飛機典型結(jié)構(gòu)件數(shù)字化車間研究與應(yīng)用★

于 躍， 殷 俊， 周元莉， 段 磊

（沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司， 遼寧 沈陽 110034）

0 引言

隨著裝備制造業(yè)的振興以及整個制造業(yè)技術(shù)升級和國防現(xiàn)代化需求，對數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)的需求總量不斷擴大的同時[1]，數(shù)控產(chǎn)品的市場結(jié)構(gòu)也發(fā)生了相應(yīng)的變化，特別是電力能源、汽車制造、航空航天等行業(yè)的快速發(fā)展促使數(shù)控產(chǎn)品由低端向中高端轉(zhuǎn)化[2]。

航空工業(yè)是尖端技術(shù)發(fā)展的引擎，是國家制造業(yè)核心競爭力的集中體現(xiàn)，高檔數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)、高性能航空零件加工工藝等相關(guān)先進制造技術(shù)是航空工業(yè)領(lǐng)域具備全面自主的科技、產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品能力的重要保證[3-5]。結(jié)合國防安全的需要，緊密圍繞航空制造領(lǐng)域的現(xiàn)實需求，建設(shè)飛機典型結(jié)構(gòu)件數(shù)字化車間，帶動國產(chǎn)數(shù)控裝備整體能力的提升并促進其形成針對航空領(lǐng)域的成套解決方案，同時，利用航空領(lǐng)域?qū)庸ぱb備精度的高要求，提升相關(guān)領(lǐng)域?qū)a(chǎn)數(shù)控裝備的信賴度，促進國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1 飛機結(jié)構(gòu)件的分類

以C 系列飛機為例，飛機結(jié)構(gòu)件的類型主要有框、梁、壁板、肋、接頭、長桁等，廣義結(jié)構(gòu)件也包括蒙皮、鉸鏈、支座等。以C 系列飛機為例，前機身含大量的蒙皮、壁板、梁、框等結(jié)構(gòu)。中機身為典型的半硬殼式壓力結(jié)構(gòu)，主要由蒙皮、站位框、長桁、地板壁板、舷窗、艙門口框、貨艙支架等結(jié)構(gòu)件構(gòu)成。后機身的主要結(jié)構(gòu)件有蒙皮、加強板、C 型機加框、Z 型長桁、地板梁、登機門口框、服務(wù)門口框、系統(tǒng)支架、環(huán)向拼接框以及大量的接頭等。如圖1 所示。

圖1 C 系列飛機

2 數(shù)字化車間建設(shè)

2.1 數(shù)字化車間建設(shè)路線

從結(jié)構(gòu)、數(shù)量和工藝特點等方面對飛機零件進行分析，面向未來戰(zhàn)機零件加工的高指標(biāo)要求及快速響應(yīng)要求，進行數(shù)控裝備需求數(shù)量計算和適配性篩選，利用專項前期科研成果，建成具有完整功能性特征的飛機結(jié)構(gòu)件自動化驗證線，驗證自動化上下料、自動化物流、加工過程大數(shù)據(jù)采集與分析等工藝及數(shù)字化車間先進技術(shù)，如圖2 所示。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)產(chǎn)線的調(diào)試經(jīng)驗，結(jié)合飛機零件的工藝特點和毛坯材料特性，制定國產(chǎn)高檔數(shù)控機床示范基地鋁合金大、小，鈦合金大、小加工單元自動化線加工和單機加工的總體方案。開發(fā)車間級的管控軟件，將多條自動化生產(chǎn)線聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，建成數(shù)字化車間，如圖3 所示。

圖2 飛機結(jié)構(gòu)件自動化驗證線

圖3 數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)路線

2.2 數(shù)字化車間組成及功能

數(shù)字化車間占地20 000 m2，包括鋁合金大型結(jié)構(gòu)件類加工、鋁合金小型結(jié)構(gòu)件類加工、鈦合金大型結(jié)構(gòu)件類加工、鈦合金小型結(jié)構(gòu)件類加工等4 個國產(chǎn)數(shù)控機床切削加工示范單元，涵蓋7 種53 臺設(shè)備共計8 條自動化生產(chǎn)線及若干大型單機設(shè)備的建設(shè)，其中5 軸設(shè)備37 臺，四軸設(shè)備14 臺，三軸設(shè)備2 臺，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)配套率100%，國產(chǎn)功能部件配套比例60%，如圖4 所示。

圖4 數(shù)字化車間布局

2.2.1 鋁合金小型結(jié)構(gòu)件類加工單元

1）3 條鋁合金接頭類臥式精密加工自動化生產(chǎn)線。鋁合金接頭類臥式精密加工生產(chǎn)線是驗證線的拓展，其組成由4 臺五軸和2 臺四軸機床組成，刀具桁架、物料緩存庫按比率擴展，中央刀庫容量保持不變，上下料工作站尺寸不變，在功能上更加豐富，具備監(jiān)控功能，不影響生產(chǎn)線的尺寸規(guī)劃，如圖5 所示。

