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国产数控机床和数控系统在航空制造领域应用示范

 

一、项目背景

航空工业是机床行业的高端用户,对数控机床的需求特点是大型、复合、精密及多轴联动等,并且要求数控机床具有高刚性、高精度、高效率。

航空制造设备领域随着飞机需求量的剧增以及新型飞机的跨代发展而不断发展。新一代飞机朝着轻质化、高可靠性、长寿命、高隐身性、多构型、快速响应及低成本制造等方向发展,大量新材料、新结构、新技术不断出现。新一代飞机的制造,对数控机床和数控系统的要求越来越高。


新型飞机及大型运输机

目前,国内航空制造企业所使用的中高端数控机床仍以进口为主,国产数控机床因技术成熟度、可靠性、自动化水平等原因,尚不能完全满足航空领域的制造需求。近年来,国家采取有力措施,鼓励国产数控机床和国产数控系统在航空制造领域的应用示范,使国产数控机床和国产数控系统批量使用成为发展趋势。武汉华中数控股份有限公司、北京工研精机股份有限公司、济南二机床集团有限公司、四川普什宁江机床有限公司与航空制造企业紧密合作,已经取得了很好成绩。

二、示范应用

案例1:华中数控与北京工研精机股份有限公司合作生产的五轴加工中心应用于航空制造领域

华中数控与北京工研精机股份有限公司紧密合作,针对航空装备关键零件的数控加工需求,批量生产多种型号的五轴加工中心,全部配置华中数控HNC-848D高性能数控系统。目前,双方合作生产的五轴加工中心已经形成批量销售,全部用于航空装备制造领域重点企业的数控加工。

1.μ1000/5ST-400V立式五轴加工中心

1)机床特点

μ1000/5ST-400V立式五轴加工中心具有一次装夹完成铣、钻、镗、铰、攻丝多工艺复杂曲面零件加工能力,特别适合于航空装备制造等行业加工需求。

机床主要特点:主轴单元采用电主轴技术,A/C摆动轴力矩电机驱动,基础件采用高强度铸铁并配置合理的加强筋结构,刚性和精度保持性好,适用于复杂零件五轴五面加工。五轴RTCP功能,主轴最高转速20000r/min,工作台ø400mmX/Y/Z轴行程1000/560/510mmC轴任意360°,A轴摆动-30°~+110°,X/Y/Z快移速度36/36/36m/min,定位精度0.006mm,重复定位精度0.004mm


µ1000/5ST-400V五轴立式加工中心

2)数控系统解决方案

HNC-848D数控系统

数控系统主要功能:µ1000/5ST-400V五轴立式加工中心主要应用华中HNC-848D数控系统的五轴联动、五轴RTCP、五轴RTCP速度校验、五轴标定、五轴定向加工、五轴定向刀具半径补偿、旋转轴结构误差补偿、刀具矢量编程、法向进退刀、在线刀具测量和工件测量、空间误差补偿、热误差补偿和全闭环控制功能、智能产线的全开放式网络接口功能、加工大数据采集和监控功能等高档控制功能。

数控系统装置、伺服驱动和电机配置清单(见下表):

序号

名称

规格型号信息

数量

1

HNC-848D数控装置

15寸彩色液晶屏,5轴联动,高速高精,网络功能。

1

2

X轴驱动装置

HSV-180UD-100A

1

X轴伺服电机

GK6105-8AF61-JE

1

3

Y轴驱动装置

HSV-180UD-100A

1

Y轴伺服电机

GK6105-8AF61-JE

1

4

Z轴驱动装置

HSV-180UD-100A

1

Z轴伺服电机

GK6105-8AF61-JB

1

5

A轴驱动装置

HSV-180UD-100A

1

A轴伺服电机

1FW6160-0QB15-1JC2

2

6

C轴驱动装置

HSV-180UD-075A

1

C轴伺服电机

1FW6130-0QB10-1JC2

1

7

S轴驱动装置

HSV-180US-450A

1

S轴伺服电机

SMS 060.26.6.FOS

1

3)应用效果

该五轴立式加工中心,已经在某重点航空装备制造企业批量应用,主要用于精密结构件的高效、高精加工,满足用户加工需求。

2.μ2000/5SS-800H卧式五轴加工中心-高速型

1)机床特点

μ2000/5SS-800H加工中心-高速型配置华中HNC-848C型高性能数控系统,具有一次装夹完成铣、钻、镗、铰、攻丝多工艺复杂曲面零件加工能力,适合于航空航天复杂结构件的高效加工。

