民用航空器制造企業(yè)金屬加工設(shè)備配套工程問(wèn)題探討
發(fā)布日期：2016-11-08 來(lái)源：《上海設(shè)備管理》
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一、民用航空器制造業(yè)發(fā)展情況
1、世界民用航空器業(yè)格局
民用航空器制造業(yè)可謂制造業(yè)皇冠上的明珠。對(duì)于民用航空產(chǎn)品安全性、可靠性的極致要求使其制造企業(yè)必須在工業(yè)設(shè)計(jì)、材料技術(shù)、加工技術(shù)、電子系統(tǒng)等領(lǐng)域有深入的研究。當(dāng)前，世界民用航空器制造業(yè)，包括整機(jī)制造和零部件制造，幾乎為國(guó)外企業(yè)壟斷。飛機(jī)整機(jī)制造商主要有波音、空客、龐巴迪宇航、巴西航空等，波音和空客主要生產(chǎn)中型、大型客機(jī)，龐巴迪和巴西航空主要針對(duì)中小型支線飛機(jī)及商務(wù)飛機(jī)市場(chǎng)。飛機(jī)主要零部件企業(yè)中最著名的為幾大民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司，如羅爾斯-羅伊斯、通用電氣、賽峰、普拉特•惠特尼集團(tuán)等，以及其他著名航空部件制造商，如霍尼韋爾、利勃海爾、羅克韋爾•柯林斯等。
2、我國(guó)民用航空器制造業(yè)現(xiàn)狀
我國(guó)的民用航空器制造業(yè)剛剛起步，在2008年5月11日，中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司在上海正式成立，上海飛機(jī)制造有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)上飛公司）隸屬于中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司，并為其下屬的總裝制造中心。20世紀(jì)70年代起，上飛公司前身上海飛機(jī)制造廠，成功研制了我國(guó)自行設(shè)計(jì)、擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的四發(fā)噴氣式客機(jī)運(yùn)十；80年代起與美國(guó)麥克唐納•道格拉斯飛機(jī)公司合作生產(chǎn)了35架MD82/83飛機(jī)。
目前，上飛公司已形成飛機(jī)總裝集成、關(guān)鍵零部件制造和轉(zhuǎn)包生產(chǎn)、改裝維修三大主營(yíng)業(yè)務(wù)�，F(xiàn)有兩大基地：大場(chǎng)基地位于上海市閘北區(qū)，面積約500畝，主要承擔(dān)ARJ21支線飛機(jī)的總裝、交付和航空零部件轉(zhuǎn)包生產(chǎn)等任務(wù)；浦東基地位于上海市浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)南側(cè)上海航空產(chǎn)業(yè)基地內(nèi)，面積約4000畝，作為支線系列飛機(jī)、大型客機(jī)和未來(lái)雙通道客機(jī)的制造基地。
上飛公司作為主制造商，參與研制了ARJ21-700新型渦扇支線飛機(jī)，承擔(dān)總裝集成業(yè)務(wù)。ARJ21-700飛機(jī)101架機(jī)于2008年11月28日實(shí)現(xiàn)首飛。2014年12月30日，ARJ21-700飛機(jī)取得中國(guó)民用航空局頒發(fā)的型號(hào)合格證，標(biāo)志著我國(guó)首款按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)自主研制的噴氣支線客機(jī)通過(guò)中國(guó)民航局適航審定，可參與民用航空運(yùn)輸活動(dòng)。
