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加工航空结构件的五坐标立式加工中心
Dec 16, 2011  来源:北京航空制造工程研究  作者:王增新

1.前言
 
      航空工业是高技术发展的重要领域,是世界高技术产业竞争的制高点,各国争相把发展航空工业列为高技术的支柱产业。新型、先进飞机的设计与制造成为了各国高技术竞争的主战场。


      航空制造技术是航空工业赖以生存和发展的技术基础,数控技术是航空工业先进制造技术的重要组成部分。数控技术和数控装备的水平是衡量航空工业综合技术水平和企业现代化水平的重要标志之一。


2. 航空结构件的发展方向
  
      现代飞机中大量的采用了大型整体结构件,相对于以前的焊接、组装模式,大型整体结构件可大量减少零件数量和装配工序,并有效减轻飞机整机重量,提高零件强度和可靠性,使飞机的制造质量显著提高。整体结构件尺寸大,如整体框结构尺寸超过2000mm×2000mm 、长梁长度超过6000mm、壁板结构尺寸超过3000×2000mm 。在新一代飞机中整体结构件尺寸将进一步加大。


      飞机整体结构件结构复杂,外形涉及机身外形、机翼外形及翼身融合区外形等复杂理论外形,周边轮廓与其他零件还有复杂的装配协调关系;切削加工量大,许多零件的材料去除率达到90%以上;装配协调面、交点孔等数量多,加工精度要求高。


      随着新一代战机性能要求的逐步提高,整体结构件的外形日趋复杂、精度要求越来越高,新型高性能材料不断引入,目前整体结构件材料逐渐由铝合金为主转变为铝合金、钛合金、复合材料并重的局面。由于钛合金等先进结构材料具有轻质、高强、耐高温和耐腐蚀等优异性能,能够很好地适应飞行器的极限工作环境,在航空领域的应用越来越多,其用量百分比已经成为衡量飞机先进性的一个重要标志(美国第四代战斗机F22的用钛量已占到飞机结构质量的41 %,见下图表)。

 

美国第四代战斗机F22的用钛量

 

 

      随着航空结构件的不断整体化和轻量化,其典型零件的发展趋势是形状越来越复杂、壁厚越来越薄。以钛合金为代表的航空结构件的材料特性和加工特点,要求机床必须具备高刚性、高精度、大功率主轴、大扭矩摆角驱动、动态响应好、机床振动小等特点,对数控设备的设计制造提出了严峻的挑战。


3. V5 1030 ABJ结构特点


      V5 1030 ABJ 五坐标立式加工中心,是中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所(原中航总第625所)针对钛合金、合金钢等难加工材料,结合国内航空结构件加工特点及加工条件设计制造的,机床具有高刚性、高精度、高可靠性等特点,适合加工各种复杂型面高强度航空结构件。

 

V5 1030 ABJ 五坐标立式加工中心

 

1) 高刚度抗振结构件
     

      V5 1030 ABJ的基础部件包括床身、底座、立柱、垂滑板、摆角滑板、工作台等支承件,它们的基本功能是承载和保持各执行部件的相对位置。该加工中心集粗、精加工于一体,既要能够承受粗加工时大吃刀、大走刀的最大切削力、又要能够保证精加工时的高精度,基础件在强度、刚度、抗振性、热变形和内应力等方面都通过ANSYS有限元分析进行了结构优化。

      床身、底座、工作台和主轴箱采取铸造全封闭结构, 不仅具有很强的基础刚性,而且具备较大阻尼系数能够吸收切削加工时的振动;整体结构框形设计和加强筋对称布置能很好消除热变形和内应力的影响。
立柱、垂滑板和摆角滑板等移动部件采用钢质焊接结构,有利于减轻机床移动质量,提高动态性能,采取大截面模量设计提高整体刚度保证动态精度。


2) 大功率主轴系统
     

      主轴部件的性能直接影响加工质量和切削生产率,是决定机床性能和经济技术指标的重要因素。
V5 1030 ABJ 主轴选用进口高精度轴承进行三支承大跨距预紧装配,保证30kW的大直径机械主轴具有较高的静态刚度和抗振性。主轴箱精密齿轮传动,具有两级机械变速,分别满足机床高速和大负载切削的加工需要。主轴由循环冷却油进行冷却,保证主轴能24小时连续稳定工作。

 

3) 高精度进给系统

     

      V5 1030 ABJ 的X、Y、Z坐标进给运动,由伺服电机驱动滚珠丝杠带动各移动部件完成。滚珠丝杠采用双螺母预紧的进口大直径丝杠,安装时预拉伸,保证进给系统的传动精度和工作稳定性。

      摆角驱动系统采用传统A/B 摆角机构,通过双蜗轮蜗杆驱动双输出齿轮带动扇形齿条运动来完成,蜗杆轴向设有预载调整机构。摆角的机械驱动系统能提供8280 Nm的摆角扭矩,是A(B)/C 摆角的数倍,且不需要摆角锁紧机构。而且,由于A/B 摆角的摆动角度在刀位计算中具有唯一解,从当前位置到目标位置的运动轨迹也是唯一的,因此,在摆动过程中不会发生刀具与零件的干涉,运动位置明确、直观,易于操作者理解和掌握。

 

4) 高精度镶钢导轨

 

      V5 1030 ABJ 采用大截面矩形镶钢导轨,整体淬火并磨削的导轨能够保证各坐标的运动精度,而且预载安装的导轨滚动体能增加导轨的接触刚度和阻尼系数,提高导轨的承载能力和抗振性,适应高精度强力切削的加工要求。

 

5) 功能强大的伺服控制系统

 

      V5 1030 ABJ 配置功能先进的SINUMERIK 840D Power1ine数控系统进行控制,配置多项功能先进的选项功能(如五轴联动软件、预控制加速、先进定位控制、刀具管理等),具动态前馈控制、刀具长度补偿、丝杠螺距误差补偿、测量系统误差补偿、反向间隙补偿、过象限误差补偿、主轴监控、位置监控、零速监控、车/铣/钻工艺固定循环、刚性攻丝、测量循环、零点偏移等功能,采用性能优越的西门子 611D(High performance control)全数字交流伺服驱动及伺服电机,保证机床加工时的动态性能和工作可靠性。


       机床各坐标采用绝对位置检测,全闭环控制,反馈元件采用高精度的HEIDENHAIN光栅尺,分辨率0.001mm,光栅尺用压缩空气进行清洁防护;A、B坐标反馈元件采用HEIDENHAIN角度编码器,分辨率0.0001°,能够满足复杂型面航空结构件的高精度加工要求。

 

4. 结论


      航空工业属于国家高新技术产业,是一个国家综合实力的重要体现。航空工业的快速发展对航空结构件的材料和工艺提出了新的要求,这就对设备制造业提出了新的挑战。

 

      V5 1030 ABJ 五坐标立式加工中心,是北京航空制造工程研究所适应我国航空工业的发展需要,针对航空结构件的加工特点研制的,能够满足大型复杂型面航空结构件强力高效切削的需要,今后必将为我国航空事业的发展做出突出贡献。


 

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