民用航空器制造企业金属加工设备配套工程问题探讨
发布日期：2016-11-08 来源：《上海设备管理》
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一、民用航空器制造业发展情况
1、世界民用航空器业格局
民用航空器制造业可谓制造业皇冠上的明珠。对于民用航空产品安全性、可靠性的极致要求使其制造企业必须在工业设计、材料技术、加工技术、电子系统等领域有深入的研究。当前，世界民用航空器制造业，包括整机制造和零部件制造，几乎为国外企业垄断。飞机整机制造商主要有波音、空客、庞巴迪宇航、巴西航空等，波音和空客主要生产中型、大型客机，庞巴迪和巴西航空主要针对中小型支线飞机及商务飞机市场。飞机主要零部件企业中最著名的为几大民用航空发动机公司，如罗尔斯-罗伊斯、通用电气、赛峰、普拉特•惠特尼集团等，以及其他著名航空部件制造商，如霍尼韦尔、利勃海尔、罗克韦尔•柯林斯等。
2、我国民用航空器制造业现状
我国的民用航空器制造业刚刚起步，在2008年5月11日，中国商用飞机有限责任公司在上海正式成立，上海飞机制造有限公司（简称上飞公司）隶属于中国商用飞机有限责任公司，并为其下属的总装制造中心。20世纪70年代起，上飞公司前身上海飞机制造厂，成功研制了我国自行设计、拥有我国自主知识产权的四发喷气式客机运十；80年代起与美国麦克唐纳•道格拉斯飞机公司合作生产了35架MD82/83飞机。
目前，上飞公司已形成飞机总装集成、关键零部件制造和转包生产、改装维修三大主营业务。现有两大基地：大场基地位于上海市闸北区，面积约500亩，主要承担ARJ21支线飞机的总装、交付和航空零部件转包生产等任务；浦东基地位于上海市浦东国际机场南侧上海航空产业基地内，面积约4000亩，作为支线系列飞机、大型客机和未来双通道客机的制造基地。
上飞公司作为主制造商，参与研制了ARJ21-700新型涡扇支线飞机，承担总装集成业务。ARJ21-700飞机101架机于2008年11月28日实现首飞。2014年12月30日，ARJ21-700飞机取得中国民用航空局颁发的型号合格证，标志着我国首款按照国际标准自主研制的喷气支线客机通过中国民航局适航审定，可参与民用航空运输活动。
上飞公司同时承担着C919大型客机项目的总装集成业务。2011年4月，C919大型客机研制进入适航审查阶段。2014年8月24日，C919大型客机首架机前机身部件在上飞公司浦东基地完成交付，这是C919大型客机项目研制过程中交付的首个部件。C919大型客机已完成首架机结构下架，正在开展气密试验和系统总装。
1979年起，上飞公司为美国原麦克唐纳•道格拉斯飞机公司加工生产民用飞机零部件，并成为MD80飞机平尾、主起舱门等多个部件的唯一供应商。2006年与空客公司签订1000架A320系列飞机前货舱门门框合同，2008年4月首架交付，2014年3月与AEROLIA公司签署空客A320货舱门门框后续1000架合同，累计准时交付93个月，荣获AEROLIA公司首次全球评选的最佳工作包供应商。
由上述上飞公司的业务可知，无论是型号总装集成还是转包项目生产，上飞公司承担着一些关键零部件的生产任务，这些任务由于具有一定的特殊性、专业性和保密性，可能无法外协给社会制造业力量进行加工。因此，上飞公司的金属加工设备配套工程必须紧紧围绕着这些关键零部件展开，保障瓶颈加工任务不间断的同时，着重关注机械设备加工的经济性，保障飞机关键零部件的持续性盈利性产出。
二、民用航空器零部件金属加工的特点
