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摘要：數(shù)控加工設備是制造工藝實物化的主體，進一步強化對加工設備合理化選擇分析與研究，優(yōu)選合適機床設備，助力航空裝備或零部件快速迭代。本文主要以飛機典型結(jié)構(gòu)件為對象，總結(jié)典型結(jié)構(gòu)件加工設備選擇流程，針對性地提出了基于權(quán)重-最小方差和的設備細選擇基礎模型，期望對生產(chǎn)線規(guī)劃中零件加工設備選擇提供一定的理論依據(jù)與實際應用方法。

關鍵詞：飛機典型結(jié)構(gòu)件；數(shù)控加工設備；設備

選擇飛機典型結(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制造能力和水平。數(shù)控加工設備是高度機電軟一體化產(chǎn)品，是一類價格昂貴的精密設備。隨著我國航空工業(yè)先進制造技術的持續(xù)發(fā)展及航空裝備代次更新，飛機典型結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工設備也朝著高精度、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，加工設備也呈現(xiàn)專業(yè)化發(fā)展趨勢。對于飛機結(jié)構(gòu)件某一加工特征而言，往往能夠由不同的加工設備來實現(xiàn)，且機床設備與零件加工工藝、加工精度、加工效率等有很大影響。另外，企業(yè)想要進一步提升機械制造的整體水平，也需不斷強化對制造工藝與設備的研究。因此，如何合理的選擇數(shù)控加工設備具有重要研究意義。

1飛機典型結(jié)構(gòu)件加工特點

1.1零件分類。按材料屬性分類，飛機典型結(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。（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)關系，但材料利用率低，在加工切削中容易產(chǎn)生變形。如機翼壁板通常為展開后加工，零件需經(jīng)加工多個基準面、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身橫向結(jié)構(gòu)的主要承力件，同時又是形成和保持機身徑向外形的主要結(jié)構(gòu)件。機身框一般是由多個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。適合采用三坐標高速銑床進行大余量粗銑，由五坐標高速銑進行精加工，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)復雜、工藝流程長、加工周期長等特點，材料強度較高。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。適宜采用三坐標高速銑能高效率的去除大部分加工余量，由五坐標高速銑進行精加工。

