,进而会影响到航空制造商。据统计,2008年上半年全球新增飞机订单总数不到去年一半。金融危机已经对航空业产生了严重的负面影响。


        面对金融危机,我国的航空制造产业也表现出了强劲的生命力。2008年珠海航展期间,中国商用飞机有限责任公司与美国通用航空公司签署25架ARJ21支线客机购机协议,中国制造的飞机将第一次翱翔北美的天空。与此同时,幸福航空与西安飞机工业集团签 下购买新舟60飞机意向合同,首批3架新舟60飞机将在2009年2月前陆续交付并投入商业运营。展望未来,随着大飞机项目的进展,我国航天事业的不断进步,中国航空制造业必然会冲破金融危机带来的阻碍,前途仍然一片光明。同时,这次金融危机对我国的机床制造业也是一个警示。中国机床制造商只有不断提升自己的技术实力和服务水平,才能更好的推动航空航天制造业前进,才能使自己在日益加剧的竞争中立于不败之地。

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