航空大型复杂结构件高效加工工艺应用试验研究

沈阳机床（集团）设计研究院有限公司 仇 健 刘春时

航空大型复杂结构件高效加工工艺应用试验研究

沈阳机床（集团）设计研究院有限公司 仇 健 刘春时

一、概述

国家科技重大专项课题“航空大型复杂结构件高效加工工艺应用试验研究”，主要研究大型复杂飞机结构件多轴联动数控加工高效加工工艺及优化技术、基于三维模型的快速工艺规划及数控编程技术、数控程序质量控制技术、数控加工快速检测技术、多轴联动数控加工误差补偿及控制技术、切削参数优化及切削参数数据库构建技术，以及多轴联动数控机床改进等内容。

课题针对国产高档数控机床的现状，结合飞机结构件工艺特点，解决国产高档数控机床在生产使用过程中存在的实际问题，分别从国产机床针对航空结构件高效加工的功能完善、加工精度、机床故障率、工件加工质量和加工效率，以及应用国产机床改进航空结构件制造工艺等两个主要方面开展研究，并推进国产高档数控机床在航空航天领域的广泛应用，促进国产数控机床设计制造水平的快速提升。

课题多项技术成果处于同行业技术领域的应用前沿，代表国内同类研究领先水平，并在航空领域高端用户得到成功应用。数控机床切削性能和能力检测技术已形成了技术规范，可作为航空制造机床的检测和评价依据，促进国产高档数控机床的研发水平提升。应用国产多轴联动机床实现数控程序的高效编程和程序质量控制，以及加工精度的快速检测，能够大幅提高机床的应用效率。S型试件加工和精度检测技术已由项目合作单位成飞公司申请了国际标准，其关键技术已由项目组掌握。国产机床切削状态检测技术集成了同步采集和分析方法，通过机床内置传感器可实时记录机床的运行信号，实现加工设备的运行状态监测。虚拟控制器仿真（VNCK）技术，真正实现了CAM系统和CNC系统的有效集成，达到世界先进水平。

二、关键技术及工艺特点

1.航空大型复杂结构件多轴联动数控加工高效加工工艺及优化研究

开展飞机结构件加工工艺研究，对典型过程和加工特征分类，形成飞机结构件分类规范、快速定位装夹规范、设备优选原则、刀具及切削参数优化、典型航空结构件高效加工工艺方案和应用验证报告等（见图1），为国产多轴机床的高效应用奠定工艺基础。基于MBD的高效程编技术，研究加工特征定义，突破加工特征识别技术，开发基于特征的智能编程平台，在编程数据库的支持下实现高质量的五轴加工刀轨的快速自动生成，从而大幅提高编程效率，并达到编程质量不再依赖个人经验的目的。开展多轴联动通用后置处理技术研究，在成飞已有的五轴联动通用后置处理平台的基础上，针对国产五轴机床精度和加减速控制方面的问题，定制特殊的带头带尾，以较好匹配国产机床的动态响应特性，最大限度地发挥机床效率及提高加工质量。

图1 多轴联动数控加工高效加工工艺及优化

2.基于特征的工艺设计和高效工艺编程技术研究

结合数控工艺设计对特征和知识的要求，建立支持大型航空复杂结构件基于特征和知识的高效数控编程原型软件模型。软件模块包括零件特征和工艺知识管理、制造特征信息提取与识别、特征数控工艺决策和特征操作自动生成四个模块（见图2）。

图2 零件特征和工艺知识提取与识别

建立了对数控加工参数即数控刀具等制造资源的管理模块，可实现对工艺数据和资源数据的添加、删除和修改等功能（见图3）。

图3 刀具等制造资源的管理

3.飞机结构件数控程序质量控制技术研究

开展几何仿真与物理仿真方面的应用研究（见图 4），建立加工过程仿真技术规范，从而在程序下放现场前进行程序预警和优化，保证国产多轴数控机床得到合理、有效的应用，避免由于工艺编程缺陷导致的设备、零件故障。

图4 几何仿真与物理仿真相结合的应用研究

进行飞机结构件数控程序快速编制。相对于手工编程，程序编制的效率高，程序重复性好，易于形成标准模式；切削参数修改方便，设置较细致；能够建立机床－刀具切削参数库；转角处理程序作为必选功能提高了零件加工效率，如图 5所示。

图5 数控程序快速编制

4.飞机结构件数控加工快速检测误差控制

依据零件三维模型，基于不同的类型结构，对不同特征进行识别检测，建立测量坐标系，构建不同结构特征的检测要求及标准，自动生成不同类型零件所需要进行测量的部位及测量的点位数据，同时对测点的顺序及路径进行规划，生成最终的测量程序，提高测量的效率，如图6所示。

