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由成飛公司研發并提出的“S”試件是檢驗五軸聯動機床整機綜合性能的最有效的樣件。它可以檢驗整機的幾何精度、定位精度、綜合加工效率、綜合表面加工質量、整機振動及顫振等一系列問題。
重大突破
“S”試件切削工藝技術的研究，可有效提升我國高檔數控機床研制能力，解決鈦合金高效加工難題，進而提升航空制造企業應用國產設備的信心，助推我國航空結構件數控加工裝備的國產化進程。
應用前景
目前，用于航空航天鈦合金復雜零件的重切削五軸聯動加工中心應用前景十分廣闊，“S”試件切削技術作為此類產品的測試與驗證方法，對其快速推廣和產業化、滿足國內航空航天領域需求、替代進口等將具有重要意義。
隨著飛機性能要求的逐步提高，航空結構件材料逐漸由鋁合金為主轉變為鋁合金、鈦合金、復合材料并重。但鈦合金高效加工已成為現代航空制造企業和機床制造商共同面臨的難題。
高檔數控機床與基礎制造裝備科技重大專項，用于鈦合金航空結構件加工的五軸聯動加工中心課題，為優先啟動課題，由沈陽機床（集團）有限責任公司、天津大學、成都飛機工業（集團）有限責任公司產學研用各方聯合實施，通過重切削穩定性分析、五軸機床動態特性分析和五軸加工中心后置處理的核心算法及后置平臺開發等關鍵技術研究，研制出國產首臺用于復雜鈦合金航空結構件加工的五軸聯動加工中心。同時，通過“S”試件切削工藝技術研究，完成了“S”試件試切實驗，標志著國產高端產品能夠滿足鈦合金航空結構件的加工需求，零件加工精度與國外同型機床相當。
成為國際標準測試件
鈦合金航空結構件是飛機的核心承力部件，因鈦合金強度高，彈性模量小、塑性變形嚴重，排屑困難，導熱率低、加工區域溫度高，化學活性高、易氧化、加工硬化嚴重，閉角變壁厚結構，且具有復雜曲面。
因此，“S”試件加工需要克服很多難點，如：“S”試件壁薄；刀軸向較深；開角閉角連續變化；頻繁換向；光潔度要求高；檢測點多；輪廓尺寸要求嚴格；棒銑刀側刃加工等。同時，還要防止影響“S”試件加工的一些因素，如：機床進給系統伺服動態性的影響；A/B軸雙擺角銑頭重力前傾的影響；整機與關鍵部件結構動態性的影響；主軸熱誤差的影響；機床切削剛度的影響；機床后置處理平臺的影響等。
在用戶成都飛機工業（集團）有限責任公司（簡稱成飛）的指導和幫助下，沈陽機床集團針對“S”試件加工時出現的問題，對機床的薄弱環節進行攻關，歸納總結出快速通過“S”試件表面質量診斷機床存在的問題的方法，建立了五軸聯動的檢驗準則和精度的調試方法準則。
此方法的掌握，極大地提高了此類機床的改進周期，縮短了安裝調試時間，增加了產品的可靠性。其加工方法被工信部納入檢驗數控機床專項五軸聯動加工中心的標準，并在機床行業內推廣。2012年9月，“S”形試件被納入ISO10791-7標準組作為附加測試件，成為國際標準測試件。
破解對我航空制造企業鉗制“S”試件切削工藝技術的問世，是產學研用聯合攻關的典范。其中，沈陽機床集團研制了第一臺立式五軸聯動加工中心VMC25100u，首臺樣機在典型“S”試件切削測試時發現Y向運動不穩定；成飛參考國外同類型機床結構特點，結合該機床的Y向實際運動情況，建議對機床立柱進行詳細測試；天津大學開展了結構動力學建模與仿真、切削過程穩定性分析、試驗模態分析；沈陽機床（集團）有限責任公司應用首臺樣機進行典型“S”試件切削，通過典型“S”試件的表面質量判斷明確了機床薄弱環節。三家合作單位共同制定包含修改機床參數、改進機床結構、提升關鍵部件剛性三個步驟的修改方案。
沈陽機床集團根據修改方案設計、研制了第二臺機床，將機床加工鈦合金所需要的特性，通過切削實驗的方式得到有效驗證。如：大扭矩的AB擺軸，通過大角度強力銑削驗證；大扭矩主軸，通過銑削試驗滿足最大扭矩驗證等。第二臺改進型機床于2012年初完成“S”試件切削，并已在國內重點航空制造企業投入應用。
成飛基于數控加工廠的數字化車間管理系統，對第二臺改進型機床實際應用情況進行了詳細記錄，為沈陽機床集團對第一臺機床的工藝性試驗和后續改進提供了有力的數據支持，這一研發流程在當前我國高檔數控機床的產業化、工程化階段作用十分突出。
當前，在我國數控機床市場中，高檔數控機床，特別是五坐標聯動、大型數控機床的市場份額為國外品牌所占領。機床工業的現狀致使我國航空結構件數控加工裝備長期以來以進口國外設備為主，尤其是五軸加工等高技術關鍵裝備接近100%依賴進口。“S”試件切削工藝技術的研究，有效提升了我國高檔數控機床研制能力。該類機床的成功研制打破了國外同行對航空制造企業的壟斷，間接降低了國內進口此類機床的價格。
隨著新材料的應用，鈦合金高效加工設備逐漸成為數控機床行業新的競爭點。“S”試件切削技術適時而生，為鈦合金加工機床的推廣邁出了關鍵一步。而且，“S”試件切削技術作為此類產品的測試與驗證方法，對其快速推廣和產業化，以及滿足國內航空航天領域需求具有重要意義。
來源：中國工業報
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