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機械加工

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國外航空零件數控加工技術

在發達國家,航空零件的制造加工過程普遍實現了高度專業化、信息化和自動化,不需要人工干預,裝夾定位過程簡單快捷,加工效率高(如圖2為空客帶自動托盤交換的臥式加工中心加工的大型梁類零件),這些特性主要體現在以下方面:高度專業化的生產資源配置和布局;普遍應用高速無人干預加工技術;普遍應用大功率高效切削,主軸功率使用率在70%以上;普遍實現快速裝夾、托盤交換等不間斷加工過程,減少空機時間;生產資源集成化信息管理程度高;配套設施完備:包括主軸測頭、集中刀庫、安全防護、鋁屑處理系統等;采用自動測刀,芯片讀寫的方式進行刀具參數、刀具壽命管理。
航空零件數控加工技術發展探索
1以產品特征成組劃分為基礎,形成專業化的精益生產線
目前,在航空零件的大規模研制中往往面臨較大的被動局面,無法形成具有極大競爭力的核心技術優勢,其根本原因就在于原有的相對落后的生產資源配置和布局已經無法滿足當前研制需要,尤其是國家大飛機項目的啟動在給我們帶來極大機遇的同時也對現有的生產能力和制造技術水平敲響了警鐘。
首先,要確立零件族的概念,應用成組技術建立典型零件族。其次,在確立典型零件族的基礎上,分類建立標準化的典型零件族工藝流程。
最后,在標準化的典型零件族工藝流程的基礎上形成專業化、集成化的生產資源配置和布局,并最終形成各類典型航空零件的精益生產線。特別是于大型結構件,建立專業化的典型零件生產單元對于提高其加工技術水平、降低成本尤為重要。
2以裝夾快捷化為目標,形成高效可靠的裝夾技術

對高速加工的數控設備來說,正確設計夾具、縮短夾具生產準備周期,實現零件在數控機床上的快速裝夾定位非常重要,能大大提高有效切削時間比例,保證加工質量,從而達到提高數控加工效率的最終目的。在傳統夾具體上,采用機械定位、人工夾緊和拆卸通常要花費大量的時間和人力,而高速加工大型工件時,采用半自動化或全自動化裝夾技術是非常有經濟價值的,液壓定位和夾緊非常有效。
液壓夾具的主要優勢是節省夾緊和松卸工件時所花的大量時間,有關統計資料表明液壓夾緊相比機械夾緊節省約90%的時間,縮小了生產循環周期,降低了成本。另一個明顯的優勢在于夾緊力在定位和夾緊過程中保持恒定不變,從而確保了同一道工序下加工質量的一致性。
柔性夾具系統也是一種新型的替代傳統夾具的裝夾系統。目前先進的柔性夾具系統都具有自適應能力,針對產品變化實現自動化調整,從而適應了產品變化較大時的情況(如圖3所示的空客-MELT全自動柔性裝夾系統及生產線)。
3從常規切削向高速切削過渡,逐步實現無人干預高速加工

現代飛機的高性能要求其結構具有輕量化、薄壁化和整體化的特點,零件須實現較高的精度和表面質量,傳統的低速加工方法已經難以滿足現代航空制造的需要。大量的型號研制應用證明,高速切削加工技術具有極大的優越性,不僅加工效率大大提高,零件的加工質量也得到提高。

國內目前在高速加工應用方面和國外存在著較大的差距,主要表現在20000R/MIN~40000R/MIN的大型高速銑削設備數量少,配套設備缺乏,技術經驗匱乏,嚴重制約了國內整體數控技術水平,未來無論在硬件環境的建設,還是應用技術的研究方面都需要投入大量精力。

4實現刀具資源的信息化管理及優化配置

隨著產品任務量的加大、設備的增加,用于機械加工的刀具需求量也越來越大,品種也越來越多。但長期以來,刀具管理模式主要采用人工管理模式,刀具管理制度不健全,刀具庫房不規范,在刀具的集中配置方面不完善,嚴重影響了刀具管理水平,增加了數控加工的準備時間,制約了數控加工的效率和加工能力的進一步提高。隨著數控加工和刀具技術的高速發展,面對高效生產的挑戰和不斷降低制造成本的壓力,刀具的管理成為各制造企業日益關注的熱點。

文建立自動化、信息化的刀具管理存儲環境是解決目前刀具應用管理落后、低效現狀的有效途徑?梢酝ㄟ^植入芯片進行刀具的全生命周期管理,從而合理地應用刀具資源。

5深化仿真技術應用研究,推動數字化制造體系的建立

隨著計算機技術的發展,數控加工仿真技術也得到了迅速的發展,尤其在航空、航天、國防及其他大規模復雜系統的研制開發過程中,數控加工仿真在減少損失、節約經費、縮短開發周期、提高產品質量等方面發揮了巨大作用。

