導(dǎo)語：航空裝備數(shù)控加工設(shè)備建模分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：數(shù)控加工設(shè)備是制造工藝實(shí)物化的主體，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)加工設(shè)備合理化選擇分析與研究，優(yōu)選合適機(jī)床設(shè)備，助力航空裝備或零部件快速迭代。本文主要以飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件為對(duì)象，總結(jié)典型結(jié)構(gòu)件加工設(shè)備選擇流程，針對(duì)性地提出了基于權(quán)重-最小方差和的設(shè)備細(xì)選擇基礎(chǔ)模型，期望對(duì)生產(chǎn)線規(guī)劃中零件加工設(shè)備選擇提供一定的理論依據(jù)與實(shí)際應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件；數(shù)控加工設(shè)備；設(shè)備

選擇飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件的加工屬于高精加工范疇，其加工能力也代表著航空先進(jìn)制造能力和水平。數(shù)控加工設(shè)備是高度機(jī)電軟一體化產(chǎn)品，是一類價(jià)格昂貴的精密設(shè)備。隨著我國航空工業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)的持續(xù)發(fā)展及航空裝備代次更新，飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工設(shè)備也朝著高精度、高剛性、高速、大扭矩、智能化等方向發(fā)展。設(shè)備種類與結(jié)構(gòu)形式由傳統(tǒng)銑床、龍門銑床逐漸向臥式翻板銑、高精加工中心等轉(zhuǎn)變。為保證特定材料或特定產(chǎn)品的專屬加工能力，加工設(shè)備也呈現(xiàn)專業(yè)化發(fā)展趨勢。對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件某一加工特征而言，往往能夠由不同的加工設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，且機(jī)床設(shè)備與零件加工工藝、加工精度、加工效率等有很大影響。另外，企業(yè)想要進(jìn)一步提升機(jī)械制造的整體水平，也需不斷強(qiáng)化對(duì)制造工藝與設(shè)備的研究。因此，如何合理的選擇數(shù)控加工設(shè)備具有重要研究意義。

1飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件加工特點(diǎn)

1.1零件分類。按材料屬性分類，飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件零件分為鋁合金結(jié)構(gòu)件、鈦合金結(jié)構(gòu)件、合金鋼零件。按結(jié)構(gòu)特征分類，鋁合金零件一般包括框、梁、壁板、長桁、隔板等，鈦合金零件一般包括框、肋等，合金鋼零件一般包括接頭等。1.2典型零件工藝特點(diǎn)。（1）整體壁板類零件。整體壁板材料一般為鋁合金，結(jié)構(gòu)重量較輕，具備較好的整體油箱密封性，減少了零件和連接件的數(shù)量，簡化了協(xié)調(diào)關(guān)系，但材料利用率低，在加工切削中容易產(chǎn)生變形。如機(jī)翼壁板通常為展開后加工，零件需經(jīng)加工多個(gè)基準(zhǔn)面、多次裝夾加工才能完成數(shù)控加工。該類零件優(yōu)先選用專用數(shù)控壁板銑床加工，可以獲得較高的工作效率和最佳的產(chǎn)品質(zhì)量。（2）框類零件?？蝾惲慵菣C(jī)身橫向結(jié)構(gòu)的主要承力件，同時(shí)又是形成和保持機(jī)身徑向外形的主要結(jié)構(gòu)件。機(jī)身框一般是由多個(gè)框類零件組成的組合框，但也有少數(shù)是整體框。材料多選用鋁合金，少數(shù)選用合金結(jié)構(gòu)鋼?？蝾惲慵庸ひ糟娤鳛橹鳎既抗ぷ髁康?0%左右。適合采用三坐標(biāo)高速銑床進(jìn)行大余量粗銑，由五坐標(biāo)高速銑進(jìn)行精加工，保證零件外形要求和加工精度。（3）接頭類零件。接頭類零件屬于典型鈦合金零件，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝流程長、加工周期長等特點(diǎn)，材料強(qiáng)度較高。且該類零件常帶有正反面深槽腔、高緣板外形、深度尺寸較大的叉耳等結(jié)構(gòu)特征，材料去除率在90%以上。適宜采用三坐標(biāo)高速銑能高效率的去除大部分加工余量，由五坐標(biāo)高速銑進(jìn)行精加工。

