飛機典型結構件數字化車間研究與應用★

于 躍， 殷 俊， 周元莉， 段 磊

（沈陽飛機工業（集團）有限公司， 遼寧 沈陽 110034）

0 引言

隨著裝備制造業的振興以及整個制造業技術升級和國防現代化需求，對數控機床和數控系統的需求總量不斷擴大的同時[1]，數控產品的市場結構也發生了相應的變化，特別是電力能源、汽車制造、航空航天等行業的快速發展促使數控產品由低端向中高端轉化[2]。

航空工業是尖端技術發展的引擎，是國家制造業核心競爭力的集中體現，高檔數控機床、數控系統、高性能航空零件加工工藝等相關先進制造技術是航空工業領域具備全面自主的科技、產業和產品能力的重要保證[3-5]。結合國防安全的需要，緊密圍繞航空制造領域的現實需求，建設飛機典型結構件數字化車間，帶動國產數控裝備整體能力的提升并促進其形成針對航空領域的成套解決方案，同時，利用航空領域對加工裝備精度的高要求，提升相關領域對國產數控裝備的信賴度，促進國產數控裝備的產業化發展。

1 飛機結構件的分類

以C 系列飛機為例，飛機結構件的類型主要有框、梁、壁板、肋、接頭、長桁等，廣義結構件也包括蒙皮、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、框等結構。中機身為典型的半硬殼式壓力結構，主要由蒙皮、站位框、長桁、地板壁板、舷窗、艙門口框、貨艙支架等結構件構成。后機身的主要結構件有蒙皮、加強板、C 型機加框、Z 型長桁、地板梁、登機門口框、服務門口框、系統支架、環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 數字化車間建設

2.1 數字化車間建設路線

從結構、數量和工藝特點等方面對飛機零件進行分析，面向未來戰機零件加工的高指標要求及快速響應要求，進行數控裝備需求數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構件自動化驗證線，驗證自動化上下料、自動化物流、加工過程大數據采集與分析等工藝及數字化車間先進技術，如圖2 所示。在此基礎上，總結產線的調試經驗，結合飛機零件的工藝特點和毛坯材料特性，制定國產高檔數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。開發車間級的管控軟件，將多條自動化生產線聯成網絡，建成數字化車間，如圖3 所示。

圖2 飛機結構件自動化驗證線

圖3 數字化生產線建設路線

2.2 數字化車間組成及功能

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

圖4 數字化車間布局

2.2.1 鋁合金小型結構件類加工單元

1）3 條鋁合金接頭類臥式精密加工自動化生產線。鋁合金接頭類臥式精密加工生產線是驗證線的拓展，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，具備監控功能，不影響生產線的尺寸規劃，如圖5 所示。

圖5 鋁合金接頭類生產線

2）3 條鋁合金肋板類臥式加工自動化生產線。鋁合金肋板類臥式加工生產線由鋁合金五坐標臥式加工中心4 臺、鋁合金四坐標臥式加工中心2 臺組成。生產線包括自動化物流運輸、生產線總控、集中排屑處理、集中切削液處理等系統?？蓪崿F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 鋁合金肋板類生產線

2.2.2 鋁合金大型結構件類加工單元

1）1 條鋁合金大型框梁類柔性加工自動化生產線。鋁合金大型框梁類加工生產線由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，立臥翻轉工裝，以及物料緩存區，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、動工作臺結構，主軸轉速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備

2.2.3 鈦合金小型結構件類加工單元

鈦合金接頭類臥式精密加工自動化生產線1 條。鈦合金接頭類臥式精密加工生產線由2 臺五坐標臥式加工中心、2 臺四坐標臥式加工中心組成。生產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、下料裝載站區域完成，如圖9 所示。

圖9 鈦合金接頭類生產線

2.2.4 鈦合金大型結構件類加工單元

鈦合金大型框梁類強力加工生產線。在鈦合金大型框、梁類強力加工生產線方面，布局了4 臺單機設備。2 臺AB 擺五坐標加工中心和2 臺AC 擺五坐標加工中心。其中AC 擺設備為了實現更大可能性的加工，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 擺五坐標加工中心

圖11 鈦合金AC 擺五坐標加工中心

2.3 數字化車間軟硬件系統集成

數字化車間軟硬件集成系統可實現多品種、變批量的混流加工；通過管控控制技術，根據生產執行計劃，實現工件的自動傳送和自動加工、程序下發、刀具識別及調用；可在線實現工件品種自動更換，多工件的自動識別；通過刀具磨損狀態、主軸功率、切削參數等數據的實時監控，降低機床碰撞的風險，可實現數控設備的自適應、高效加工，如圖12 所示。

圖12 生產線內管控流程

3 數字化車間應用

通過框、梁、肋、壁板、接頭等大量飛機結構件的加工應用，驗證并實現了數字化車間的自動排產、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，實現了航空結構件的多品種、小批量的自動化和智能化加工生產，機床的主軸利用率到達75%以上。如圖13 所示。

圖13 加工應用

4 結論

飛機典型結構件國產高檔裝備數字化車間的建成，進一步提升了飛機零件制造裝備自主化能力，已應用多個型號加工，飛機結構件加工效率、質量、一致性等大幅提升，大幅度縮短工藝輔助準備時間。實現由核心技術突破向技術集成掌握、技術應用能力提升的轉變，加快飛機構件數字化“智能”快速轉型，推動航空制造業的轉型升級，助推中國制造2025 落地實施。