上飛公司同時(shí)承擔(dān)著C919大型客機(jī)項(xiàng)目的總裝集成業(yè)務(wù)。2011年4月，C919大型客機(jī)研制進(jìn)入適航審查階段。2014年8月24日，C919大型客機(jī)首架機(jī)前機(jī)身部件在上飛公司浦東基地完成交付，這是C919大型客機(jī)項(xiàng)目研制過(guò)程中交付的首個(gè)部件。C919大型客機(jī)已完成首架機(jī)結(jié)構(gòu)下架，正在開(kāi)展氣密試驗(yàn)和系統(tǒng)總裝。
1979年起，上飛公司為美國(guó)原麥克唐納•道格拉斯飛機(jī)公司加工生產(chǎn)民用飛機(jī)零部件，并成為MD80飛機(jī)平尾、主起艙門(mén)等多個(gè)部件的唯一供應(yīng)商。2006年與空客公司簽訂1000架A320系列飛機(jī)前貨艙門(mén)門(mén)框合同，2008年4月首架交付，2014年3月與AEROLIA公司簽署空客A320貨艙門(mén)門(mén)框后續(xù)1000架合同，累計(jì)準(zhǔn)時(shí)交付93個(gè)月，榮獲AEROLIA公司首次全球評(píng)選的最佳工作包供應(yīng)商。
由上述上飛公司的業(yè)務(wù)可知，無(wú)論是型號(hào)總裝集成還是轉(zhuǎn)包項(xiàng)目生產(chǎn)，上飛公司承擔(dān)著一些關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)任務(wù)，這些任務(wù)由于具有一定的特殊性、專(zhuān)業(yè)性和保密性，可能無(wú)法外協(xié)給社會(huì)制造業(yè)力量進(jìn)行加工。因此，上飛公司的金屬加工設(shè)備配套工程必須緊緊圍繞著這些關(guān)鍵零部件展開(kāi)，保障瓶頸加工任務(wù)不間斷的同時(shí)，著重關(guān)注機(jī)械設(shè)備加工的經(jīng)濟(jì)性，保障飛機(jī)關(guān)鍵零部件的持續(xù)性盈利性產(chǎn)出。
二、民用航空器零部件金屬加工的特點(diǎn)
一項(xiàng)研究顯示，“對(duì)于起飛總重為25000千克、航程為1200海里、速度為800公里/小時(shí)的民用飛機(jī)，如果空機(jī)重量增加1000克，為保持飛機(jī)的起飛推重比及機(jī)翼翼載荷不變，飛機(jī)的起飛總重將要增加2300至2600克。”飛機(jī)的自重越大，起飛重量就會(huì)成比例增大。還有研究顯示，“在飛機(jī)研制中每單位重量（克或磅）的價(jià)值一直是國(guó)際上的研究熱點(diǎn),減輕飛機(jī)重量,其研制費(fèi)的節(jié)省很可觀,對(duì)運(yùn)營(yíng)收益的增加也相當(dāng)明顯,以1千克重量為例,相關(guān)研究表明,減輕1000克節(jié)約的研制費(fèi)用為575至690美元。而在運(yùn)營(yíng)角度，以飛機(jī)使用壽命20年計(jì)，減輕1千克機(jī)體重量增加的收益為7360美元。”可見(jiàn)對(duì)于民用航空器的減重工程而言，“一克重量一克金”。
正是由于對(duì)減重有著極高的要求，同時(shí)必須保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，導(dǎo)致民用航空器制造有如下主要特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，如各種槽腔結(jié)構(gòu)形式、下陷、加強(qiáng)筋及凸緣，空間復(fù)雜曲面等；尺寸大，如長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)件、大梁、壁板結(jié)構(gòu)件等；材料難加工，如鈦合金等；材料去除率高，部分零件可達(dá)90%以上；零件表面質(zhì)量要求高；尺寸精度及形位公差要求高；零件品種規(guī)格多，但批量較小等。
