飞行器数字化制造技术.ppt

飞行器数字化制造技术,1.6飞机制造技术,先进数控加工技术,化铣技术,精密钣金成形技术,无外形卡板型架装配技术,数字化设计制造和管理技术,1.6.6 先进数控加工技术,西方工业发达国家飞机制造业应用数控技术始于60年代。近50年的数控技术发展中，发达国家飞机制造业中数控技术发展现状和应用水平主要体现在以下几个方面： 机加数控化 高数控加工效率 CAD/CAPP/CAM系统和DNC技术 柔性生产线 高速切削加工技术,1 机械加工实现数控化 发达国家数控机床占机床总数的3040，而航空制造业更高，达到5080。波音、麦道等飞机制造公司都配置了数量可观的各种不同类型的先进数控设备，特别是大型、多坐标数控铣床和加工中心，同时与之相关的配套设备齐全，数控化率高，基本实现了机加数控化。 波音公司在Auburn民机制造分部建立了铝、钛、钢结构件机加车间和机翼蒙皮与梁结构件机加车间，机加设备362台，配置NC机床约180台，数控化率达50。,在90年代中后期，这些公司仍在进一步加强对机加设备进行技术改造和更新，特别是多坐标高速数控铣床和加工中心。可加工尺寸很大的机翼壁板,零件壁厚薄到0.76mm。,2 高数控加工效率 发达国家飞机制造公司数控技术应用水平高。表现在：不仅数控设备利用率高（一般达80），主轴利用率高（95），且加工效率高，加工周期短。大型机翼整体加工件加工效率约50kg/h。麦道公司制造C-17军用运输机起落架舱隔框，加工效率约30kg/h。,3 CAD/CAPP/CAM系统 广泛应用CAD/CAPP/CAM/CAE自动化设计制造应用软件以及DFX等并行工程，并有足够的工艺知识数据库、切削参数数据库、各种规范化的技术资料作为使能工具。因而设计与工艺手段先进，工艺精良，NC加工程序优质，缩短了工艺准备周期，提高了设备利用率和生产效率，大大缩短了零件生产周期。,4 DNC技术广泛应用 发达国家飞机制造公司大多数在20世纪80年代就已经广泛地应用了分布式数字控制技术（DNC）。波音公司在Wichita 军机分部建立的一个DNC系统，大约连接有分布在若干不同车间中的130多台数控设备, 包括加工中心、大型铣床、数控测量机。麦道、MBB和extron工厂等都建立了DNC系统。美国大约有2万多家小型飞机零部件转包制造商，6080都使用了DNC系统。采用DNC技术具有明显的经济和技术效益，通常可提高生产率1520。,5 高速切削技术的应用 高速加工（High Speed Machining,HSM）被认为是21世纪机加工艺中最重要的手段。高速切削是高切削速度、高进给率和小切削量的组合。高速切削与常规切削相比具有明显优点：加工时间减少约6080，进给速度提高510 倍，材料去除率提高35倍，刀具耐用度提高70，切削力减少约30，表面粗糙度 可达810m，工件温升低，热变形、热膨胀减小，适宜加工细长、复杂薄壁零件等。,5 高速切削技术的应用 飞机大型复杂整体结构件采用高速数控加工技术是近几年飞机机加技术发展的一种趋势。因此，20世纪90年代中后期，飞机制造商添置了许多先进的多坐标高速数控铣和加工中心用于铝、钛、钢等材料的各种整体结构件加工。波音Bertsche Engineering公司的高速加工中心，用于航空航天铝合金、复合材料零件的加工。,对铝合金高速加工，切削速度可达20005000m/min，主轴转速达1000040000r/min，加工进给速度为220m/min ，材料去除率3040kg/h。 高速切削加工技术对机床、刀具、控制系统、编程等都提出了更高的要求。发达国家对高速加工的配套技术研究和应用作为一个系统工程看待,解决得较好，并在不断完善。