圖5 鋁合金接頭類生產(chǎn)線

2）3 條鋁合金肋板類臥式加工自動化生產(chǎn)線。鋁合金肋板類臥式加工生產(chǎn)線由鋁合金五坐標(biāo)臥式加工中心4 臺、鋁合金四坐標(biāo)臥式加工中心2 臺組成。生產(chǎn)線包括自動化物流運輸、生產(chǎn)線總控、集中排屑處理、集中切削液處理等系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)零件在操作工位由人工上料、人工裝夾、信息錄入后由穿梭車自動入庫后，工件托盤的定位、裝夾、工件加工、完工卸載、運輸移動、緩存存放等過程均自動進行，如圖6 所示。

圖6 鋁合金肋板類生產(chǎn)線

2.2.2 鋁合金大型結(jié)構(gòu)件類加工單元

1）1 條鋁合金大型框梁類柔性加工自動化生產(chǎn)線。鋁合金大型框梁類加工生產(chǎn)線由2 臺五軸和2 臺三軸臥式加工中心組成，工作臺尺寸2 m×4 m，主軸轉(zhuǎn)速24 000 r/min，直線軸加速度0.5 G，配備雙工位自動交換工作臺，立臥翻轉(zhuǎn)工裝，以及物料緩存區(qū)，如圖7 所示。

2）鋁合金長桁類加工單元。鋁合金長桁類加工單元由2 臺五坐標(biāo)加工中心組成，工作臺尺寸2 m×6 m，主機采用定龍門、動工作臺結(jié)構(gòu)，主軸轉(zhuǎn)速24 000 r/min，最大扭矩73 N·m，用于鋁合金高速銑削長桁類零件加工，如圖8 所示。

圖8 鋁合金長桁零件加工設(shè)備

2.2.3 鈦合金小型結(jié)構(gòu)件類加工單元

鈦合金接頭類臥式精密加工自動化生產(chǎn)線1 條。鈦合金接頭類臥式精密加工生產(chǎn)線由2 臺五坐標(biāo)臥式加工中心、2 臺四坐標(biāo)臥式加工中心組成。生產(chǎn)線包括物料輸送小車及行走軌道、交換工作臺及緩沖站、工件裝卸站等單元。各工位與緩沖站點之間通過有軌物料輸送小車以交換工作臺交換的形式進行自動上下料操作，工件的裝夾和拆卸則由人工輔助在上、下料裝載站區(qū)域完成，如圖9 所示。

圖9 鈦合金接頭類生產(chǎn)線

2.2.4 鈦合金大型結(jié)構(gòu)件類加工單元

鈦合金大型框梁類強力加工生產(chǎn)線。在鈦合金大型框、梁類強力加工生產(chǎn)線方面，布局了4 臺單機設(shè)備。2 臺AB 擺五坐標(biāo)加工中心和2 臺AC 擺五坐標(biāo)加工中心。其中AC 擺設(shè)備為了實現(xiàn)更大可能性的加工，一臺采用定龍門動工作臺形式，另外一臺采用動龍門定工作臺形式，如圖10、圖11 所示。

圖10 鈦合金AB 擺五坐標(biāo)加工中心

圖11 鈦合金AC 擺五坐標(biāo)加工中心

2.3 數(shù)字化車間軟硬件系統(tǒng)集成

數(shù)字化車間軟硬件集成系統(tǒng)可實現(xiàn)多品種、變批量的混流加工；通過管控控制技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)執(zhí)行計劃，實現(xiàn)工件的自動傳送和自動加工、程序下發(fā)、刀具識別及調(diào)用；可在線實現(xiàn)工件品種自動更換，多工件的自動識別；通過刀具磨損狀態(tài)、主軸功率、切削參數(shù)等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，降低機床碰撞的風(fēng)險，可實現(xiàn)數(shù)控設(shè)備的自適應(yīng)、高效加工，如圖12 所示。

圖12 生產(chǎn)線內(nèi)管控流程

3 數(shù)字化車間應(yīng)用

通過框、梁、肋、壁板、接頭等大量飛機結(jié)構(gòu)件的加工應(yīng)用，驗證并實現(xiàn)了數(shù)字化車間的自動排產(chǎn)、物料的自動化配送和管理、刀具的自動化配送和管理等功能，實現(xiàn)了航空結(jié)構(gòu)件的多品種、小批量的自動化和智能化加工生產(chǎn)，機床的主軸利用率到達(dá)75%以上。如圖13 所示。

圖13 加工應(yīng)用

4 結(jié)論

飛機典型結(jié)構(gòu)件國產(chǎn)高檔裝備數(shù)字化車間的建成，進一步提升了飛機零件制造裝備自主化能力，已應(yīng)用多個型號加工，飛機結(jié)構(gòu)件加工效率、質(zhì)量、一致性等大幅提升，大幅度縮短工藝輔助準(zhǔn)備時間。實現(xiàn)由核心技術(shù)突破向技術(shù)集成掌握、技術(shù)應(yīng)用能力提升的轉(zhuǎn)變，加快飛機構(gòu)件數(shù)字化“智能”快速轉(zhuǎn)型，推動航空制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，助推中國制造2025 落地實施。