飛機(jī)零件的機(jī)翼壁板以及機(jī)身的各種框、梁、肋等零件采用整體結(jié)構(gòu)，零件由整體厚板料鏤空加工制成，材料去除量很大，可達(dá)整個(gè)毛坯的80%～90%，最終成品件的重量只有毛坯件的10%～20%。使用常規(guī)機(jī)床進(jìn)行加工工時(shí)消耗非常大，有些零件可能需要數(shù)個(gè)月才能完成。另外，如果工件水平放置，由于重力原因，加工時(shí)在這些零件腔、槽內(nèi)會(huì)堆積大量熱切屑，加工中操作人員不允許接近切削區(qū)，不能對(duì)堆積的切屑進(jìn)行及時(shí)清理，切屑、刀具和工件的相互摩擦擠壓就可能造成零件的熱變形，也會(huì)影響零件的表面質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐傻毒呋蛑鬏S損壞。加工中產(chǎn)生的切屑量大，切屑的及時(shí)清理回收增加了輔助加工時(shí)間，從而增加了成本。
三、針對(duì)民用航空器零部件金屬加工特點(diǎn)建立的設(shè)備配套工程
1、金屬加工設(shè)備的選型
鑒于上述民用航空器零部件制造的特點(diǎn)，金屬加工設(shè)備選型是做好設(shè)備配套工程的第一步，也是最重要的一步。下面分別針對(duì)大切削量，復(fù)雜型面，大量鋁屑堆積切削三方面進(jìn)行討論。
（1）大切削量加工
按常規(guī)低速金屬加工方法加工大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件（如機(jī)身整體框）、薄壁件等難加工零件，加工周期長(zhǎng)，工藝路線復(fù)雜，很難滿足生產(chǎn)周期要求。另外，鋁合金、鈦合金等航空材料有如下特性：化學(xué)活性大，低速加工的高溫會(huì)在表面形成硬化層，切削面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象；導(dǎo)熱性差，散熱差導(dǎo)致刀具切削刃溫度大幅上升，刀具磨損加快，壽命縮短；彈性模量小，在切削力作用下，容易產(chǎn)生變形、已加工表面回彈，刀具后刀面與已加工表面發(fā)生劇烈摩擦，影響加工表面質(zhì)量。
高速切削是解決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，試件表面溫度低，表面加工精度高，特別適合加工薄壁整體結(jié)構(gòu)件。同濟(jì)大學(xué)李滬曾教授等人的研究表明：應(yīng)用高速銑削技術(shù)加工薄壁整體結(jié)構(gòu)件，可以有效地控制和減小加工變形，并且大幅度提高效率，縮短時(shí)間。目前上飛公司正大量應(yīng)用高速電主軸進(jìn)行金屬加工，通過(guò)采購(gòu)配備高速電主軸的機(jī)床；或取代傳統(tǒng)機(jī)械主軸，通過(guò)機(jī)床改造項(xiàng)目，將機(jī)械主軸改造成高速電主軸，兩者都在生產(chǎn)效率及加工質(zhì)量方面收效顯著。提高加工零件表面光潔度，有效減少甚至取消后續(xù)工序，如人工打磨修整等工作；工藝路線簡(jiǎn)化減少了零件加工的輔助時(shí)間，縮短零件制造周期。但是目前國(guó)內(nèi)基本沒(méi)有質(zhì)量較可靠的高速電主軸生產(chǎn)廠家，電主軸基本依賴(lài)進(jìn)口，隨之而來(lái)的維修成本和備件成本居高不下，也是目前影響金屬加工效益的重要原因之一，公司需要在設(shè)備配套中不斷摸索，尋找性?xún)r(jià)比較高的電主軸供應(yīng)商，并在平時(shí)使用時(shí)積累加工經(jīng)驗(yàn)，注意保養(yǎng)，總結(jié)維修經(jīng)驗(yàn)，從使用上提高電主軸的使用壽命。
另外一種提高加工效率的方式是選擇多龍門(mén)多主軸機(jī)床，在同一個(gè)工作臺(tái)上設(shè)置多個(gè)龍門(mén)架，每個(gè)龍門(mén)架上設(shè)置多個(gè)主軸頭的多龍門(mén)多主軸機(jī)床可以有效提高加工效率。在加工大型或超長(zhǎng)零件時(shí)，由于每個(gè)龍門(mén)架的加工行程都可以覆蓋整個(gè)機(jī)床工作臺(tái)，既可以一個(gè)龍門(mén)架利用整個(gè)工作臺(tái)進(jìn)行加工，也可以多個(gè)龍門(mén)架對(duì)同一個(gè)零件進(jìn)行分段加工，相當(dāng)于多臺(tái)機(jī)床同時(shí)加工。