,高速切削系统 : 高速切削系统主要由高速切削CNC机床、高性能的刀具夹持系统、高速切削刀具、高速切削CAM系统软件等几部分组成。 高速切削CNC机床 :高稳定性的机床支撑部件 ,高速主轴系统 ,高精度快速进给系统 ,高效的冷却系统 ,高性能CNC控制系统,高安全性 ,高精度、高速度的传感检测技术 高性能的刀具夹持系统 :要求其有很高的动平衡性 ,且具有绝对的定心性 ,主轴、刀柄、刀具三者在旋转时应具有极高的同心度 高速切削刀具 高速切削机理,高速切削的CAM系统软件 高速切削除了要有高速切削机床和高速切削刀具，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有高计算速度，强插补功能，全程自动过切检查及处理能力，自动刀柄与夹具干涉检查、绕避功能，进给率优化处理功能，待加工轨迹监控功能，刀具轨迹编辑优化功能，加工残余分析功能等等。首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。,粗加工,残留毛坯知识,精加工和清根,曲面铣削,高速铣削(HSM),6 应用高自动化水平的制造系统 发达国家飞机制造公司在70年代末80年代先后建立了柔性制造系统（FMS）用于飞机结构件柔性加工，90年代中后期，由于高速切削机床技术的发展和进步，飞机整体加工件的增多，开始较广泛应用柔性加工单元或以柔性加工单元组成柔性生产线来加工飞机整体结构件（在汽车制造业领域也同样得到应用）。如波音Wichita军机分部用高速加工单元组成的柔性加工生产线来加工飞机整体隔框零件。达索飞机公司在“阵风”号飞机制造中也建立了一条柔性加工生产线，由4台5坐标切削中心构成，配有自动化工件装卸小车，容量达1000的机械手控制的工具库，只需配备一个操作者。,加工机床 12台BERTHIEZ立车配有GE2000 CNC 4台OERILIKON加工中心带GE2000 CNC 物料运输 5台 热蒙施莱德尔（JEUMONTSCHNEIDER）的AGV 4台 装卸站 工件托盘带巴鲁夫固定磁卡式托盘辨识系统 刀具运送 1个刀具库 1个换刀机器人，用于向4个加工中心换刀服务 2个刀具库 2个换刀机器人，用于向12台立车换刀服务 装有巴鲁夫只读型刀具辨识芯片系统，以验证换刀的正确性 计算机 1台 VAX11/750用作FMS控制机 3台 MICRO VAX用作加工中心、立车、清洗机的运行控制 2台 PDP11/23用作两个仓库运行的协调控制 1台 PDP11/23用作运输系统的协调控制 所有计算机之间用以太网连接起来 其他设备 1台 清洗机,西方发达国家不仅重视发展数控主体技术，并注重协调发展与数控技术配套的各单元自动化技术，包括数控车间信息管理系统，从而使得数控技术得以快速发展并达到了很高的应用水平，有力地推动了飞机制造业发展和进步。,化学铣切俗称化学腐蚀加工。它利用含有某些化学元素的化学溶液，对金属或非金属材料表面进行溶解作用的腐蚀加工，没有刀痕，也没有切屑。 化学铣切主要用于薄板零部件的表面加工，而这些表面的几何形状如果采用机械加工是难以达到要求的。还有，就是用于表面上凹槽的加工。 化学铣切的机理是晶界和晶粒的溶解化学切削。它的加工质量取决于前道机械加工的表面质量和形状。,1.6.7 化铣技术,化铣前表面准备,涂防蚀液、刻形和去掉铣削面上涂层,浸入腐蚀液腐蚀,铣切后剥离所有的防蚀层,化铣工艺,化学铣切是飞机制造和宇航工业上一种重要的、不可缺少的加工方法，特别是对成形零件的加工既可靠又有效。,许多飞机不仅在蒙皮、吊挂等部位使用化铣零件，而且在航空发动机上也大量采用化铣加工的零件。