民用航空器制造企業(yè)金屬加工設(shè)備配套工程問題探討
發(fā)布日期：2016-11-08 來源：《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、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。當前，世界民用航空器制造業(yè)，包括整機制造和零部件制造，幾乎為國外企業(yè)壟斷。飛機整機制造商主要有波音、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，龐巴迪和巴西航空主要針對中小型支線飛機及商務(wù)飛機市場。飛機主要零部件企業(yè)中最著名的為幾大民用航空發(fā)動機公司，如羅爾斯-羅伊斯、通用電氣、賽峰、普拉特•惠特尼集團等，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、我國民用航空器制造業(yè)現(xiàn)狀
我國的民用航空器制造業(yè)剛剛起步，在2008年5月11日，中國商用飛機有限責任公司在上海正式成立，上海飛機制造有限公司（簡稱上飛公司）隸屬于中國商用飛機有限責任公司，并為其下屬的總裝制造中心。20世紀70年代起，上飛公司前身上海飛機制造廠，成功研制了我國自行設(shè)計、擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的四發(fā)噴氣式客機運十；80年代起與美國麥克唐納•道格拉斯飛機公司合作生產(chǎn)了35架MD82/83飛機。
目前，上飛公司已形成飛機總裝集成、關(guān)鍵零部件制造和轉(zhuǎn)包生產(chǎn)、改裝維修三大主營業(yè)務(wù)�，F(xiàn)有兩大基地：大場基地位于上海市閘北區(qū)，面積約500畝，主要承擔ARJ21支線飛機的總裝、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際機場南側(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、大型客機和未來雙通道客機的制造基地。
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，承擔總裝集成業(yè)務(wù)。ARJ21-700飛機101架機于2008年11月28日實現(xiàn)首飛。2014年12月30日，ARJ21-700飛機取得中國民用航空局頒發(fā)的型號合格證，標志著我國首款按照國際標準自主研制的噴氣支線客機通過中國民航局適航審定，可參與民用航空運輸活動。
上飛公司同時承擔著C919大型客機項目的總裝集成業(yè)務(wù)。2011年4月，C919大型客機研制進入適航審查階段。2014年8月24日，C919大型客機首架機前機身部件在上飛公司浦東基地完成交付，這是C919大型客機項目研制過程中交付的首個部件。C919大型客機已完成首架機結(jié)構(gòu)下架，正在開展氣密試驗和系統(tǒng)總裝。
1979年起，上飛公司為美國原麥克唐納•道格拉斯飛機公司加工生產(chǎn)民用飛機零部件，并成為MD80飛機平尾、主起艙門等多個部件的唯一供應(yīng)商。2006年與空客公司簽訂1000架A320系列飛機前貨艙門門框合同，2008年4月首架交付，2014年3月與AEROLIA公司簽署空客A320貨艙門門框后續(xù)1000架合同，累計準時交付93個月，榮獲AEROLIA公司首次全球評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，無論是型號總裝集成還是轉(zhuǎn)包項目生產(chǎn)，上飛公司承擔著一些關(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、專業(yè)性和保密性，可能無法外協(xié)給社會制造業(yè)力量進行加工。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，保障瓶頸加工任務(wù)不間斷的同時，著重關(guān)注機械設(shè)備加工的經(jīng)濟性，保障飛機關(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
一項研究顯示，“對于起飛總重為25000千克、航程為1200海里、速度為800公里/小時的民用飛機，如果空機重量增加1000克，為保持飛機的起飛推重比及機翼翼載荷不變，飛機的起飛總重將要增加2300至2600克。”飛機的自重越大，起飛重量就會成比例增大。還有研究顯示，“在飛機研制中每單位重量（克或磅）的價值一直是國際上的研究熱點,減輕飛機重量,其研制費的節(jié)省很可觀,對運營收益的增加也相當明顯,以1千克重量為例,相關(guān)研究表明,減輕1000克節(jié)約的研制費用為575至690美元。而在運營角度，以飛機使用壽命20年計，減輕1千克機體重量增加的收益為7360美元。”可見對于民用航空器的減重工程而言，“一克重量一克金”。
正是由于對減重有著極高的要求，同時必須保證結(jié)構(gòu)強度，導致民用航空器制造有如下主要特點：結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，如各種槽腔結(jié)構(gòu)形式、下陷、加強筋及凸緣，空間復(fù)雜曲面等；尺寸大，如長桁結(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。