2結(jié)構(gòu)件加工設(shè)備選擇分析

2.1國內(nèi)外主要設(shè)備制造商。國外結(jié)構(gòu)件加工設(shè)備制造商主要有法國Fives、美國Ingersoll、瑞士Starrag、意大利FTP、意大利JOBS、德國DMG等，在加工鋁合金、鈦合金及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件等方面均有較成熟的產(chǎn)品系，如美國Ingersoll的PowerMill系列（鋁合金零件高速加工）、瑞士Starrag的ECOFORCETi系列（鈦合金專用加工設(shè)備）等。國內(nèi)結(jié)構(gòu)件加工設(shè)備制造商主要有航空625所、北一機(jī)床廠、大連機(jī)床廠、濟(jì)南二機(jī)床廠等。目前在關(guān)鍵加工設(shè)備國產(chǎn)替代與自主可控的浪潮中，國內(nèi)設(shè)備制造商正在全力奮進(jìn)，在不斷提高自身制造技術(shù)與產(chǎn)品譜系的基礎(chǔ)上，不同程度地尋求縱深化合作，設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性、整體質(zhì)量等與進(jìn)口設(shè)備間的差距正在逐漸縮小。另外，隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，將多臺(tái)同規(guī)格數(shù)控機(jī)床聯(lián)合可交換工作臺(tái)組成柔性生產(chǎn)線從而提高零件加工效率的做法，受到了越來越多的推廣和應(yīng)用。目前，美國Ingersoll、德國DST（被法國Fives收購）、德國科堡等廠家均具有較成熟的柔性生產(chǎn)線技術(shù)，且已應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域。2.2設(shè)備選擇流程。加工設(shè)備的選擇是一個(gè)多目標(biāo)、多方案的決策問題，其需要建立在對(duì)所需機(jī)床的加工性能分析基礎(chǔ)之上。比如對(duì)于一種給定的鈦合金零部件，究竟什么種類或者什么水平的加工中心才是正確的選擇。在分析過程中，首先應(yīng)該考慮理想的切削深度、進(jìn)給速率、切削速率以及一些材料系數(shù)等輸入數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出每一次加工所需的功率和扭矩，以及每次鉆削過程的推力。獲得機(jī)床相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)后，結(jié)合設(shè)備庫實(shí)例或設(shè)備廠家系列產(chǎn)品型號(hào)，通過參數(shù)擬合優(yōu)化推理得出合理化的設(shè)備選擇。2.3關(guān)鍵參數(shù)分析。對(duì)于典型鋁合金結(jié)構(gòu)件加工，其最重要的機(jī)床加工參數(shù)（除主軸行程外）是主軸的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)功率。對(duì)于鈦合金結(jié)構(gòu)件加工而言，最重要的參數(shù)則為主軸扭矩及冷卻液沿著鉆削操作推力方向的傳輸量。（1）主軸轉(zhuǎn)速。在銑削加工時(shí)，背吃刀量和切削寬度對(duì)刀具磨損的影響較切削速率和進(jìn)給速率要小[3]，切削速率對(duì)加工效率的影響較進(jìn)給速率要小。而且切削速率、進(jìn)給率與主軸轉(zhuǎn)速正相關(guān)。由于不同的加工工序和設(shè)備及零件材料、刀具材料、加工工藝的多樣性，對(duì)應(yīng)的切削速率范圍也不同，因而很難就高速切削的速度范圍給定一個(gè)確定數(shù)值。但高速加工必須具備高的主軸轉(zhuǎn)速、高的進(jìn)給速率、快速空行程、迅速加速和及時(shí)準(zhǔn)停的性質(zhì)。從加工工藝的角度看，HSM（高速加工）的速度值區(qū)間為：車削：700～7000m/min，銑削300～6000m/min，鉆削200～1100m/min等，而且處于穩(wěn)步提升趨勢。對(duì)于典型航空鋁合金結(jié)構(gòu)件加工，如壁板類、梁類、框類等零件，零件尺寸較大，材料去除率高達(dá)90%～95%。