机床主要特点:主轴单元采用电主轴技术,摆动A轴双力矩电机驱动,高强度基础件,前后床身整体铸造,回转工作台采用高精度的蜗轮蜗杆结构,适用于复杂零件五轴五面加工。五轴RTCP功能,主轴最高转速8000r/min,主轴最大输出扭矩260Nm,工作台800x800mmX/Y/Z轴行程1400/1000/1400mmB轴任意360°,A轴摆动-30°~+90°,X/Y/Z快移速度32/24/24m/min,定位精度0.008mm,重复定位精度0.004mm


µ2000/5SS-800五轴卧式加工中心

2)数控系统解决方案

HNC-848C数控系统

数控系统主要功能:北京工研精机股份有限公司µ2000/5SS-800H五轴卧式加工中心主要应用华中HNC-848C数控系统的五轴联动、五轴RTCP、五轴RTCP速度校验、五轴标定、五轴定向加工、五轴定向刀具半径补偿、旋转轴结构误差补偿、刀具矢量编程、法向进退刀、双力矩电机同步、在线刀具测量和工件测量、空间误差补偿、热误差补偿和全闭环控制功能、智能产线的全开放式网络接口功能、加工大数据采集和监控功能等高档控制功能。

3)应用效果

该五轴卧式加工中心-高速型已经在某重点航空航天制造企业批量使用,主要应用于复杂结构件高效、高精加工。

3.μ2000/5SS-800HF五轴卧式加工中心

1)机床特点

北京工研精机股份有限公司μ2000/5SS-800HF五轴卧式加工中心配置华中HNC-848D型高性能数控系统,具有一次装夹完成铣、钻、镗、铰、攻丝多工艺复杂曲面零件加工能力,适合于飞机接头类钛合金难加工材料典型零件的加工。

机床主要特点:主轴单元采用电主轴技术,摆动A轴双力矩电机驱动,高强度基础件,前后床身整体铸造,回转工作台采用高精度的蜗轮蜗杆结构,适用于复杂零件五轴五面加工。具备五轴RTCP功能,主轴最高转速6000r/min,主轴最大输出扭矩420Nm,工作台800x800mmX/Y/Z轴行程1400/1000/1400mmB轴任意360°,A轴摆动-30°~+90°,X/Y/Z快移速度32/24/24m/min,定位精度0.008mm,重复定位精度0.004mm

2)数控系统解决方案

数控系统主要功能:该五轴卧式加工中心主要应用华中HNC-848D数控系统的五轴联动功能、五轴RTCP功能、五轴RTCP速度校验功能、五轴标定功能、五轴定向加工功能、五轴定向刀具半径补偿功能、旋转轴结构误差补偿功能、刀具矢量编程功能、法向进退刀功能、双力矩电机同步、在线刀具测量和工件测量、空间误差补偿、热误差补偿和全闭环控制功能、智能产线的全开放式网络接口功能、加工大数据采集和监控功能等高档控制功能。

3)应用效果

该五轴卧式加工中心已经在某航空制造企业批量使用,主要应用于航空器多品种小批量结构件高效、高精加工,满足用户加工需求。

4.μ2000/5SS-800H五轴卧式加工中心

1)机床特点

北京工研精机股份有限公司μ2000/5SS-800H五轴卧式加工中心,配置华中HNC-848D型高档数控系统,具有一次装夹完成铣、钻、镗、铰、攻丝多工艺复杂曲面零件加工能力。

机床主要特点:主轴单元采用电主轴技术,摆动A轴双力矩电机驱动,高强度基础件,前后床身整体铸造,回转工作台采用高精度的蜗轮蜗杆结构,适用于复杂零件五轴五面加工。五轴RTCP功能,主轴最高转速6000r/min,主轴最大输出扭矩430Nm,工作台800x800mmX/Y/Z轴行程1400/1000/1400mmC轴任意360°,B轴摆动-30°~+90°,X/Y/Z快移速度32/24/24m/min,定位精度0.008mm,重复定位精度0.004mm


µ2000/5SS-800H五轴卧式加工中心

2)数控系统解决方案

数控系统主要功能:该五轴卧式加工中心主要应用华中HNC-848D数控系统的五轴联动功能、五轴RTCP功能、五轴RTCP速度校验功能、五轴标定功能、五轴定向加工功能、五轴定向刀具半径补偿功能、旋转轴结构误差补偿功能、刀具矢量编程功能、法向进退刀功能、双力矩电机同步、在线刀具测量和工件测量、空间误差补偿、热误差补偿和全闭环控制功能、智能产线的全开放式网络接口功能、加工大数据采集和监控功能等高档控制功能。