图6 飞机结构件数控加工快速检测误差控制

5.多轴联动数控加工误差补偿及控制技术研究

开展国内外机床对比性能研究，完成6台4类国内外机床精度、性能测试对比试验；形成国内外机床性能对比分析报告。对飞机结构件多轴加工进行误差源分析，掌握多轴联动机床运动误差、热误差分析与补偿技术、加工变形，以及表面完整性。对国产典型结构数控机床切削性能进行测试和评价，分别开展了国内外机床针对典型铝合金材料的切削性能试验，建立机床切削性能测试和评价规范，并且多数内容课题研究期间进行试验验证。

图7 多轴联动数控加工误差分析

6.基于多轴联动工艺系统的飞机结构件数控加工切削参数优化及切削参数数据库构建技术研究

通过开展切削参数优化研究，相比工艺人员根据自己的经验来选择切削参数，切削参数优化后的工艺参数可以充分发挥机床的加工效率,特别是高速机床，同时，切削参数搭配较合理，在获得足够切削用量的前提下，提高数控加工效率、减小废品率、降低加工成本，如图8所示。将切削试验获得的数据处理后编制数据手册，包括有机床信息、刀具信息、工件信息、工艺信息以及动力学信息等，如图 9所示。

图8 飞机结构件数控加工切削参数优化

图9 切削参数数据库构建

7.面向大型复杂飞机结构件加工的多轴联动机床改进方案研究

开展国产多轴联动机床功能应用和设备维护。建立国产多轴联动机床功能应用技术规范，跟踪提供给航空制造企业的国产多轴联动数控机床应用状况，提出维护方案；提出国产多轴联动数控机床性能改进方案，尤其在国产机床精度、刚度等方面。图 10为某些国产立式五轴加工中心结构改进实例。

图10 国产多轴联动机床结构改进

三、主要创新点

1.国产数控机床切削性能和能力检测评估方法

提出一种通过铣削颤振理论检测机床切削能力的测试试件。试件可用来测试机床不发生颤振的切深范围、转速范围。结合颤振理论，采用加工时在工件切削方向安装加速度传感器测试机床发生颤振时的振动状况，应用表面粗糙度仪或轮廓仪测试加工表面轮廓在相应颤振时的刀具、工件频率，进而识别出发生颤振时影响加工纹理分布的频率分布。另外，由切深-转速组合试验可在不借助外部设备时获得机床颤振稳定域曲线。由上述方法，综合评定机床适合切削的最大切削能力范围。

提出一种用于数控铣床加工热误差的检测试件和检测方法，通过机床的连续运转，间隔固定时间精加工小孔，同时应用温度传感器实时采集和记录温度变化信息，依据不同机床形式和热稳定时间确定加工孔数量。最后，将实际加工获得的零件进行检测，检测内容包括孔径尺寸、孔中心距X和Y轴向基准距离、孔深、孔底面粗糙度等，在有条件的场合还可同时记录加工孔时的切削力信号，进而结合加工状况进行加工热误差研究。

2.机床切削状态同步监测和评估

数控机床切削状态检测包括振动、温度、电流和切削力等多个物理量的采集和分析，实现各个状态量的同步采集是准确分析和评估机床切削性能的前提和难点。传感器的选择和优化布置是机床状态监控技术的关键技术，包括转速传感器、噪声传感器、振动加速度传感器、电流传感器和温度传感器。其中，转速传感器用来检测主轴转速变化；噪声传感器检测加工时的噪声信息；振动加速度传感器测量关键部位和关键结合面位置的振动状态量；温度传感器测量主要热源和关键部位的温度变化量；电流传感器监控各轴电机的电流变化趋势，如图 11a所示。

建立采集系统不同通道数据的软件同步和硬件同步数据采集系统，可实现上述信号的同步采集，包括瞬变信号硬件同步采集和缓变信号软件同步采集。对采集信号的分析可以评价机床的切削性能、当前状态以及发展趋势等信息。具体可采用相关性分析、对比分析和统计分析等方法。涉及到的关键技术包括传感器的选择和优化布置是机床状态监控技术的关键技术、多传感器数据融合技术、关键部件的故障机理及信号获取技术、故障诊断与预警关键技术，以及状态监控平台分析和搭建技术等。运用多传感器数据融合技术在解决探测、跟踪和目标识别等问题方面，增强状态监控系统生存能力，解决多传感器、多数据源信息的处理方式等问题，增强数据的可信度，并提高精度，扩展整个系统的时间、空间覆盖率，增加系统的实时性和信息利用率等。根据对整个平台的分析，搭建一个基于WaveBook516E网络数采硬件体系的多传感器、多状态量、多数据源的数控机床状态监控平台，系统功能模块包括：可定制的多功能数控机床状态监控系统、内置多种实时分析功能、监控信息、采样数据和分析结果存储、硬件初始化、网络/数据库初始化、机床监控信息加载、实时监控、数据显示及分析等，如图 11b所示。