這就要求設(shè)備的持續(xù)加工時(shí)間要長，加工效率要高。根據(jù)金屬去除率計(jì)算可知，加工效率與切削速率正相關(guān)，這就要求設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速要高。由此可見，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)于鋁合金結(jié)構(gòu)的加工效率有著重要影響。根據(jù)高速銑削動(dòng)平衡規(guī)定，主軸轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到8000rpm以上。結(jié)合設(shè)備實(shí)施案例，大中型鋁合金結(jié)構(gòu)件高速加工中心設(shè)備主軸最大轉(zhuǎn)速在30000rpm左右，高速銑削的主軸轉(zhuǎn)速一般在15000～40000rpm。（2）主軸功率和主軸扭矩。目前加工設(shè)備多采用的標(biāo)準(zhǔn)型普通變頻電機(jī)，設(shè)備僅能在S1工作制下工作，不允許超載使用，因此在設(shè)備選擇中需要引起注意。根據(jù)功率、扭矩、轉(zhuǎn)速圖可知，機(jī)床主軸扭矩和功率均存在拐點(diǎn)，即在恒扭矩階段，隨著機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的提高，主軸功率隨之增大；功率達(dá)到峰值后，趨于穩(wěn)定，進(jìn)入恒功率階段，此時(shí)隨著機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的提高，主軸扭矩隨之遞減。在飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工設(shè)備選擇過程中，目標(biāo)機(jī)床的主軸功率和主軸扭矩可通過預(yù)先設(shè)定的系列輸入?yún)?shù)和計(jì)算公式得出，輸入?yún)?shù)主要有材料類型、刀具直徑、齒數(shù)、每齒進(jìn)給、切削深度、切削寬度等。該計(jì)算過程可在對(duì)零件加工特性的分析基礎(chǔ)上結(jié)合集成計(jì)算器（參考WalterMachiningCalculator）實(shí)現(xiàn)。另外，機(jī)床主軸扭矩、主軸功率與轉(zhuǎn)速可粗略的依據(jù)公式=npT/9550進(jìn)行核算。（3）工作臺(tái)尺寸、行程與精度。工作臺(tái)尺寸、行程與精度是設(shè)備選擇的關(guān)鍵參數(shù)，也是基本參數(shù)。工作臺(tái)尺寸關(guān)系毛坯能夠正常合理有效裝夾，行程主要考慮的是主軸加工范圍，精度屬于質(zhì)量要求，是前提條件。以上參數(shù)在設(shè)備選擇過程中的重要性不言而喻。設(shè)備工作臺(tái)尺寸與主軸行程主要根據(jù)待加工零件的尺寸、裝夾空間、加工特征等確定，同時(shí)可根據(jù)設(shè)備貨架規(guī)格來修正。機(jī)床精度通常根據(jù)零件加工精度要求來確定，如機(jī)床定位精度一般要求為零件典型特征定位精度的1/3～1/4。2.4選擇原則分析。第一階段為設(shè)備粗選擇，主要通過對(duì)結(jié)構(gòu)件加工性能分析，計(jì)算出對(duì)應(yīng)加工設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)值與設(shè)備庫實(shí)例進(jìn)行初次匹配分析，得出若干個(gè)合理化的設(shè)備選項(xiàng)；鑒于影響選擇的因素較多，同時(shí)需要體現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的重要作用，以便做出優(yōu)化選擇，在第二階段（細(xì)選擇）本文提出一種基于權(quán)重-最小方差和的計(jì)算方式，對(duì)合理化的設(shè)備選項(xiàng)進(jìn)行排序，方差和最小的即為最優(yōu)設(shè)備參考選擇。不同材料的結(jié)構(gòu)件在第二階段選擇時(shí)，為體現(xiàn)設(shè)備的加工特點(diǎn)，各選擇參數(shù)權(quán)重會(huì)有差異。第一階段的粗選擇比較容易操作，在此不作贅述。下面主要介紹第二階段細(xì)選擇基于權(quán)重-最小方差和的計(jì)算方法。