飛機零件的機翼壁板以及機身的各種框、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，可達整個毛坯的80%～90%，最終成品件的重量只有毛坯件的10%～20%。使用常規(guī)機床進行加工工時消耗非常大，有些零件可能需要數(shù)個月才能完成。另外，如果工件水平放置，由于重力原因，加工時在這些零件腔、槽內(nèi)會堆積大量熱切屑，加工中操作人員不允許接近切削區(qū)，不能對堆積的切屑進行及時清理，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，也會影響零件的表面質(zhì)量，嚴重時甚至會造成刀具或主軸損壞。加工中產(chǎn)生的切屑量大，切屑的及時清理回收增加了輔助加工時間，從而增加了成本。
三、針對民用航空器零部件金屬加工特點建立的設(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，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。下面分別針對大切削量，復(fù)雜型面，大量鋁屑堆積切削三方面進行討論。
（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（如機身整體框）、薄壁件等難加工零件，加工周期長，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：化學活性大，低速加工的高溫會在表面形成硬化層，切削面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象；導熱性差，散熱差導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。同濟大學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，縮短時間。目前上飛公司正大量應(yīng)用高速電主軸進行金屬加工，通過采購配備高速電主軸的機床；或取代傳統(tǒng)機械主軸，通過機床改造項目，將機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；工藝路線簡化減少了零件加工的輔助時間，縮短零件制造周期。但是目前國內(nèi)基本沒有質(zhì)量較可靠的高速電主軸生產(chǎn)廠家，電主軸基本依賴進口，隨之而來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，尋找性價比較高的電主軸供應(yīng)商，并在平時使用時積累加工經(jīng)驗，注意保養(yǎng)，總結(jié)維修經(jīng)驗，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多主軸機床，在同一個工作臺上設(shè)置多個龍門架，每個龍門架上設(shè)置多個主軸頭的多龍門多主軸機床可以有效提高加工效率。在加工大型或超長零件時，由于每個龍門架的加工行程都可以覆蓋整個機床工作臺，既可以一個龍門架利用整個工作臺進行加工，也可以多個龍門架對同一個零件進行分段加工，相當于多臺機床同時加工。
（2）復(fù)雜型面加工
龍門式和橋式銑床是典型的用于飛機大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件加工的機床。龍門結(jié)構(gòu)具有大加工范圍、高剛性、較好熱變形特性等優(yōu)點，能有效減少機床變形和振動的發(fā)生。飛機零件加工的龍門式高速機床大多采用固定工作臺、移動龍門結(jié)構(gòu)�？傮w結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)龍門機床差別不大，機床結(jié)構(gòu)剛性好，X坐標的驅(qū)動負載變化不大，適應(yīng)高速機床對坐標驅(qū)動快速響應(yīng)和高穩(wěn)定性的要求，缺點是可移動的整個龍門架具有較大的移動質(zhì)量，而且整個龍門架的驅(qū)動點與龍門架的重心距離較遠，不能適應(yīng)更高的動態(tài)性能要求，一般用于主軸轉(zhuǎn)速和進給速度相對不高而機床功率要求較高的場合。
高架橋式高速銑床將龍門機床中的立柱從龍門中分離了出來，根據(jù)機床X軸行程大小，設(shè)置數(shù)個立柱，并固定在地基上，導軌、驅(qū)動和位置反饋裝置安裝在固定于立柱上的導軌底座上，橫梁運動部件，包括橫梁、橫滑板和銑頭的滑枕部件，在導軌上移動；帶高速主軸的雙擺角銑頭或三坐標銑頭安裝在垂向滑枕的底部，在橫滑板上移動，橫滑板在橫梁上作橫向移動。由于可移動部件減少，加之對橫梁、橫滑板及銑頭的滑枕等構(gòu)件進行有限元分析和設(shè)計結(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，從而有效減少了運動部件的重量，而且使移動部件的驅(qū)動點與運動部件的重心更靠近，同時采用高性能直線導軌和大導程精密絲杠，使得高架橋式高速銑床的動態(tài)性能有很大的提高。
（3）大量鋁屑堆積切削
飛機零件的機翼壁板以及機身的各種框、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，可達整個毛坯的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)，不能對堆積的切屑進行及時清理，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，也會影響零件的表面質(zhì)量，嚴重時甚至造成刀具或主軸損壞。加工中產(chǎn)生的切屑量大，切屑的及時清理回收也成了問題，會增加輔助加工時間。
