航空装备数控加工设备建模分析

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摘要：数控加工设备是制造工艺实物化的主体，进一步强化对加工设备合理化选择分析与研究，优选合适机床设备，助力航空装备或零部件快速迭代。本文主要以飞机典型结构件为对象，总结典型结构件加工设备选择流程，针对性地提出了基于权重-最小方差和的设备细选择基础模型，期望对生产线规划中零件加工设备选择提供一定的理论依据与实际应用方法。

关键词：飞机典型结构件；数控加工设备；设备

选择飞机典型结构件的加工属于高精加工范畴，其加工能力也代表着航空先进制造能力和水平。数控加工设备是高度机电软一体化产品，是一类价格昂贵的精密设备。随着我国航空工业先进制造技术的持续发展及航空装备代次更新，飞机典型结构件数控加工设备也朝着高精度、高刚性、高速、大扭矩、智能化等方向发展。设备种类与结构形式由传统铣床、龙门铣床逐渐向卧式翻板铣、高精加工中心等转变。为保证特定材料或特定产品的专属加工能力，加工设备也呈现专业化发展趋势。对于飞机结构件某一加工特征而言，往往能够由不同的加工设备来实现，且机床设备与零件加工工艺、加工精度、加工效率等有很大影响。另外，企业想要进一步提升机械制造的整体水平，也需不断强化对制造工艺与设备的研究。因此，如何合理的选择数控加工设备具有重要研究意义。

1飞机典型结构件加工特点

1.1零件分类。按材料属性分类，飞机典型结构件零件分为铝合金结构件、钛合金结构件、合金钢零件。按结构特征分类，铝合金零件一般包括框、梁、壁板、长桁、隔板等，钛合金零件一般包括框、肋等，合金钢零件一般包括接头等。1.2典型零件工艺特点。（1）整体壁板类零件。整体壁板材料一般为铝合金，结构重量较轻，具备较好的整体油箱密封性，减少了零件和连接件的数量，简化了协调关系，但材料利用率低，在加工切削中容易产生变形。如机翼壁板通常为展开后加工，零件需经加工多个基准面、多次装夹加工才能完成数控加工。该类零件优先选用专用数控壁板铣床加工，可以获得较高的工作效率和最佳的产品质量。（2）框类零件。框类零件是机身横向结构的主要承力件，同时又是形成和保持机身径向外形的主要结构件。机身框一般是由多个框类零件组成的组合框，但也有少数是整体框。材料多选用铝合金，少数选用合金结构钢。框类零件加工以铣削为主，占全部工作量的70%左右。适合采用三坐标高速铣床进行大余量粗铣，由五坐标高速铣进行精加工，保证零件外形要求和加工精度。（3）接头类零件。接头类零件属于典型钛合金零件，具有结构复杂、工艺流程长、加工周期长等特点，材料强度较高。且该类零件常带有正反面深槽腔、高缘板外形、深度尺寸较大的叉耳等结构特征，材料去除率在90%以上。适宜采用三坐标高速铣能高效率的去除大部分加工余量，由五坐标高速铣进行精加工。