參數(shù)權(quán)重。參數(shù)權(quán)重設(shè)置模型如表1所示。表1中參數(shù)層表示設(shè)備選擇涉及主要參數(shù)，如臺(tái)面尺寸、主軸行程、主軸轉(zhuǎn)速、主軸功率、主軸扭矩、定位精度等；參數(shù)權(quán)重列表示所選參數(shù)在指定材料加工設(shè)備選擇中的重要程度，不同材料加工設(shè)備同一參數(shù)權(quán)重值可能不一致，但該列權(quán)重值和定義為1，即（1)21∑=+++nPPP；子參數(shù)層是參數(shù)層的細(xì)分，如參數(shù)層主軸行程，子參數(shù)層則分為X/Y/Z軸行程；子參數(shù)權(quán)重表示各子參數(shù)在參數(shù)層內(nèi)的相對(duì)重要程度，如參數(shù)層主軸行程，子參數(shù)層X/Y/Z軸行程在不同的加工對(duì)象時(shí)（如框類與緣條類）權(quán)重也會(huì)不同，但同一參數(shù)下子參數(shù)權(quán)重和為1；總權(quán)重表示各子參數(shù)在整個(gè)參數(shù)列下的重要程度，每一個(gè)子參數(shù)總權(quán)重值為參數(shù)權(quán)重值與子參數(shù)權(quán)重值的乘積。對(duì)于典型鋁合金結(jié)構(gòu)件加工，其最重要的機(jī)床加工參數(shù)（除主軸行程外）是主軸的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)功率。按照上表中設(shè)置模型給出某鋁合金結(jié)構(gòu)件加工設(shè)備參數(shù)權(quán)重值，如表2所示。（2）權(quán)重-最小方差和。在細(xì)選擇階段，主要目的是根據(jù)已獲取的設(shè)備參數(shù)需求，通過量化的計(jì)算方式優(yōu)選出相對(duì)合適的設(shè)備實(shí)例或者對(duì)多個(gè)合理可行方案進(jìn)行排序。根據(jù)方差是衡量源數(shù)據(jù)和期望值相差的度量值的數(shù)學(xué)意義，這里引入方差和的概念來研究設(shè)備實(shí)例與設(shè)備實(shí)際需求之間的偏離程度，參數(shù)方差和越小，偏離程度越低，與實(shí)際需求越接近，根據(jù)最小方差和的計(jì)算達(dá)到排序或優(yōu)選的目的。權(quán)重-最小方差和計(jì)算元模型如下：式中，{}jAAAA，，21=表示一組設(shè)備參數(shù)需求值；表示第i個(gè)設(shè)備實(shí)例；{}jjPPPP，，21=表示設(shè)備各參數(shù)對(duì)應(yīng)權(quán)重值；j表示參數(shù)個(gè)數(shù)；i表示設(shè)備實(shí)例個(gè)數(shù)；D表示權(quán)重-方差和?？紤]到實(shí)際各參數(shù)的取值、差值與數(shù)量級(jí)均存在較大差異，上述模型中直接求取方差和不能夠準(zhǔn)確反映偏離程度，這里對(duì)差值平方和按比率差平方和進(jìn)行修正（類歸一化），修正后權(quán)重-最小方差和計(jì)算模型如下：為便于實(shí)際操作，可將上述計(jì)算模型集成在工作表中，通過關(guān)鍵參數(shù)的輸入自動(dòng)計(jì)算方案D值。

3結(jié)語

鑒于產(chǎn)品制造工藝與設(shè)備研究的重要性，本文主要以飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)件為研究對(duì)象，對(duì)典型零件工藝特點(diǎn)及設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析與總結(jié)，針對(duì)性地提出了兩階段選擇流程及基于權(quán)重-最小方差和的設(shè)備細(xì)選擇基礎(chǔ)模型。希望文章的研究能夠?yàn)槠髽I(yè)生產(chǎn)線規(guī)劃中的設(shè)備精細(xì)化選擇提供理論方面的幫助，充分發(fā)揮企業(yè)固定資產(chǎn)高效與精準(zhǔn)投資作用。

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作者:池力 楊杰 單位:中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司