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航天产品对数控机床的需求
2011-12-16  来源:北京动力机械研究所  作者:周恺

航天产品对数控机床的需求
北京动力机械研究所研究员 周恺 
 

       “十五”期间,航天科技工业将继续做好载人航天工程的研制工作,突破大型无毒无污染运载火箭关键技术,增强运载火箭的适应性,积极参与国际竞争,力争使运载火箭的发射成功率再有提高。努力提高应用卫星的研制水平,改进性能,提高寿命,并积极开发小卫星技术,满足国民经济和国防现代化建设需要。

 

       航天产品对制造技术提出了更高的要求,国内外的航天制造业都广泛地采用先进制造技术。现代数控技术与装备是先进制造技术中的重要组成,在航天产品制造中已成为决定性的关键技术之一。总体而言,航天产品制造对新型机床加工技术与装备的需求量十分明确而迫切,数控机床的数量、性能、精度、加工能力及应用水平,已经成为航天产品制造的关键因素。中国机床工业一方面面临重大的巿场机遇,另一方面,积极发展适应于航天工业需求的大型精密高档配套机床已是中国航天工业发展的当务之急。

 

一、航天产品的工艺特点


       机床工业如何为航天工业服务,首先要了解航天产品的结构和工艺特点。航天产品从构成上可分为主机(或弹体、箭体、星体)、发动机、机(弹、箭、星)载设备或部件等组成部分,其结构特点是薄壁结构,形状结构复杂,而且孔、空穴、沟槽、加强筋等多,工艺刚性较差。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,为了减轻重量,增加机动性和增加有效载荷和航程,进行轻量化设计,广泛采用新型轻质材料,大量采用铝合金、钛合金、耐高温合金、高强度钢、复合材料等。以上各部分零部件中的大多数需要经过切削加工这一工艺过程,数控加工技术和数控加工设备已成为航天产品制造中的主要需求之一。

 

二、航天产品对数控机床的需求


       航天产品制造对数控技术与装备的需求呈现以下六个特点:
(1)机械加工的数控化率要求高,几乎对各类数控机床都有需求;
(2)对数控机床利用率及数控加工效率要求高;
(3)数控加工已成为CAD/CAPP/CAM集成应用及“无图纸制造”的基础;
(4)高速高精度数控切削加工已成必然趋势;
(5)要求对不同材料和结构的零部件数控加工工艺及切削参数进行优化;
(6)部分数控技术与装备具有专用性。


       1.机体(或弹体、箭体、星体)制造对数控机床的需求


       机体(或弹体、箭体、星体)结构件的典型零件有梁、筋、肋板、框、壁板、接头、滑轨等类零件,以扁平件、细长件、多腔件和超薄壁隔框结构件为主。目前,国内90%以上为铝合金件,少量为不锈钢和钛合金钢,且整体结构件越来越多,应用复合材料是今后的发展方向。加工机体(或弹体、箭体、星体)结构件典型零件所需主要设备:
(1)三坐标加工中心,如大型龙门立式加工中心;
(2)五轴联动加工中心,如大型龙门立式加工中心,应配备A/B摆角铣头或A/C摆角铣头;
(3)大型龙门式双主轴五坐标加工中心,工作台尺寸5m×20m,用于加工梁类零件;
(4)加工铝合金件需要大功率高速加工中心,功率≥40kW,主轴转速20000r/min以上,带两坐标摆角铣头;
(5)由于整体铝合金件切削加工去除量大,为便于排屑,最好需要工作台可以翻转90°的卧式加工中心;
(6)钣金成形件主要涉及蒙皮、型材、导管等曲面成形,要求成形精准。为保证制造精度,需要蒙皮拉伸机;蒙皮滚弯成形机;还有三轴滚校平机、型材拉弯机、导管成形机等;
(7)为减轻重量,复合材料的应用越来越多,制作复合材料构件需要铺带机(铺带机在国内还是空白)和加工复合材料的特种加工设备等等。

 

       2.发动机制造


       发动机的关键件有机匣、各类叶片和整体叶盘。

(1)机匣加工
发动机机匣有三类,一类是对开环形结构,一类是整体环形结构,还有一种是异形壳体。机匣又是薄壁、弱刚性结构,型面复杂,精度要求高,加工难度大,材料是一种难加工的耐高温的高强度钛合金材料。加工机匣典型零件所需主要设备:
①加工直径为φ2000mm的数控立车和精密数控立车;
②工作台尺寸为2400mm×5000mm的龙门式五轴联动加工中心,需具备双工位、在线测量和仿真功能,刀库容量60把刀左右,数控系统具有高级编程功能,工作台3000mm×5000mm的龙门式数控镗铣床。


(2)叶片和整体叶轮加工
①发动机的叶片和整体叶轮材料为耐高温的钛合金材料,需用五轴联动加工中心、五轴高速龙门铣等加工叶片形面;
②叶根榫头的加工需用拉床和缓进给强力磨床,并希望缓进给强力磨床具有换砂轮功能和滚轮修砂轮装置,还需要有在线测量、程序调整和自动补偿功能;
③叶片形面用电解加工可大大提高加工效率,还需用数控六轴砂带抛光设备抛光;
④叶片有很多冷却用的小孔,用电脉冲打孔,比用激光打孔好(激光打孔有硬化层),但现在,电加工打孔机床没有打孔深浅的显示,操作困难;


(3)整体叶盘加工
整体叶盘是薄壁盘类零件,叶盘圆周上有装叶片的榫槽。
①直槽可用拉削加工和磨削加工;
②圆弧形榫槽可用铣削和成形磨加工,但圆弧形榫槽的检测困难;
③叶环和叶盘的加工需要数控卧车、精密数控立车;
④整体叶盘的叶片部分,可用五轴高速加工中心加工,还可以用电火花成形加工。


       3.机载设备


      航天产品的弹/箭/星载设备主要为控制、导引、探测部件等高精度的精密仪器与机械,关键部件种类多、尺寸小、结构复杂、精度高,对精密数控镗铣床和加工中心、精密数控车床和车削中心、精密数控万能外圆磨床、数控光学坐标磨床和成形磨床、高精度数控电火花机床和线切割机床等数控设备有重要的需求,以满足各种壳体、阀体、液压偶件、液压平板阀、光管、激光陀螺反射镜、非球面光学零件等零部件的精密、超精密加工要求。

 

       三、立足国内,开发并应用国产设备
      

       目前,航天制造企业所使用的机床大部分是进口的,国产机床很少,主要原因是:现在国产机床的精度保持性、质量稳定性、服务及时性等方面与航天用户的要求还有差距,有些机床国内还是空白,例如加工复合材料的激光加工单元和超声波振动铣削加工中心等特种设备,目前国内技术不成熟,而国外以DMG机床厂商为代表的新技术制造设备却发展得日新月异,国内外在新技术领域存在较大差距。


       国外机床制造企业设立了对应航空航天应用的开发部门,研究开发用于航空航天零件加工的工艺和程序,加强与航空航天制造企业的联系,反馈航空航天制造市场的需求信息。为了改变这种状况,国内机床制造企业也可借鉴国外的这种先进做法,首先要了解航天制造企业的需求和零件的制造工艺,据此制定机床设计方案,研究相适应的工艺路线,提供能够满足航天空企业要求的机床。


 

       所以,发展航天技术必须立足国内,开发上述急需的加工设备,才能不受制于人。我国机床工业企业应勇挑重担,为国分忧。航天制造企业也要为振兴我国装备制造业出力,积极应用国产设备,尽早形成独立自主、自力更生的局面。


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