雙五軸鏡像銑削機(jī)床銑削加工圖
2022年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)
“航空航天大型曲面蒙皮/箱底雙五軸鏡像銑削技術(shù)與裝備”項(xiàng)目
加工刀具靈活高速運(yùn)行，五軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床上，一張大型鋁合金蒙皮正被精雕細(xì)琢，加工出的輪廓圖樣如同迷宮一般，最薄之處如同蛋殼。這是上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司自主研發(fā)的雙五軸鏡像銑削機(jī)床，在全球也僅有三家企業(yè)擁有，解決了國(guó)際公認(rèn)的“大尺寸大柔性超薄曲面無(wú)法采用常規(guī)機(jī)械銑削加工”的制造難題，也為我國(guó)大飛機(jī)和空間探索事業(yè)的發(fā)展提供了有力的制造重器。
這背后是上海交通大學(xué)、上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司、上海飛機(jī)制造有限公司、上海航天設(shè)備制造總廠有限公司、天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司、成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司共同完成的“航空航天大型曲面蒙皮/箱底雙五軸鏡像銑削技術(shù)與裝備”項(xiàng)目，該項(xiàng)目摘得2022年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。
突破精密制造難關(guān)
飛機(jī)蒙皮和火箭燃料貯箱箱底是承受飛行器載荷、決定飛行器安全可靠的關(guān)鍵零件，單件價(jià)值高達(dá)百萬(wàn)元，但是要在大尺寸大柔性的曲面上進(jìn)行精細(xì)加工非常困難。比如飛機(jī)蒙皮加工過(guò)程動(dòng)態(tài)變形達(dá)壁厚精度60倍，極易出現(xiàn)壁厚不均、銑穿扎洞等問(wèn)題。“高強(qiáng)度材料加工需要強(qiáng)大切削力，但零件剛性極差，是加工中最怕遇到的軟東西，”項(xiàng)目第一完成人、上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院教授王宇晗解釋，團(tuán)隊(duì)發(fā)明“鏡像銑”技術(shù)——把蒙皮當(dāng)鏡面，一面是刀具，另一面是局部支撐，和刀具同步運(yùn)動(dòng)，增加零件局部剛性。
而且大型飛機(jī)蒙皮是多種類大柔性工件，曲面上的輪廓變形達(dá)設(shè)計(jì)精度100倍，鏡像的兩個(gè)機(jī)械手必須同步精密運(yùn)動(dòng)，要像“大足球場(chǎng)上同時(shí)快速奔跑的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)員，腳下的兩個(gè)足球必須達(dá)到完全相同的軌跡”。團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了大量算法嘗試與驗(yàn)證，發(fā)明了實(shí)時(shí)跟蹤工件法向超聲動(dòng)態(tài)穩(wěn)定測(cè)厚與閉環(huán)控制技術(shù)，測(cè)厚精度較國(guó)際水平提升4倍，可加工最小壁厚范圍提高30%，壁厚精度提高5倍；發(fā)明的鏡像銑柔性編程加工工藝方法，匹配精度較剛性工件匹配方法提高了10倍，輪廓加工精度較國(guó)際水平提高40%。
讓中國(guó)制造全球領(lǐng)先
“五軸機(jī)床曾經(jīng)對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)是遙遠(yuǎn)得‘不可觸碰’的高科技。”王宇晗回憶起十多年前的情景時(shí)說(shuō)，相比三軸，五軸機(jī)床帶來(lái)更多自由度的精密加工能力，卻也意味著更為復(fù)雜的數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)械構(gòu)造，本質(zhì)除了機(jī)械問(wèn)題還要解決基礎(chǔ)數(shù)學(xué)難題。當(dāng)時(shí)在上海交大，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出第一臺(tái)五軸機(jī)床原型機(jī)，也在學(xué)術(shù)領(lǐng)域獲得突破。
中國(guó)要實(shí)現(xiàn)高端制造，就必須有自己的裝備。王宇晗團(tuán)隊(duì)的成果得到了上海交大和上海市政府的支持，大家感受到這一技術(shù)未來(lái)將為國(guó)家高端制造作出貢獻(xiàn)。于是，王宇晗破格從上海交大離崗創(chuàng)業(yè)，開(kāi)始為市場(chǎng)研發(fā)真正的制造重器。
我國(guó)有龐大工業(yè)基礎(chǔ)，應(yīng)用需求推動(dòng)制造水平的提升，特別是航空航天業(yè)近年的飛速發(fā)展也為企業(yè)帶來(lái)了機(jī)遇。面對(duì)真實(shí)的市場(chǎng)需求，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)即使是購(gòu)買世界最先進(jìn)部件或機(jī)床仍然達(dá)不到最佳性能、精度要求，唯有自主研發(fā)、不斷根據(jù)需求迭代、服務(wù)市場(chǎng)，才能真正讓先進(jìn)的核心技術(shù)發(fā)揮作用。項(xiàng)目組提出了應(yīng)力線封閉的空間框中框新構(gòu)型，發(fā)明了臥式雙五軸裝備新結(jié)構(gòu)和雙五軸空間精度和同步精度檢測(cè)儀器，使得鏡像銑空間精度、同步精度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
扎根上海服務(wù)全國(guó)
此次獲獎(jiǎng)項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首次研制出大型飛機(jī)曲面蒙皮/火箭箱底雙五軸鏡像銑削技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)了高端工業(yè)母機(jī)在大空間高精度關(guān)鍵指標(biāo)上的提升和共性技術(shù)的突破，解決了飛機(jī)、火箭超大超薄曲面精密加工難題，為國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)、長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭、登月艙等解決了關(guān)鍵零件的工藝瓶頸。項(xiàng)目還獲發(fā)明專利24項(xiàng)、軟件著作權(quán)15項(xiàng)，發(fā)表sci論文30余篇，團(tuán)隊(duì)也成為全球掌握鏡像銑技術(shù)的三個(gè)研究團(tuán)隊(duì)之一。
“高端制造背后要有一定高度的理論學(xué)術(shù)水平支撐。上海是有人才優(yōu)勢(shì)的，這里聚集機(jī)械、控制、軟件等方面的人才，上海政府也很有前瞻眼光給我們很大的支持。”王宇晗透露，企業(yè)曾得到上海市重大裝備技術(shù)專項(xiàng)的支持，初步解決發(fā)展初期的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，“即便是現(xiàn)在，我們的研發(fā)經(jīng)費(fèi)也達(dá)到20%-30%，遠(yuǎn)高于全國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)平均不到5%的研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入。因此，人才和地方支持都很重要。”
6月，從控制器到核心部件全部自主研發(fā)、本地生產(chǎn)的拓璞臥式五軸車銑復(fù)合加工中心也將投入市場(chǎng)。這臺(tái)加工精度達(dá)到2微米（頭發(fā)絲直徑的50分之一）的全自動(dòng)車銑復(fù)合機(jī)床可用于復(fù)雜零件加工，能夠替代傳統(tǒng)4—5臺(tái)機(jī)床的工作效率，也將為民用產(chǎn)品的精密加工貢獻(xiàn)力量。記者 易蓉