（2）復(fù)雜型面加工
龍門(mén)式和橋式銑床是典型的用于飛機(jī)大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件加工的機(jī)床。龍門(mén)結(jié)構(gòu)具有大加工范圍、高剛性、較好熱變形特性等優(yōu)點(diǎn)，能有效減少機(jī)床變形和振動(dòng)的發(fā)生。飛機(jī)零件加工的龍門(mén)式高速機(jī)床大多采用固定工作臺(tái)、移動(dòng)龍門(mén)結(jié)構(gòu)。總體結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)龍門(mén)機(jī)床差別不大，機(jī)床結(jié)構(gòu)剛性好，X坐標(biāo)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載變化不大，適應(yīng)高速機(jī)床對(duì)坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)快速響應(yīng)和高穩(wěn)定性的要求，缺點(diǎn)是可移動(dòng)的整個(gè)龍門(mén)架具有較大的移動(dòng)質(zhì)量，而且整個(gè)龍門(mén)架的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)與龍門(mén)架的重心距離較遠(yuǎn)，不能適應(yīng)更高的動(dòng)態(tài)性能要求，一般用于主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度相對(duì)不高而機(jī)床功率要求較高的場(chǎng)合。
高架橋式高速銑床將龍門(mén)機(jī)床中的立柱從龍門(mén)中分離了出來(lái)，根據(jù)機(jī)床X軸行程大小，設(shè)置數(shù)個(gè)立柱，并固定在地基上，導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)和位置反饋裝置安裝在固定于立柱上的導(dǎo)軌底座上，橫梁運(yùn)動(dòng)部件，包括橫梁、橫滑板和銑頭的滑枕部件，在導(dǎo)軌上移動(dòng)；帶高速主軸的雙擺角銑頭或三坐標(biāo)銑頭安裝在垂向滑枕的底部，在橫滑板上移動(dòng)，橫滑板在橫梁上作橫向移動(dòng)。由于可移動(dòng)部件減少，加之對(duì)橫梁、橫滑板及銑頭的滑枕等構(gòu)件進(jìn)行有限元分析和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，要求以最小的構(gòu)件質(zhì)量獲得最高的剛度，從而有效減少了運(yùn)動(dòng)部件的重量，而且使移動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)部件的重心更靠近，同時(shí)采用高性能直線導(dǎo)軌和大導(dǎo)程精密絲杠，使得高架橋式高速銑床的動(dòng)態(tài)性能有很大的提高。
（3）大量鋁屑堆積切削
飛機(jī)零件的機(jī)翼壁板以及機(jī)身的各種框、梁、肋等零件采用整體結(jié)構(gòu)，零件由整體厚板料鏤空加工制成，材料去除量很大，可達(dá)整個(gè)毛坯的85%，零件表面布滿大小各異的腔、槽，若工件水平放置，加工中產(chǎn)生的大量熱切屑會(huì)堆積在腔、槽中，出于安全考慮，高速加工中操作人員不允許接近切削區(qū)，不能對(duì)堆積的切屑進(jìn)行及時(shí)清理，切屑、刀具和工件的相互摩擦擠壓就可能造成零件的熱變形，也會(huì)影響零件的表面質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至造成刀具或主軸損壞。加工中產(chǎn)生的切屑量大，切屑的及時(shí)清理回收也成了問(wèn)題，會(huì)增加輔助加工時(shí)間。