立式工作臺高速機床很好地解決了上述問題。該類機床結(jié)構(gòu)類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給，滑板在立柱上作上下移動，立柱在床身上水平移動；工作臺為立式可翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，加工狀態(tài)時，工作臺處在垂直位置，加工中產(chǎn)生的大量切屑會自然落下，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)置在工作臺下部的切屑自動清除裝置隨時運至機床外部，便于清理回收。加工前或加工完成后，工作臺可翻轉(zhuǎn)至水平位置，便于零件的裝夾和準備。雙工作臺可以減少輔助時間，使零件裝夾和加工在同一時間進行。
2、設(shè)備配套工程中遇到的問題
生產(chǎn)設(shè)備的購置投資，是公司固定資產(chǎn)投資的重要組成部分，購置合理的生產(chǎn)設(shè)備，可以幫助公司節(jié)省設(shè)備類固定資產(chǎn)投資的開支，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)備采購與車間實際加工對象數(shù)量、工藝特點、車間計劃產(chǎn)能、工藝及操作能力等指標相結(jié)合，將設(shè)備前期規(guī)劃、選型、采購與后期實際用于生產(chǎn)、創(chuàng)造盈利相結(jié)合，使所采購的設(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，存在如下幾個較典型問題。
（1）大機小用
某車間一臺五軸聯(lián)動臥式鏜銑床的采購價格約250萬歐元，折合人民幣約2000萬元（按照當前歐元人民幣匯率約1:8計算），如果該臺設(shè)備可以正常運行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80萬元，20年的總共花費約為3600萬元，按照每年250個有效工作日，每個工作日8小時計算，每小時的設(shè)備使用成本為：0.09萬元/小時。
由上可知，使用該臺設(shè)備加工零件，每小時的成本約為900元，若加工某零件的利潤小于900元/小時，則可以認為利用該臺設(shè)備加工此種零件不合理，會造成虧損。
該臺臥式鏜銑床的加工范圍是2.5米×5.5米的矩形臺面+2.5米×2.5米方形旋轉(zhuǎn)臺面，加工有效高度為4米，可以加工各類大型、需要五軸聯(lián)動加工的零部件。經(jīng)過多次實地查看，發(fā)現(xiàn)該臺設(shè)備加工的對象多為小型的平板件，用一般的三坐標加工中心就可以完成加工，這類零部件的加工利潤較低，無法產(chǎn)生900元/小時的利潤。
因此，車間在選擇設(shè)備加工該類小型平板零件時，需要考慮選擇其他加工成本更低的機床進行生產(chǎn)；或者在機床選型的時候，需避免選擇采購這類單位加工成本較高，且不符合車間95%以上零件加工需求的設(shè)備，避免出現(xiàn)“大馬拉小車”的浪費情況出現(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)動精密機床加工的零件（占零件總數(shù)的5%以內(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）精機粗用
某車間一臺五軸聯(lián)動精密鏜銑床，常年處于恒溫恒濕間內(nèi)，使用成本較高，實際加工的對象為需要三坐標加工的零件，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、從頭到尾在一臺機器上完成的粗放式加工工藝，不但無法收回設(shè)備投資成本，粗加工時還會對機床造成過載磨損，久而久之失去出廠加工精度，“精機”迅速變成“粗機”，喪失設(shè)備應(yīng)有價值，給公司造成嚴重損失。
（3）技術(shù)指標虛高浪費
某車間原先的真空吸盤規(guī)格為20厘米厚，在設(shè)備選型時為了配合使用該類真空吸盤，該車間提出的技術(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)備采購后不久，這種規(guī)格的真空吸盤被更薄的真空吸盤取代，相應(yīng)所有的臺面都需要墊高20厘米以配合原先的Z軸最大有效行程。其中：臥式機床需將臺面向主軸方向推近20厘米；立式機床需墊高臺面20厘米補足距離。由于該車間設(shè)備種類繁多，需針對每一臺設(shè)備制定不同的解決方案，其中有一種是基于原先移動式臺面的基礎(chǔ)上增加一個附加臺面。假設(shè)原先的臺面最大負載為20噸，在增加了一個約10噸重的附加臺面后，最大負載就減少為10噸，可加工的零件重量范圍減少50%。另外，由于增加了臺面，相當于機床在所謂“空載”的情況下，實際上是處于半載荷狀態(tài)，附加工作臺面對導軌滑塊、滾珠絲杠、及驅(qū)動電機始終產(chǎn)生負載，此時放上10噸的零件（原先的10噸僅為半載荷狀態(tài)），機床將處于滿載狀態(tài)。滿載狀態(tài)下運行機床會加大機械部件的磨損，縮短機床使用壽命。
四、結(jié)語
經(jīng)過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)實力、完善的加工制造設(shè)備及手段、豐富的生產(chǎn)經(jīng)營管理經(jīng)驗和可靠的產(chǎn)品質(zhì)量保證體系，從修理到制造，從單純國內(nèi)生產(chǎn)到國際合作生產(chǎn)再到自主知識產(chǎn)權(quán)的飛機研制，綜合實力不斷增強。
通過不斷積累民用航空器制造設(shè)備配套的成功經(jīng)驗，上飛公司將會制造出更經(jīng)濟、更舒適的大型客機和新支線飛機，為中國民用航空工業(yè)的振興出一份力，發(fā)展成為世界民機領(lǐng)域一流總裝制造企業(yè)，最具效率、最值得信賴的航空總裝制造商之一。
作者：趙剛 黃春泉 中國商飛上海飛機制造有限公司