3)应用效果

该五轴卧式加工中心已经在某重点航空制造企业批量使用,主要应用于飞机钛合金结构件高效、高精加工,满足用户加工需求。

5.μ2000/5SS-800H五轴卧式加工中心-高速型

1)机床特点

配置华中HNC-848D型高档数控系统,具有一次装夹完成铣、钻、镗、铰、攻丝多工艺复杂曲面零件加工能力。

机床主要特点:主轴单元采用电主轴技术,摆动A轴双力矩电机驱动,高强度基础件,前后床身整体铸造,回转工作台采用高精度的蜗轮蜗杆结构,适用于复杂零件五轴五面加工。具备五轴RTCP功能,主轴最高转18000r/min,主轴最大输出扭矩60Nm,工作台800x800mmX/Y/Z轴行程1400/1000/1400mmB轴任意360°,A轴摆动-30°~+90°,X/Y/Z快移速度32/24/24m/min,定位精度0.008mm,重复定位精度0.004mm

2)数控系统解决方案

数控系统主要功能:该五轴卧式加工中心主要应用华中HNC-848D数控系统的五轴联动功能、五轴RTCP功能、五轴RTCP速度校验功能、五轴标定功能、五轴定向加工功能、五轴定向刀具半径补偿功能、旋转轴结构误差补偿功能、刀具矢量编程功能、法向进退刀功能、双力矩电机同步、在线刀具测量和工件测量、空间误差补偿、热误差补偿和全闭环控制功能、智能产线的全开放式网络接口功能、加工大数据采集和监控功能等高档控制功能。

3)应用效果

配套华中数控HNC-848D数控系统的µ2000/5SS-800H五轴卧式加工中心-高速型已经在某重点航空制造企业批量使用,主要应用于飞机铝合金结构件的高效、高精加工,满足用户加工需求。

案例2:华中数控与济南二机床集团有限公司合作生产的高架式龙门五轴加工中心应用于航空制造领域

华中数控与济南二机床集团有限公司紧密合作,针对航空航天装备关键零件的数控加工需求,批量生产配置华中数控HNC-848D型高档数控系统的高架式龙门五轴加工中心XHSV2545*50。目前,双方合作生产的五轴加工中心已经形成批量销售近10台,全部用于重点航空航天装备制造企业的关键零件的数控加工。

1.  机床特点

济南二机床高架式龙门五轴加工中心机床XHSV2545*50龙门跨度大,适合航空、航天领域薄壁曲面零件、板筋、肋梁类零件、复杂型面的精加工、半精加工。

机床结构采用树脂砂铸铁和焊接结构件的最优组合,考虑静、动态载荷并由计算机进行设计,先进的热处理时效工艺,最大限度地消除了焊接和铸造内应力,以提高机床的精度和刚性。

机床X轴使用龙门位置同步功能,采用滚珠丝杠、齿轮齿条驱动,装有制动单元和安全缓冲装置;YZ轴采用大导程的预载螺母滚珠丝杠传动。运用现代设计方法,通过建立振动阻尼、动态加速度模型,在确保机床整机刚性的前提下,尽量减轻了移动件的重量,使机床具有良好的快速响应特性;具有高转速、高速度、高加速度的特点。AC轴传动采用力矩电机直接驱动,并分别设有液压夹紧机构。XYZ轴均采用光栅尺实现全闭环控制;AC轴采用高精度角度编码器实现全闭环位置反馈。电主轴采用大接触角高速陶瓷球轴承,并配置了主轴的冷却系统。


机床整体结构图


机床电气柜安装图

2. 数控系统解决方案

1)数控系统、伺服驱动、伺服电机配置

序号

规格名称

产品型号

数量

备注

1

数控系统

HNC-848DM

1

 

2

X轴伺服驱动、电机

HSV-180UD-100C

GK8109-8AC81-JB3

1

力矩消隙

3

X1轴伺服驱动、电机

HSV-180UD-100C

GK8109-8AC81-JB3

1

4

X2轴伺服驱动、电机

HSV-180UD-100C

GK8109-8AC81-JB3

1

力矩消隙

5

X3轴伺服驱动、电机

HSV-180UD-100C

GK8109-8AC81-JB3

1

6

Y轴伺服驱动、电机

HSV-180UD-100C

GK8109-8AC81-JB3

1

 

7

Z轴伺服驱动、电机

HSV-180UD-100C

GK6017-8AB61-JB3

1

 