如：协和飞机的进气口侧壁是用6mm厚的铝合金以14次台阶化铣制成的整体结构；洛克希德C-5A运输机上的安全塔接板，用10.4mm的钛合金板材热成形后化铣加工出个台阶和种不同的锥形；苏-27飞机采用了化铣技术加工钛合金中央翼下壁板；波音客机的一些蒙皮零件采用了多台阶化铣加工；F119发动机上的钛合金宽弦叶片在超塑扩散连接之前采用化铣加工钛合金板材。,研究的材料齐全 不仅有铝合金、钛合金、钢及不锈钢、镍合金、铜合金等常用材料化铣工艺，而且有银、镁、金、耐高温材料、锌、玻璃、陶瓷、铍等材料的化铣工艺。 配套材料品种齐全，化铣设备齐全 机械方式刻形胶有美国ADCOAT公司的AC系列保护胶、TURCO公司的保护胶、光刻胶有KODAK公司的系列光刻胶。腐蚀溶液也有专门的公司提供，如TURCO公司。有各种检测设备、仪器。刻形技术除去常规的方法外，美国还掌握激光刻形技术、化铣实时监控技术及封闭式工件自适应提升技术。总之，在美国，化铣生产的各个环节所需要的材料与设备都有专门的公司进行研究，并提供相关产品。,80年代前美国、英国化铣工艺已经非常成熟，表现在以下几方面。,各家航空公司都有相应的工艺标准 波音公司BAC标准、麦道公司DPS标准中，对化铣前后的各种相关材料及工艺都有相关标准。 俄罗斯的化铣技术落后于美、英国家，主要是俄罗斯所采用的工艺方法和化铣材料对环境影响比较大，同时标准单一，可选择余地小。,化学铣切的飞机零件,化铣放射肋壁板,化学铣切的飞机零件,化学铣切的飞机零件,1.6.8 精密钣金成形技术 先进飞机钣金壁板的明显特点是蒙皮厚、筋条高、结构网格化、整体集成度大、结构刚度大和难以成形。第三代飞机和大型飞机气动外形要求严、寿命要求长，钣金件不许敲击成形，大都采用精密成形技术。,在浅筋条小曲率壁板的研制生产中，采用先进的喷丸成形技术。波音的数控喷丸系统，不仅可控制成形参数，而且可预测和控制喷丸强化与抛光工序对壁板外形的影响，并研发了叶轮式数控抛丸设备。 在高筋网格式整体壁板研制生产中，开发压弯与喷丸复合成形技术，发展了带自适应系统的数控压弯机。 对大型飞机的超大型壁板发展了应力松弛成形/校形技术，洛克威尔公司和美国空军联合开发这种技术，用于制造B-1B轰炸机的机翼上、下壁板，长50mm，最大宽度9mm，厚度从0.1mm变到2.5mm，带有突变和筋条，据称是世界上用该技术成形的最大壁板。,精密钣金成形技术包括： 成形过程的数值仿真和变形过程的预测技术 材料在成形后的性能研究 成形过程的精确监测、控制和在线检测技术 在成形设备方面，除扩大规格外，弯管、旋压、滚弯、拉形、橡皮囊液压成形、喷丸及压弯设备等均已普遍实现计算机控制，并实现了位移、载荷控制的精密化。,1.6.9无外形卡板型架装配技术 数字化传递技术、精确成形技术、高精度的数控加工技术以及整体结构件的刚性是无外形卡板型架装配技术的基础，无外形卡板型架装配系统主要由激光跟踪定位仪（或电子经纬测量仪）和装配平台等组成。无外形卡板型架装配技术可实现模块化，通用性强，生产准备周期短。产品装配定位准确，部件装配开敞，效率高，发达国家已在军机、民机装配中广泛应用。,1.6.10 数字化设计制造和管理技术 长期以来，飞机设计制造一直遵循着传统的二维设计、模线样板、标准样件方法，这种模拟量传递路线长，误差大，生产准备周期长，使用保管不方便，更改费时费工，成本高，弊端很大。数字化设计制造技术则完全改变了上述工作方法，它采用三维数字化定义，把飞机的结构和零件全部用三维实体描述出来，并且把各种技术要求、设计说明、材料公差等非几何信息以及各结构之间的相对位置表示清楚。, 在此基础上进行虚拟装配，检查零部件之间是否发生干涉以及它们之间的间隙，排除某些设计的不合理性，最终形成数字样机。