一项研究显示，“对于起飞总重为25000千克、航程为1200海里、速度为800公里/小时的民用飞机，如果空机重量增加1000克，为保持飞机的起飞推重比及机翼翼载荷不变，飞机的起飞总重将要增加2300至2600克。”飞机的自重越大，起飞重量就会成比例增大。还有研究显示，“在飞机研制中每单位重量（克或磅）的价值一直是国际上的研究热点,减轻飞机重量,其研制费的节省很可观,对运营收益的增加也相当明显,以1千克重量为例,相关研究表明,减轻1000克节约的研制费用为575至690美元。而在运营角度，以飞机使用寿命20年计，减轻1千克机体重量增加的收益为7360美元。”可见对于民用航空器的减重工程而言，“一克重量一克金”。
正是由于对减重有着极高的要求，同时必须保证结构强度，导致民用航空器制造有如下主要特点：结构形状复杂，如各种槽腔结构形式、下陷、加强筋及凸缘，空间复杂曲面等；尺寸大，如长桁结构件、大梁、壁板结构件等；材料难加工，如钛合金等；材料去除率高，部分零件可达90%以上；零件表面质量要求高；尺寸精度及形位公差要求高；零件品种规格多，但批量较小等。
飞机零件的机翼壁板以及机身的各种框、梁、肋等零件采用整体结构，零件由整体厚板料镂空加工制成，材料去除量很大，可达整个毛坯的80%～90%，最终成品件的重量只有毛坯件的10%～20%。使用常规机床进行加工工时消耗非常大，有些零件可能需要数个月才能完成。另外，如果工件水平放置，由于重力原因，加工时在这些零件腔、槽内会堆积大量热切屑，加工中操作人员不允许接近切削区，不能对堆积的切屑进行及时清理，切屑、刀具和工件的相互摩擦挤压就可能造成零件的热变形，也会影响零件的表面质量，严重时甚至会造成刀具或主轴损坏。加工中产生的切屑量大，切屑的及时清理回收增加了辅助加工时间，从而增加了成本。
三、针对民用航空器零部件金属加工特点建立的设备配套工程
1、金属加工设备的选型
鉴于上述民用航空器零部件制造的特点，金属加工设备选型是做好设备配套工程的第一步，也是最重要的一步。下面分别针对大切削量，复杂型面，大量铝屑堆积切削三方面进行讨论。
（1）大切削量加工
按常规低速金属加工方法加工大型复杂整体结构件（如机身整体框）、薄壁件等难加工零件，加工周期长，工艺路线复杂，很难满足生产周期要求。另外，铝合金、钛合金等航空材料有如下特性：化学活性大，低速加工的高温会在表面形成硬化层，切削面产生粘附现象；导热性差，散热差导致刀具切削刃温度大幅上升，刀具磨损加快，寿命缩短；弹性模量小，在切削力作用下，容易产生变形、已加工表面回弹，刀具后刀面与已加工表面发生剧烈摩擦，影响加工表面质量。
高速切削是解决航空合金材料大切削量加工的有效手段之一：加工效率高，切削力小，试件表面温度低，表面加工精度高，特别适合加工薄壁整体结构件。同济大学李沪曾教授等人的研究表明：应用高速铣削技术加工薄壁整体结构件，可以有效地控制和减小加工变形，并且大幅度提高效率，缩短时间。目前上飞公司正大量应用高速电主轴进行金属加工，通过采购配备高速电主轴的机床；或取代传统机械主轴，通过机床改造项目，将机械主轴改造成高速电主轴，两者都在生产效率及加工质量方面收效显著。提高加工零件表面光洁度，有效减少甚至取消后续工序，如人工打磨修整等工作；工艺路线简化减少了零件加工的辅助时间，缩短零件制造周期。但是目前国内基本没有质量较可靠的高速电主轴生产厂家，电主轴基本依赖进口，随之而来的维修成本和备件成本居高不下，也是目前影响金属加工效益的重要原因之一，公司需要在设备配套中不断摸索，寻找性价比较高的电主轴供应商，并在平时使用时积累加工经验，注意保养，总结维修经验，从使用上提高电主轴的使用寿命。