8

C轴伺服驱动、电机

HSV-180UD-150C

RE13-3P-300x175-WM-0-0-M

1

力矩电机

9

A轴伺服驱动、电机

HSV-180UD-100C

RE11-3P-410x75-WM-0-0-M

1

力矩电机

10

S轴伺服驱动、电机

HSV-180US-450

SMS 080.30.680.395

1

同步电主轴

2)数控机床应用数控系统功能

该型号机床应用华中HNC-848D数控系统的关键技术:高速高精控制算法、龙门位置同步功能、伺服力矩消隙功能、五轴联动功能、五轴RTCP功能、五轴RTCP速度校验功能、五轴标定功能、五轴定向加工功能、五轴定向刀具半径补偿功能、旋转轴结构误差补偿功能、刀具矢量编程功能、法向进退刀功能、五轴大圆插补功能、空间误差补偿(垂直度、直线度、扰度补偿功能)和全闭环控制、三维仿真功能、网络功能、加工大数据采集和监控功能、基于加工大数据的工艺参数优化、健康保障、断刀检测等智能化功能。

3. 应用效果

XHSV系列五轴联动加工中心已经在我国航空、航天、汽车等重点领域装备制造企业成功应用,主要用于航空航天大型铝合金、复合材料结构件的高速、高效加工和大型汽车模具的半精和精加工。


机床应用现场


加工试件

案例3:华中数控与四川宁江机床合作生产四轴卧式加工中心应用于航空制造领域

华中数控与四川普什宁江机床有限公司(以下简称宁江机床)紧密合作,针对航空航天装备关键零件的数控加工需求,批量生产THD63125四轴卧式加工中心,全部配置华中数控HNC-848D高性能数控系统。目前,双方合作生产的四轴卧式加工中心已经形成批量销售,全部用于航空航天装备制造领域重点企业的数控加工。

1. 机床特点

宁江机床THD63125四轴卧式加工中心广泛适用于航空工业、汽车零部件、工程机械、模具、泵体阀门、轻纺机械、工业缝纫机、五金工具、船舶等行业中、小型箱体类零件和空间曲面多品种的批量加工。

主要特点:

1)高动态性能:直线轴最大加速度1.3g,进给速度20 m/min,快移40m/min

2)高加工精度:定位精度4μm,重复定位精度2μm,反向间隙2μm

3)双工位工作台:一个工作工位,一个待机工位,能够有效减少装夹辅助时间。

4)伺服驱动刀库:具有更好的分度精度,有效提高高速换刀稳定性。

2. 数控系统解决方案


HNC-848D系统连接示意图

数控系统主要功能:THD63125四轴卧式加工中心主要应用华中HNC-848D数控系统的多轴控制技术、圆柱插补、旋转轴结构误差补偿功能、刀具矢量编程功能、在线刀具测量和工件测量、空间误差补偿和全闭环控制功能、智能产线的全开放式网络接口功能、加工大数据采集和监控功能等高档控制功能。

3. 应用效果

THD63125 四轴卧式加工中心已经在航空工业、汽车、工程机械、模具、泵体阀门、轻纺机械、工业缝纫机、五金工具、和船舶等行业中、小型箱体类零件和空间曲面多品种的批量加工等领域中实现批量应用。其产线功能、大数据采集功能和监控功能满足了无人化工厂领域的生产需求。


航空航天企业应用现场

三、项目经验:

1. 关键设备,自主可控

华中数控与北京工研精机、济南二机床、宁江机床及航空制造企业紧密合作,结合飞机典型结构件数控加工工艺,以飞机结构件中梁、框、肋、壁板、接头等为主要加工对象,选用全国产数控机床建立结构件切削加工单元(钛合金、铝合金大、小型结构件加工单元等),努力实现航空制造领域关键数控装备的自主可控。

2. 综合使用,提高效率

机床工具企业与用户联合进行国产数控机床(配套国产数控系统、国产功能部件)及其技术的高效、稳定性研制。对应用验证后的数控机床、数控系统、功能部件等进行集中示范应用,结合飞机典型结构件高效数控加工技术,对国产数控机床、国产数控系统、功能部件及其技术进行改进,优化其应用性能,提高了零件加工效率。

3. 联合攻关,协同创新

机床工具企业与航空制造企业紧密合作,通过在航空制造领域实施应用示范工程,实现了合作模式创新,形成了稳定的、可持续、开放式的产学研用战略联盟。并且形成了系列标准和规范整体解决方案,为下一步推广应用提供了支撑。

供稿:武汉华中数控股份有限公司,北京工研精机股份有限公司,济南二机床集团有限公司,四川普什宁江机床有限公司   责编:李华翔


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