立式工作臺(tái)高速機(jī)床很好地解決了上述問(wèn)題。該類(lèi)機(jī)床結(jié)構(gòu)類(lèi)似于落地式鏜銑床的總體結(jié)構(gòu)，帶高速主軸頭的滑枕在滑板上水平進(jìn)給，滑板在立柱上作上下移動(dòng)，立柱在床身上水平移動(dòng)；工作臺(tái)為立式可翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，加工狀態(tài)時(shí)，工作臺(tái)處在垂直位置，加工中產(chǎn)生的大量切屑會(huì)自然落下，也可以用輔助吹氣清除系統(tǒng)很容易地將切屑從工件上吹落，由設(shè)置在工作臺(tái)下部的切屑自動(dòng)清除裝置隨時(shí)運(yùn)至機(jī)床外部，便于清理回收。加工前或加工完成后，工作臺(tái)可翻轉(zhuǎn)至水平位置，便于零件的裝夾和準(zhǔn)備。雙工作臺(tái)可以減少輔助時(shí)間，使零件裝夾和加工在同一時(shí)間進(jìn)行。
2、設(shè)備配套工程中遇到的問(wèn)題
生產(chǎn)設(shè)備的購(gòu)置投資，是公司固定資產(chǎn)投資的重要組成部分，購(gòu)置合理的生產(chǎn)設(shè)備，可以幫助公司節(jié)省設(shè)備類(lèi)固定資產(chǎn)投資的開(kāi)支，并提高公司的生產(chǎn)和盈利能力。設(shè)備配套工程需要將設(shè)備采購(gòu)與車(chē)間實(shí)際加工對(duì)象數(shù)量、工藝特點(diǎn)、車(chē)間計(jì)劃產(chǎn)能、工藝及操作能力等指標(biāo)相結(jié)合，將設(shè)備前期規(guī)劃、選型、采購(gòu)與后期實(shí)際用于生產(chǎn)、創(chuàng)造盈利相結(jié)合，使所采購(gòu)的設(shè)備發(fā)揮最大功效，為公司創(chuàng)造最大效益。在民用航空器金屬加工設(shè)備配套工程中，存在如下幾個(gè)較典型問(wèn)題。
（1）大機(jī)小用
某車(chē)間一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)臥式鏜銑床的采購(gòu)價(jià)格約250萬(wàn)歐元，折合人民幣約2000萬(wàn)元（按照當(dāng)前歐元人民幣匯率約1:8計(jì)算），如果該臺(tái)設(shè)備可以正常運(yùn)行20年，假設(shè)每年刀具、冷卻液等耗材、維修保養(yǎng)材料、電力能耗及工藝、操作、維修人員工資等總使用成本為80萬(wàn)元，20年的總共花費(fèi)約為3600萬(wàn)元，按照每年250個(gè)有效工作日，每個(gè)工作日8小時(shí)計(jì)算，每小時(shí)的設(shè)備使用成本為：0.09萬(wàn)元/小時(shí)。
由上可知，使用該臺(tái)設(shè)備加工零件，每小時(shí)的成本約為900元，若加工某零件的利潤(rùn)小于900元/小時(shí)，則可以認(rèn)為利用該臺(tái)設(shè)備加工此種零件不合理，會(huì)造成虧損。
該臺(tái)臥式鏜銑床的加工范圍是2.5米×5.5米的矩形臺(tái)面+2.5米×2.5米方形旋轉(zhuǎn)臺(tái)面，加工有效高度為4米，可以加工各類(lèi)大型、需要五軸聯(lián)動(dòng)加工的零部件。經(jīng)過(guò)多次實(shí)地查看，發(fā)現(xiàn)該臺(tái)設(shè)備加工的對(duì)象多為小型的平板件，用一般的三坐標(biāo)加工中心就可以完成加工，這類(lèi)零部件的加工利潤(rùn)較低，無(wú)法產(chǎn)生900元/小時(shí)的利潤(rùn)。
因此，車(chē)間在選擇設(shè)備加工該類(lèi)小型平板零件時(shí)，需要考慮選擇其他加工成本更低的機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)；或者在機(jī)床選型的時(shí)候，需避免選擇采購(gòu)這類(lèi)單位加工成本較高，且不符合車(chē)間95%以上零件加工需求的設(shè)備，避免出現(xiàn)“大馬拉小車(chē)”的浪費(fèi)情況出現(xiàn)，為公司節(jié)約成本，創(chuàng)造盈利。如果確有需要用到大型的五軸聯(lián)動(dòng)精密機(jī)床加工的零件（占零件總數(shù)的5%以?xún)?nèi)），可以考慮將該部分零件外協(xié)加工，既節(jié)約了成本，也保證了質(zhì)量。