2结构件加工设备选择分析

2.1国内外主要设备制造商。国外结构件加工设备制造商主要有法国Fives、美国Ingersoll、瑞士Starrag、意大利FTP、意大利JOBS、德国DMG等，在加工铝合金、钛合金及复合材料结构件等方面均有较成熟的产品系，如美国Ingersoll的PowerMill系列（铝合金零件高速加工）、瑞士Starrag的ECOFORCETi系列（钛合金专用加工设备）等。国内结构件加工设备制造商主要有航空625所、北一机床厂、大连机床厂、济南二机床厂等。目前在关键加工设备国产替代与自主可控的浪潮中，国内设备制造商正在全力奋进，在不断提高自身制造技术与产品谱系的基础上，不同程度地寻求纵深化合作，设备可靠性、稳定性、整体质量等与进口设备间的差距正在逐渐缩小。另外，随着数控加工技术的发展，将多台同规格数控机床联合可交换工作台组成柔性生产线从而提高零件加工效率的做法，受到了越来越多的推广和应用。目前，美国Ingersoll、德国DST（被法国Fives收购）、德国科堡等厂家均具有较成熟的柔性生产线技术，且已应用于机械制造领域。2.2设备选择流程。加工设备的选择是一个多目标、多方案的决策问题，其需要建立在对所需机床的加工性能分析基础之上。比如对于一种给定的钛合金零部件，究竟什么种类或者什么水平的加工中心才是正确的选择。在分析过程中，首先应该考虑理想的切削深度、进给速率、切削速率以及一些材料系数等输入数据，然后计算出每一次加工所需的功率和扭矩，以及每次钻削过程的推力。获得机床相关关键参数后，结合设备库实例或设备厂家系列产品型号，通过参数拟合优化推理得出合理化的设备选择。2.3关键参数分析。对于典型铝合金结构件加工，其最重要的机床加工参数（除主轴行程外）是主轴的转速和驱动功率。对于钛合金结构件加工而言，最重要的参数则为主轴扭矩及冷却液沿着钻削操作推力方向的传输量。（1）主轴转速。在铣削加工时，背吃刀量和切削宽度对刀具磨损的影响较切削速率和进给速率要小[3]，切削速率对加工效率的影响较进给速率要小。而且切削速率、进给率与主轴转速正相关。由于不同的加工工序和设备及零件材料、刀具材料、加工工艺的多样性，对应的切削速率范围也不同，因而很难就高速切削的速度范围给定一个确定数值。但高速加工必须具备高的主轴转速、高的进给速率、快速空行程、迅速加速和及时准停的性质。从加工工艺的角度看，HSM（高速加工）的速度值区间为：车削：700～7000m/min，铣削300～6000m/min，钻削200～1100m/min等，而且处于稳步提升趋势。对于典型航空铝合金结构件加工，如壁板类、梁类、框类等零件，零件尺寸较大，材料去除率高达90%～95%。这就要求设备的持续加工时间要长，加工效率要高。根据金属去除率计算可知，加工效率与切削速率正相关，这就要求设备主轴转速要高。由此可见，主轴转速对于铝合金结构的加工效率有着重要影响。根据高速铣削动平衡规定，主轴转速至少要达到8000rpm以上。结合设备实施案例，大中型铝合金结构件高速加工中心设备主轴最大转速在30000rpm左右，高速铣削的主轴转速一般在15000～40000rpm。（2）主轴功率和主轴扭矩。目前加工设备多采用的标准型普通变频电机，设备仅能在S1工作制下工作，不允许超载使用，因此在设备选择中需要引起注意。根据功率、扭矩、转速图可知，机床主轴扭矩和功率均存在拐点，即在恒扭矩阶段，随着机床主轴转速的提高，主轴功率随之增大；功率达到峰值后，趋于稳定，进入恒功率阶段，此时随着机床主轴转速的提高，主轴扭矩随之递减。在飞机典型结构件数控加工设备选择过程中，目标机床的主轴功率和主轴扭矩可通过预先设定的系列输入参数和计算公式得出，输入参数主要有材料类型、刀具直径、齿数、每齿进给、切削深度、切削宽度等。该计算过程可在对零件加工特性的分析基础上结合集成计算器（参考WalterMachiningCalculator）实现。另外，机床主轴扭矩、主轴功率与转速可粗略的依据公式=npT/9550进行核算。