2結(jié)構(gòu)件加工設備選擇分析

2.1國內(nèi)外主要設備制造商。國外結(jié)構(gòu)件加工設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（鈦合金專用加工設備）等。國內(nèi)結(jié)構(gòu)件加工設備制造商主要有航空625所、北一機床廠、大連機床廠、濟南二機床廠等。目前在關鍵加工設備國產(chǎn)替代與自主可控的浪潮中，國內(nèi)設備制造商正在全力奮進，在不斷提高自身制造技術與產(chǎn)品譜系的基礎上，不同程度地尋求縱深化合作，設備可靠性、穩(wěn)定性、整體質(zhì)量等與進口設備間的差距正在逐漸縮小。另外，隨著數(shù)控加工技術的發(fā)展，將多臺同規(guī)格數(shù)控機床聯(lián)合可交換工作臺組成柔性生產(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，且已應用于機械制造領域。2.2設備選擇流程。加工設備的選擇是一個多目標、多方案的決策問題，其需要建立在對所需機床的加工性能分析基礎之上。比如對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，首先應該考慮理想的切削深度、進給速率、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。獲得機床相關關鍵參數(shù)后，結(jié)合設備庫實例或設備廠家系列產(chǎn)品型號，通過參數(shù)擬合優(yōu)化推理得出合理化的設備選擇。2.3關鍵參數(shù)分析。對于典型鋁合金結(jié)構(gòu)件加工，其最重要的機床加工參數(shù)（除主軸行程外）是主軸的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動功率。對于鈦合金結(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，背吃刀量和切削寬度對刀具磨損的影響較切削速率和進給速率要小[3]，切削速率對加工效率的影響較進給速率要小。而且切削速率、進給率與主軸轉(zhuǎn)速正相關。由于不同的加工工序和設備及零件材料、刀具材料、加工工藝的多樣性，對應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確定數(shù)值。但高速加工必須具備高的主軸轉(zhuǎn)速、高的進給速率、快速空行程、迅速加速和及時準停的性質(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90%～95%。這就要求設備的持續(xù)加工時間要長，加工效率要高。根據(jù)金屬去除率計算可知，加工效率與切削速率正相關，這就要求設備主軸轉(zhuǎn)速要高。由此可見，主軸轉(zhuǎn)速對于鋁合金結(jié)構(gòu)的加工效率有著重要影響。根據(jù)高速銑削動平衡規(guī)定，主軸轉(zhuǎn)速至少要達到8000rpm以上。結(jié)合設備實施案例，大中型鋁合金結(jié)構(gòu)件高速加工中心設備主軸最大轉(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。目前加工設備多采用的標準型普通變頻電機，設備僅能在S1工作制下工作，不允許超載使用，因此在設備選擇中需要引起注意。根據(jù)功率、扭矩、轉(zhuǎn)速圖可知，機床主軸扭矩和功率均存在拐點，即在恒扭矩階段，隨著機床主軸轉(zhuǎn)速的提高，主軸功率隨之增大；功率達到峰值后，趨于穩(wěn)定，進入恒功率階段，此時隨著機床主軸轉(zhuǎn)速的提高，主軸扭矩隨之遞減。在飛機典型結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工設備選擇過程中，目標機床的主軸功率和主軸扭矩可通過預先設定的系列輸入?yún)?shù)和計算公式得出，輸入?yún)?shù)主要有材料類型、刀具直徑、齒數(shù)、每齒進給、切削深度、切削寬度等。該計算過程可在對零件加工特性的分析基礎上結(jié)合集成計算器（參考WalterMachiningCalculator）實現(xiàn)。另外，機床主軸扭矩、主軸功率與轉(zhuǎn)速可粗略的依據(jù)公式=npT/9550進行核算。（3）工作臺尺寸、行程與精度。工作臺尺寸、行程與精度是設備選擇的關鍵參數(shù)，也是基本參數(shù)。工作臺尺寸關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)在設備選擇過程中的重要性不言而喻。設備工作臺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，同時可根據(jù)設備貨架規(guī)格來修正。機床精度通常根據(jù)零件加工精度要求來確定，如機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。第一階段為設備粗選擇，主要通過對結(jié)構(gòu)件加工性能分析，計算出對應加工設備關鍵參數(shù)，根據(jù)關鍵參數(shù)值與設備庫實例進行初次匹配分析，得出若干個合理化的設備選項；鑒于影響選擇的因素較多，同時需要體現(xiàn)關鍵參數(shù)的重要作用，以便做出優(yōu)化選擇，在第二階段（細選擇）本文提出一種基于權(quán)重-最小方差和的計算方式，對合理化的設備選項進行排序，方差和最小的即為最優(yōu)設備參考選擇。不同材料的結(jié)構(gòu)件在第二階段選擇時，為體現(xiàn)設備的加工特點，各選擇參數(shù)權(quán)重會有差異。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選擇基于權(quán)重-最小方差和的計算方法。參數(shù)權(quán)重。參數(shù)權(quán)重設置模型如表1所示。表1中參數(shù)層表示設備選擇涉及主要參數(shù)，如臺面尺寸、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)在指定材料加工設備選擇中的重要程度，不同材料加工設備同一參數(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象時（如框類與緣條類）權(quán)重也會不同，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)在整個參數(shù)列下的重要程度，每一個子參數(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。對于典型鋁合金結(jié)構(gòu)件加工，其最重要的機床加工參數(shù)（除主軸行程外）是主軸的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動功率。按照上表中設置模型給出某鋁合金結(jié)構(gòu)件加工設備參數(shù)權(quán)重值，如表2所示。（2）權(quán)重-最小方差和。在細選擇階段，主要目的是根據(jù)已獲取的設備參數(shù)需求，通過量化的計算方式優(yōu)選出相對合適的設備實例或者對多個合理可行方案進行排序。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)學意義，這里引入方差和的概念來研究設備實例與設備實際需求之間的偏離程度，參數(shù)方差和越小，偏離程度越低，與實際需求越接近，根據(jù)最小方差和的計算達到排序或優(yōu)選的目的。權(quán)重-最小方差和計算元模型如下：式中，{}jAAAA，，21=表示一組設備參數(shù)需求值；表示第i個設備實例；{}jjPPPP，，21=表示設備各參數(shù)對應權(quán)重值；j表示參數(shù)個數(shù)；i表示設備實例個數(shù)；D表示權(quán)重-方差和。考慮到實際各參數(shù)的取值、差值與數(shù)量級均存在較大差異，上述模型中直接求取方差和不能夠準確反映偏離程度，這里對差值平方和按比率差平方和進行修正（類歸一化），修正后權(quán)重-最小方差和計算模型如下：為便于實際操作，可將上述計算模型集成在工作表中，通過關鍵參數(shù)的輸入自動計算方案D值。

3結(jié)語

鑒于產(chǎn)品制造工藝與設備研究的重要性，本文主要以飛機典型結(jié)構(gòu)件為研究對象，對典型零件工藝特點及設備關鍵參數(shù)進行了分析與總結(jié)，針對性地提出了兩階段選擇流程及基于權(quán)重-最小方差和的設備細選擇基礎模型。希望文章的研究能夠為企業(yè)生產(chǎn)線規(guī)劃中的設備精細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)高效與精準投資作用。

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作者:池力 楊杰 單位:中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司