基于VERICUT軟件構建的數控加工仿真環境實現了數控編程的虛擬制造,比刀位文件仿真更真實、直觀,極大地提高了數控編程的效率和質量。

文仿真加工技術目前已經成為數控加工研制過程中必不可少的環節。尤其對于飛機大型復雜結構件來說,其材料昂貴、結構復雜、大量采用高速切削,相關設備極為昂貴。確保加工過程中刀具軌跡、切削參數的正確性、合理性,杜絕過大余量切削、碰撞干涉、超程等意外錯誤至關重要。因此,建立準確、完整的仿真加工環境是必要的。

6突破典型大件變形控制關鍵技術

對于飛機結構件的數控加工來說,由于產品類型多樣,結構復雜,加工條件各異,因此,零件的數控加工變形是數控加工中最難確定的因素,加工變形控制仍然是困擾數控加工的主要難題之一。

(1)數控加工變形控制的一般方法。

A。應力釋放原理。充分釋放內應力是減小加工變形的有效手段。通過有限元模擬的狀態證明,當零件材料沿某一個方向出現不連續狀態時,則沿此方向的內應力將無法傳遞,在此斷裂界面上沿此方向的內應力為零。如圖5所示是一種典型飛機結構件內應力釋放示例。

B。應力平衡原理。內應力不可能消除,只能盡量減小,或者使內應力盡可能處于平衡狀態,平衡的內應力使零件處于“動態”的穩定狀態,達到控制變形的目的。

C。余量補償原理。在加工過程中,如果已經出現了明顯的變形,則可以通過余量補償的形式減小變形;谶@個原理控制變形的措施有:基準面、基準孔的重新修正,預留適當的精加工余量等措施。

D。減少應力的產生。除了材料固有的內應力外,加工過程也會產生應力,造成加工變形,因此,盡可能減少加工中產生的應力,也是主要控制變形措施之一。例如,高速加工能大大減少加工表面應力的產生;提高冷卻效果也能大大減少加工表面應力的產生。

(2)基于有限元仿真的數控加工變形模擬技術:

對于零件數控加工變形控制的研究,目前國內外仍然缺乏十分有效的研究手段,在實際生產中主要憑借技術經驗的積累及反復試驗為基礎來設計數控加工工藝過程,存在很大的不確定性因素和研制風險。

有限元模擬切削分析技術,是研究數控加工變形的有效技術之一。有限元仿真加工變形模擬技術使得在加工之前可利用數值仿真技術模擬加工過程,對加工過程進行分析,確定各種參數對零件變形的影響,預測復雜零件在加工過程中的變形、破裂情況,給設計和工藝技術人員提供進行設計和工藝分析的依據。

7推動切削參數優化技術的應用,實現切削參數的標準化應用

合理的切削參數是數控加工實現高速高效加工的前提,也是實現高速無人干預加工過程的必要條件。目前,基本的切削優化技術主要有:基于動力學仿真的切削優化技術、基于優銑技術的切削參數優化和基于幾何仿真切削的優化技術,分別有各自的應用優勢和特點。

(1)基于動力學仿真的切削優化技術。

基于動力學仿真的切削優化是以切削加工系統物理特征為基礎的仿真切削優化技術;驹硎峭ㄟ^對機床加工系統進行動力特性測試和分析,得到其固有頻率、阻尼比、模態剛度等參數,然后采用切削加工動力學仿真系統進行顫振穩定域仿真,得到顫振穩定域仿真曲線;最后根據顫振穩定域仿真曲線,結合被加工工件特征選擇合理的切削參數(如圖所示)。

(2)基于優銑技術(OPTIMILL)的切削參數優化。

優銑技術是一種采用自適應控制技術的應用系統。通過實時監測每個機床主軸上的負載/功率,以最優進給速率的計算以及用計算所得的最優進給速率對切削過程進行實時控制。優銑技術需要對每項零件多次進行切削優化,得到的優化結果只對該零件有效。

(3)基于幾何仿真切削的優化技術。

基于幾何仿真的切削優化是針對切削過程中切削條件和待切削材料量的實時變化自動調整進給率的優化措施,它能夠在一定程度上提高加工效率,改善切削過程。其基本原理是,以刀具實時材料去除率和刀具前進方向為優化基礎,切削大量材料時,刀具進給率降低;切削少量材料時,進給率相應地提高,保持機床負載的相對均衡和切削穩定。

這3種優化技術在實際應用中都具有各自的特點和優勢,但也各有一定的局限性,將其結合起來則能夠達到較好的效果。同時,在此基礎上通過建立典型切削參數庫,能夠實現同類零件切削的參數標準化。


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