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航空结构件加工的新一代数控机床

——解读Ecospeed领悟机床设计之
2012-07-06  来源:金属加工在线  

  数控机床是现代制造业的关键设备,一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表着这个国家的制造业水平和竞争力。到目前为止,我国数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距,技术含量较低的简易数控车床仍占主导地位,高档数控机床及功能部件大多数依靠进口。

  因此,尽管当前市场活跃、需求旺盛,如果不了解国外数控机床的发展趋势,不断提高自主开发能力,积极培育新产品,那么就不能满足国民经济可持续发展的要求。航空工业是拉动数控技术发展的产业,许多新技术的出现都与航空工业的需求相关。研究加工飞机结构件的新型数控机床对发展我国数控机床产业具有重大意义。

  飞机结构件的特征和加工要求

  飞机结构件的加工是飞机制造工程的主要组成部分。过去,飞机的大型结构件往往是由许多零件装配而成的。近年来,飞机结构件的整体设计原理越来越获得了重视。整体设计的基本概念是,从一块整体毛坯上将金属切除,从而获得性能优越的整体结构件。它的优点不仅是缩短了加工装配周期和物流链,同时也减轻了结构件的重量,这对现代化客机和战机都是非常重要的。

  飞机结构件包括机身、机翼、隔板和肋条等,大多数是薄板类零件,上面有众多形状复杂的孔、空穴、沟槽和加强筋,如图1所示。其材料主要是高强度铝合金,毛坯是60~300mm厚的铝板或铝锭,长度1~30m。

  整体结构件加工的共同点是毛坯的金属切除率在80%以上,对新式战机甚至高达95%。由于在飞机结构件设计中广泛采用三维CAD和有限元分析,其结构得到不断优化,材料性能获得充分利用,从而在提高结构件强度的同时,有可能明显降低它的重量。这必然导致结构形状复杂化,空穴多、壁厚薄,必须使用5轴联动的数控机床才能加工。

  进一步对现代飞机结构件的加工工艺分析后,对新一代数控机床大体提出以下几点要求:
  (1)机床的加工效率高,金属切除量大,主轴能够提供足够的功率,进行高速铣削。
  (2)机床的精度和可靠性高,性能稳定,能够保证加工质量,而不依靠加工后的检验工序。
  (3)工序集约化,在一台机床上尽可能加工完毕所有工序,刀库容量在100把刀具以上。
  (4)工件装卸方便,运行成本低,环境污染少,人机界面友好,可远距离操作和监控。

  传统数控加工的局限性

  20世纪80年代以来,已经采用大型龙门式5轴联动数控铣床加工飞机结构件。龙门式机床的工作台、横梁和主轴部件实现X、Y、Z轴的移动,再加上摆叉式或万能式主轴头,实现A轴/C轴或A轴/B轴的2个回转运动,构成5轴联动数控机床。采用龙门式数控机床加工飞机结构件的运作情况如图2所示。

飞机结构件在龙门式数控铣床上加工

  摆叉式或万能式主轴头的优点是主轴的偏转角度较大,可以实现矩形零件的5面加工。但是,尽管主轴头在单个轴线上可以达到很高的回转速度和加速度。但刀具空间定向速度仍然较低,因为主轴头的两个回转运动是串联的,不能完全同时回转,对机床X、Y、Z轴线的补偿运动也不能及时反映。这种机构运动学上的先天缺陷,使龙门式数控机床不完全适合用于加工飞机结构件,或者说,加工效率不够理想。

  此外,无论摆叉式主轴头,或者是万能式主轴头,主轴头内部都有3个电动机。每个电要连接供电、冷却、润滑和位置检测等电缆或管道,相互之间还有位置转动,连接和密封结构非常复杂。加上主轴电动机内部还需要配置刀具夹紧装置,导致主轴头尾部各种电缆和管道多达数十根,维护极其不便,如图3所示。

摆叉式主轴头的结构示意图

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