图11 国产机床加工状态监控

3.国产数控机床高效编程及虚拟控制器仿真加工应用

虚拟控制器仿真（VNCK – Virtual NC Controller Kernel）技术。通过在计算机内安装控制系统内核软件，将与实际控制系统完全相同的虚拟NC控制器植入仿真系统及CAM系统与虚拟NC控制系统的通信，实现控制系统驱动的加工仿真。由于控制系统驱动的仿真是针对配备Siemens840D控制系统的特定机床，并将该机床控制系统的所有初始化设定导入至驱动该机床仿真的虚拟NC控制内核内，因此能够实现与真实加工完全相同的精确加工仿真：包括加工时间的精确预估，如非切削运动，各程循环及子程序，各种PLM运动的时间估算等。并可基于精确时间的模拟来进行加工计划的调整及成本核算等。另外，由于具备整个控制系统内核软件，因此能够识别所有控制系统语言和实现控制系统各种高级功能的仿真，如图 12所示。VNCK仿真技术，是目前该行业里最先进的仿真技术。不但实现了完全NC代码的仿真，而且使用了目前先进的VNCK虚拟控制器仿真技术，实现CAM系统与CNC系统的集成，仿真界面与真实机床HMI界面完全一致，在PC机上像操作实际机床一样进行虚拟机床的操作和仿真。而且能精确地模拟加减速控制，仿真加工时间非常精确，可以做到分秒不差。通过使用该项技术可以完成准确的一次性制造，提高设备利用率，缩短生产周期，达到质量预期，并为零件加工最终用户带来效益。

图12 虚拟控制器仿真平台构建

4.航空结构件工艺优化和国产数控机床应用效率提升

研究典型航空复杂结构件高效数控加工工艺过程，形成典型航空结构件高效加工工艺方案并得到应用验证。航空复杂结构数控加工工艺主要包括航空复杂结构定位装夹方法、刀具选型及应用、典型加工工艺方案等多个方面。课题组根据中航工业成飞及整个航空复杂结构加工行业现有基础和典型航空复杂结构特点，以及国产多轴联动数控机床特点，进行国产多轴联动加工工艺研究、零件快速装夹定位技术研究，目前这些技术都已经应用在航空复杂结构加工过程中，在中航工业成飞的多个国家重要机型飞机研制过程中发挥了重要作用。

通过国产数控机床和进口机床的对比切削试验，总结国产多轴联动数控机床在航空复杂结构件加工中存在的问题，提出国产多轴联动数控机床的改进方案，提高了国产机床可靠性，提升了国产数控机床应用效率。同时为国产多轴联动机床的后续开发提供宝贵经验，促进国产高档数控机床的研发水平和产业化水平的提高。

四、成果应用及推广情况

课题针对大型航空复杂结构件高效加工工艺进行了系列研究，研发了多项具有实际意义的研究成果，并对其中某些成果进行了产业化：开发的基于三维特征自动识别技术的编程系统及加工编程数据库成功应用于沈阳飞机工业(集团)有限公司和成都飞机工业（集团）有限责任公司的编程系统中；建立的基于VNCK的国产五轴联动数控加工工艺系统三维仿真模型，初步实现了物理仿真与几何仿真相结合的多轴联动加工过程仿真，在沈阳机床（集团）有限公司和成都飞机工业（集团）有限责任公司得到应用；在工艺技术研究方面，建立了五轴联动机床加工工艺参数数据库，成功应用在钛合金、铝合金等材料的典型飞机结构零件的加工中，平均缩短加工工艺周期20%以上，使国产机床在加工效率、加工精度和质量以及工艺稳定性等方面达到同类进口机床水平。

建立的物理仿真与几何仿真相结合的三维仿真技术规范，能够实现全三维仿真，可有效防止碰撞，规范仿真质量控制模式；应用物理仿真与几何仿真相结合的三维仿真技术及规范，能降低零件超差报废损失率20%，减少机床碰撞率50%。该技术可在数控加工行业进行大范围推广，经济效益目前无法估量。

提出的国产多轴联动数控机床改进设计方案，在收集和分析问题国产机床应用上的各种问题基础上，对机床设计性能与实际性能进行对比分析和评价；对比进口典型多轴联动数控机床与国产同类型机床性能，掌握国产数控机床与进口设备的真实差距，为有针对性的改进和优化国产设备提供依据，有利于明确国产多轴联动数控机床性能改进方向，量化改进目标，可大幅缩短国产多轴联动数控机床的研发、试制、优化改进周期。在国产数控机床性能优化方面，针对航空结构件制造特点，结合飞机制造企业需求和国产数控机床应用情况反馈，有针对性地优化国产数控机床几何精度、运动精度和加工精度等指标，在机床稳定性、结构性能等方面进行改进，并提出国产数控机床应用维护方案，使国产数控机床综合性能达到进口同类产品水平。 □