另外一种提高加工效率的方式是选择多龙门多主轴机床，在同一个工作台上设置多个龙门架，每个龙门架上设置多个主轴头的多龙门多主轴机床可以有效提高加工效率。在加工大型或超长零件时，由于每个龙门架的加工行程都可以覆盖整个机床工作台，既可以一个龙门架利用整个工作台进行加工，也可以多个龙门架对同一个零件进行分段加工，相当于多台机床同时加工。
（2）复杂型面加工
龙门式和桥式铣床是典型的用于飞机大型复杂整体结构件加工的机床。龙门结构具有大加工范围、高刚性、较好热变形特性等优点，能有效减少机床变形和振动的发生。飞机零件加工的龙门式高速机床大多采用固定工作台、移动龙门结构。总体结构和传统龙门机床差别不大，机床结构刚性好，X坐标的驱动负载变化不大，适应高速机床对坐标驱动快速响应和高稳定性的要求，缺点是可移动的整个龙门架具有较大的移动质量，而且整个龙门架的驱动点与龙门架的重心距离较远，不能适应更高的动态性能要求，一般用于主轴转速和进给速度相对不高而机床功率要求较高的场合。
高架桥式高速铣床将龙门机床中的立柱从龙门中分离了出来，根据机床X轴行程大小，设置数个立柱，并固定在地基上，导轨、驱动和位置反馈装置安装在固定于立柱上的导轨底座上，横梁运动部件，包括横梁、横滑板和铣头的滑枕部件，在导轨上移动；带高速主轴的双摆角铣头或三坐标铣头安装在垂向滑枕的底部，在横滑板上移动，横滑板在横梁上作横向移动。由于可移动部件减少，加之对横梁、横滑板及铣头的滑枕等构件进行有限元分析和设计结构优化，要求以最小的构件质量获得最高的刚度，从而有效减少了运动部件的重量，而且使移动部件的驱动点与运动部件的重心更靠近，同时采用高性能直线导轨和大导程精密丝杠，使得高架桥式高速铣床的动态性能有很大的提高。
（3）大量铝屑堆积切削
飞机零件的机翼壁板以及机身的各种框、梁、肋等零件采用整体结构，零件由整体厚板料镂空加工制成，材料去除量很大，可达整个毛坯的85%，零件表面布满大小各异的腔、槽，若工件水平放置，加工中产生的大量热切屑会堆积在腔、槽中，出于安全考虑，高速加工中操作人员不允许接近切削区，不能对堆积的切屑进行及时清理，切屑、刀具和工件的相互摩擦挤压就可能造成零件的热变形，也会影响零件的表面质量，严重时甚至造成刀具或主轴损坏。加工中产生的切屑量大，切屑的及时清理回收也成了问题，会增加辅助加工时间。
立式工作台高速机床很好地解决了上述问题。该类机床结构类似于落地式镗铣床的总体结构，带高速主轴头的滑枕在滑板上水平进给，滑板在立柱上作上下移动，立柱在床身上水平移动；工作台为立式可翻转结构，加工状态时，工作台处在垂直位置，加工中产生的大量切屑会自然落下，也可以用辅助吹气清除系统很容易地将切屑从工件上吹落，由设置在工作台下部的切屑自动清除装置随时运至机床外部，便于清理回收。加工前或加工完成后，工作台可翻转至水平位置，便于零件的装夹和准备。双工作台可以减少辅助时间，使零件装夹和加工在同一时间进行。
2、设备配套工程中遇到的问题
生产设备的购置投资，是公司固定资产投资的重要组成部分，购置合理的生产设备，可以帮助公司节省设备类固定资产投资的开支，并提高公司的生产和盈利能力。设备配套工程需要将设备采购与车间实际加工对象数量、工艺特点、车间计划产能、工艺及操作能力等指标相结合，将设备前期规划、选型、采购与后期实际用于生产、创造盈利相结合，使所采购的设备发挥最大功效，为公司创造最大效益。在民用航空器金属加工设备配套工程中，存在如下几个较典型问题。
（1）大机小用