（3）工作台尺寸、行程与精度。工作台尺寸、行程与精度是设备选择的关键参数，也是基本参数。工作台尺寸关系毛坯能够正常合理有效装夹，行程主要考虑的是主轴加工范围，精度属于质量要求，是前提条件。以上参数在设备选择过程中的重要性不言而喻。设备工作台尺寸与主轴行程主要根据待加工零件的尺寸、装夹空间、加工特征等确定，同时可根据设备货架规格来修正。机床精度通常根据零件加工精度要求来确定，如机床定位精度一般要求为零件典型特征定位精度的1/3～1/4。2.4选择原则分析。第一阶段为设备粗选择，主要通过对结构件加工性能分析，计算出对应加工设备关键参数，根据关键参数值与设备库实例进行初次匹配分析，得出若干个合理化的设备选项；鉴于影响选择的因素较多，同时需要体现关键参数的重要作用，以便做出优化选择，在第二阶段（细选择）本文提出一种基于权重-最小方差和的计算方式，对合理化的设备选项进行排序，方差和最小的即为最优设备参考选择。不同材料的结构件在第二阶段选择时，为体现设备的加工特点，各选择参数权重会有差异。第一阶段的粗选择比较容易操作，在此不作赘述。下面主要介绍第二阶段细选择基于权重-最小方差和的计算方法。参数权重。参数权重设置模型如表1所示。表1中参数层表示设备选择涉及主要参数，如台面尺寸、主轴行程、主轴转速、主轴功率、主轴扭矩、定位精度等；参数权重列表示所选参数在指定材料加工设备选择中的重要程度，不同材料加工设备同一参数权重值可能不一致，但该列权重值和定义为1，即（1)21∑=+++nPPP；子参数层是参数层的细分，如参数层主轴行程，子参数层则分为X/Y/Z轴行程；子参数权重表示各子参数在参数层内的相对重要程度，如参数层主轴行程，子参数层X/Y/Z轴行程在不同的加工对象时（如框类与缘条类）权重也会不同，但同一参数下子参数权重和为1；总权重表示各子参数在整个参数列下的重要程度，每一个子参数总权重值为参数权重值与子参数权重值的乘积。对于典型铝合金结构件加工，其最重要的机床加工参数（除主轴行程外）是主轴的转速和驱动功率。按照上表中设置模型给出某铝合金结构件加工设备参数权重值，如表2所示。（2）权重-最小方差和。在细选择阶段，主要目的是根据已获取的设备参数需求，通过量化的计算方式优选出相对合适的设备实例或者对多个合理可行方案进行排序。根据方差是衡量源数据和期望值相差的度量值的数学意义，这里引入方差和的概念来研究设备实例与设备实际需求之间的偏离程度，参数方差和越小，偏离程度越低，与实际需求越接近，根据最小方差和的计算达到排序或优选的目的。权重-最小方差和计算元模型如下：式中，{}jAAAA，，21=表示一组设备参数需求值；表示第i个设备实例；{}jjPPPP，，21=表示设备各参数对应权重值；j表示参数个数；i表示设备实例个数；D表示权重-方差和。考虑到实际各参数的取值、差值与数量级均存在较大差异，上述模型中直接求取方差和不能够准确反映偏离程度，这里对差值平方和按比率差平方和进行修正（类归一化），修正后权重-最小方差和计算模型如下：为便于实际操作，可将上述计算模型集成在工作表中，通过关键参数的输入自动计算方案D值。

3结语

鉴于产品制造工艺与设备研究的重要性，本文主要以飞机典型结构件为研究对象，对典型零件工艺特点及设备关键参数进行了分析与总结，针对性地提出了两阶段选择流程及基于权重-最小方差和的设备细选择基础模型。希望文章的研究能够为企业生产线规划中的设备精细化选择提供理论方面的帮助，充分发挥企业固定资产高效与精准投资作用。

参考文献：

[1]林晓峰.机械制造工艺与设备应用探究[J].中国设备工程，2020，（02）上：92-93.

[2]李聪波，崔龙国，刘飞，李丽.面向高效低碳的数控加工参数多目标优化模型[J].机械工程学报，2013，（09）：87-96.

[3]王宇，汪永超，牛印宝，赵建平.基于模糊层次分析法的数控机床设备优化选择[J].组合机床与自动化加工技术，2014，（11）：133-136.

作者:池力 杨杰 单位:中国航空规划设计研究总院有限公司