数字样机作为制造依据，基本上实现了精确设计，极大限度减少了工程更改，节省了大量工装模具和生产准备时间。飞机是通过数字化模型来表达的，各阶段可共享模型数据，因此在产品设计同时，可进行CAE分析计算、工装设计、工艺设计、可制造性分析，并进行数字化传递，为并行工程创造了条件。数字化设计制造技术完全改变了原来的设计制造方法，包括标准、规范和技术体系，所以它是体系性和全局性的技术，使传统的飞机设计制造技术发生了革命性的变化。,90年代以来，西方发达国家通过实践已逐步认识到先进制造技术必须与先进管理技术相结合才有前途，并重视了先进管理技术的研究。1991年美国提出敏捷制造（AM）概念以后，一系列综合考虑人-技术-组织的新概念不断涌现，诸如精益生产（LP）、准时生产（JIT）等，促使航空业飞速发展。,精益生产的内涵是赋予基层生产单位以高度的权力，运用一切先进制造技术尽善尽美地生产出用户满意的产品，实现零库存，最大限度地减少在制品和一切不增值的环节，使企业的制造资源得到合理的配置和最有效的利用，以有限的资源获取最大的效益。精益生产的特点主要在于“精良”和“效益” ，其中“消灭一切浪费”的哲理值得借鉴。,精益生产,波音公司在生产组织上采用了精益生产模式，取得了较好的经验。现在还要求承担他们产品的转包厂商按精益生产模式组织生产，并为此提供培训。,敏捷制造概念是美国里海大学1991年提出的，是指制造系统在满足低成本和高质量的同时，对变幻莫测的市场需求的快速反应。这对航空新产品的研制和生产尤为重要。敏捷制造的支持技术是基于网络的异地设计和制造、供应链管理、电子商务等。将高素质的员工、动态灵活的虚拟组织结构、先进的柔性生产技术进行全面集成，使企业能对持续变化、不可预测的市场需求作出快速反应，由此获得长期的经济效益。,敏捷制造,第二章 飞机制造中的尺寸传递体系及其实现,2.1 飞机制造的互换和协调,2.1.1 互换和协调的基本概念,2.1.2 飞机制造中的互换要求,2.1.3 保证互换性的意义,2.1.1 互换和协调的基本概念,飞机批量生产要求其结构零、组、部件具有一定的互换性和严格的协调性。 互换性是产品相互配合部分的结构属性，它指同名零、组、部件在几何尺寸、形位参数和物理、机械性能各方面都能相互取代而具有的一致性。 协调性指有协调关系（配合、对应关系等）的几何尺寸、形位参数都能兼容而具有的一致性。,由于飞机结构零件众多，型面复杂，尺寸大而刚度低，装配阶段容易变形等特点，除了对一般零、组、部件的几何尺寸和形位参数有互换性和协调性要求之外，还对部件气动力外形和相对位置、部件对接分离面有互换协调要求；对零、组、部件的结构强度、重量、重心位置等有互换性要求。 经验证明，单纯靠采用公差配合制度和各种传统的通用量具很难保证上述飞机制造的互换协调要求。,分类,按性质分类,使用互换性 生产互换性,外部互换性 内部互换性,完全互换 不完全互换（替换）,按互换部位,按互换级别,互换性的分类,使用互换性：为了保证飞机的正常使用，对在使用中可能损坏的机体部件、组合件（如机翼、尾翼、活动面、各种舱门、口盖）或成品件（如发动机、特种设备、仪表、油箱等），要求具有不经挑选和补充加工就能更换，并在更换后不影响飞机使用性能的要求。,生产互换性：为了保证生产的正常进行，对飞机的零件、装配件、段件和部件在装配或对接时，不经挑选或修配就能满足装配或对接要求而不影响产品装配质量的特性。要求具有生产互换性的范围比使用互换性的范围要广得多。,外部互换性：机体和成品件的互换性。 内部互换性：机体内各结构单元的互换性。,不完全互换（替换性）：更换某些具有复杂配合形状的组合件或部件，允许在现场进行修配或补充加工来达到使用要求。