（2）精機(jī)粗用
某車(chē)間一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)精密鏜銑床，常年處于恒溫恒濕間內(nèi)，使用成本較高，實(shí)際加工的對(duì)象為需要三坐標(biāo)加工的零件，加工工藝基本不以鏜銑精密加工為主，從毛坯粗加工開(kāi)始，一直加工到最后一刀精加工。這種粗精加工合并、從頭到尾在一臺(tái)機(jī)器上完成的粗放式加工工藝，不但無(wú)法收回設(shè)備投資成本，粗加工時(shí)還會(huì)對(duì)機(jī)床造成過(guò)載磨損，久而久之失去出廠加工精度，“精機(jī)”迅速變成“粗機(jī)”，喪失設(shè)備應(yīng)有價(jià)值，給公司造成嚴(yán)重?fù)p失。
（3）技術(shù)指標(biāo)虛高浪費(fèi)
某車(chē)間原先的真空吸盤(pán)規(guī)格為20厘米厚，在設(shè)備選型時(shí)為了配合使用該類(lèi)真空吸盤(pán)，該車(chē)間提出的技術(shù)要求為：在Z軸有效行程上額外增加20厘米，以滿足零件裝夾需要。設(shè)備采購(gòu)后不久，這種規(guī)格的真空吸盤(pán)被更薄的真空吸盤(pán)取代，相應(yīng)所有的臺(tái)面都需要墊高20厘米以配合原先的Z軸最大有效行程。其中：臥式機(jī)床需將臺(tái)面向主軸方向推近20厘米；立式機(jī)床需墊高臺(tái)面20厘米補(bǔ)足距離。由于該車(chē)間設(shè)備種類(lèi)繁多，需針對(duì)每一臺(tái)設(shè)備制定不同的解決方案，其中有一種是基于原先移動(dòng)式臺(tái)面的基礎(chǔ)上增加一個(gè)附加臺(tái)面。假設(shè)原先的臺(tái)面最大負(fù)載為20噸，在增加了一個(gè)約10噸重的附加臺(tái)面后，最大負(fù)載就減少為10噸，可加工的零件重量范圍減少50%。另外，由于增加了臺(tái)面，相當(dāng)于機(jī)床在所謂“空載”的情況下，實(shí)際上是處于半載荷狀態(tài)，附加工作臺(tái)面對(duì)導(dǎo)軌滑塊、滾珠絲杠、及驅(qū)動(dòng)電機(jī)始終產(chǎn)生負(fù)載，此時(shí)放上10噸的零件（原先的10噸僅為半載荷狀態(tài)），機(jī)床將處于滿載狀態(tài)。滿載狀態(tài)下運(yùn)行機(jī)床會(huì)加大機(jī)械部件的磨損，縮短機(jī)床使用壽命。
四、結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)60余年的發(fā)展，上飛公司積累了雄厚的民用航空器制造技術(shù)實(shí)力、完善的加工制造設(shè)備及手段、豐富的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)和可靠的產(chǎn)品質(zhì)量保證體系，從修理到制造，從單純國(guó)內(nèi)生產(chǎn)到國(guó)際合作生產(chǎn)再到自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的飛機(jī)研制，綜合實(shí)力不斷增強(qiáng)。
通過(guò)不斷積累民用航空器制造設(shè)備配套的成功經(jīng)驗(yàn)，上飛公司將會(huì)制造出更經(jīng)濟(jì)、更舒適的大型客機(jī)和新支線飛機(jī)，為中國(guó)民用航空工業(yè)的振興出一份力，發(fā)展成為世界民機(jī)領(lǐng)域一流總裝制造企業(yè)，最具效率、最值得信賴(lài)的航空總裝制造商之一。
作者：趙剛 黃春泉 中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司