某车间一台五轴联动卧式镗铣床的采购价格约250万欧元，折合人民币约2000万元（按照当前欧元人民币汇率约1:8计算），如果该台设备可以正常运行20年，假设每年刀具、冷却液等耗材、维修保养材料、电力能耗及工艺、操作、维修人员工资等总使用成本为80万元，20年的总共花费约为3600万元，按照每年250个有效工作日，每个工作日8小时计算，每小时的设备使用成本为：0.09万元/小时。
由上可知，使用该台设备加工零件，每小时的成本约为900元，若加工某零件的利润小于900元/小时，则可以认为利用该台设备加工此种零件不合理，会造成亏损。
该台卧式镗铣床的加工范围是2.5米×5.5米的矩形台面+2.5米×2.5米方形旋转台面，加工有效高度为4米，可以加工各类大型、需要五轴联动加工的零部件。经过多次实地查看，发现该台设备加工的对象多为小型的平板件，用一般的三坐标加工中心就可以完成加工，这类零部件的加工利润较低，无法产生900元/小时的利润。
因此，车间在选择设备加工该类小型平板零件时，需要考虑选择其他加工成本更低的机床进行生产；或者在机床选型的时候，需避免选择采购这类单位加工成本较高，且不符合车间95%以上零件加工需求的设备，避免出现“大马拉小车”的浪费情况出现，为公司节约成本，创造盈利。如果确有需要用到大型的五轴联动精密机床加工的零件（占零件总数的5%以内），可以考虑将该部分零件外协加工，既节约了成本，也保证了质量。
（2）精机粗用
某车间一台五轴联动精密镗铣床，常年处于恒温恒湿间内，使用成本较高，实际加工的对象为需要三坐标加工的零件，加工工艺基本不以镗铣精密加工为主，从毛坯粗加工开始，一直加工到最后一刀精加工。这种粗精加工合并、从头到尾在一台机器上完成的粗放式加工工艺，不但无法收回设备投资成本，粗加工时还会对机床造成过载磨损，久而久之失去出厂加工精度，“精机”迅速变成“粗机”，丧失设备应有价值，给公司造成严重损失。
（3）技术指标虚高浪费
某车间原先的真空吸盘规格为20厘米厚，在设备选型时为了配合使用该类真空吸盘，该车间提出的技术要求为：在Z轴有效行程上额外增加20厘米，以满足零件装夹需要。设备采购后不久，这种规格的真空吸盘被更薄的真空吸盘取代，相应所有的台面都需要垫高20厘米以配合原先的Z轴最大有效行程。其中：卧式机床需将台面向主轴方向推近20厘米；立式机床需垫高台面20厘米补足距离。由于该车间设备种类繁多，需针对每一台设备制定不同的解决方案，其中有一种是基于原先移动式台面的基础上增加一个附加台面。假设原先的台面最大负载为20吨，在增加了一个约10吨重的附加台面后，最大负载就减少为10吨，可加工的零件重量范围减少50%。另外，由于增加了台面，相当于机床在所谓“空载”的情况下，实际上是处于半载荷状态，附加工作台面对导轨滑块、滚珠丝杠、及驱动电机始终产生负载，此时放上10吨的零件（原先的10吨仅为半载荷状态），机床将处于满载状态。满载状态下运行机床会加大机械部件的磨损，缩短机床使用寿命。
四、结语
经过60余年的发展，上飞公司积累了雄厚的民用航空器制造技术实力、完善的加工制造设备及手段、丰富的生产经营管理经验和可靠的产品质量保证体系，从修理到制造，从单纯国内生产到国际合作生产再到自主知识产权的飞机研制，综合实力不断增强。
通过不断积累民用航空器制造设备配套的成功经验，上飞公司将会制造出更经济、更舒适的大型客机和新支线飞机，为中国民用航空工业的振兴出一份力，发展成为世界民机领域一流总装制造企业，最具效率、最值得信赖的航空总装制造商之一。
作者：赵刚 黄春泉 中国商飞上海飞机制造有限公司