,2.1.2 飞机制造中的互换要求,1.气动力外形的互换要求 组合件和部件本身的气动力外形互换 组合件、部件与相邻件相对位置技术要求 2.部件对接接头的互换要求 对接配合部位的协调要求 对接处间隙要求 对接处切面外形吻合性要求 3.强度互换要求 4.重量（包括重心）互换要求,2.1.3 保证互换性的意义,不言而喻,2.2 保证互换协调的尺寸传递原理 2.2.1 保证协调准确度的基本方法,2.2.2 按独立制造原则进行协调,2.2.3按相互联系原则进行协调,2.2.4按相互修配原则进行协调,2.2.5三种尺寸传递原则的应用,2.2 保证互换协调的尺寸传递原理,从保证飞机产品几何准确度的角度看，产品的制造过程就是将产品图样上的理论尺寸以最小的误差传递到产品上去的过程。传统的飞机制造模式中，飞机零件大多为钣金件，不能用一般的机械加工方法来制造，而是利用大量的标准和专用的工艺装备来制造，这些工艺装备能以实物模拟量体现产品的尺寸和形状。在将这些零件装配成组合件和部件时，其装配准确度和互换性的保证方法也不能像一般机械产品那样靠零件的制造准确度本身来保证，而必须要以上述装配工艺装备来保证。,在飞机制造中，将产品理论尺寸传递到工艺装备上去往往要经过很多传递环节和多次反复移形过程。在制订产品的装配和协调方案时，要注意选择合理的、能保证各类工艺装备协调的尺寸传递体系（协调路线）。,工艺装备的协调路线是：根据所采用的尺寸传递体系说明，由产品图纸通过实物模拟量（模线、样板、标准工艺装备）或数字信息（产品几何数学模型），将机体上某一配合或对接部位中一个或一组协调的尺寸和形状，传递到有关工艺装备上去的传递环节、传递关系和传递流程图。,2.2.1保证协调准确度的基本方法,无论是采用一般及其制造中的公差配合制度，还是采用模线样板方法作为飞机制造中保证互换性的方法，产品互换性的基础都是保证制造准确度与协调准确度。,图纸,量具,工艺装备,产品,尺寸传递过程,显然要使两个相互配合的零件的同名尺寸相互协调，它们的尺寸传递过程之间就必然存在一定的联系。如图所示，零件A和零件B是要相互协调的。假定LA和LB是协调尺寸，则它们的形成经过了许多次尺寸传递，其中有的是两个尺寸公共的环节，有的尺寸是两个尺寸各自的环节，后者将产生两个尺寸的协调误差AB。,保证协调准确度的基本方法,联系因数K（表示两个零件在尺寸传递过程中的联系紧密程度）：,m1,独立制造原则； m1, 相互联系原则； n1n21,相互修配原则。,2.2.2按独立制造原则进行协调,制造误差的方程式可以写成下列形式：,因此，A和B零件尺寸的协调误差可由下式确定：,协调误差带公式为：,相互配合的零件，按独立制造原则进行协调时，协调准确度实际上要低于各个零件本身的制造准确度。为保证两个零件具有比较高的协调准确度，就要求各个零件应具有更高的制造准确度。,按独立制造原则进行协调,2.2.3按相互联系原则进行协调,当零件按相互联系制造原则进行协调时，零件之间的协调准确度只取决于各零件尺寸单独传递的那些环节，尺寸传递过程中的公共环节的准确度并不影响零件之间的协调准确度。,制造误差的方程式可写成下列形式：,因此，A和B零件尺寸的协调误差可由下式确定：,协调误差带公式为：,按相互联系原则进行协调,如果其它条件相同，采用独立制造和相互联系制造两种不同的协调原则时，即使零件制造准确度相同，但却得到不同的协调准确度。按相互联系制造原则能得到更高的协调准确度。而且在尺寸传递过程中公共环节越多，协调准确度也就越高。,采用相互修配原则进行协调时，协调准确度仅决定于将A零件的尺寸传递给B零件时这一环节的准确度。,2.2.4 按相互修配原则进行协调,这种协调原则的联系系数K最大。在一般情