雙五軸鏡像銑削機床銑削加工圖
2022年度上海市技術發(fā)明獎特等獎
“航空航天大型曲面蒙皮/箱底雙五軸鏡像銑削技術與裝備”項目
加工刀具靈活高速運行，五軸聯(lián)動的機床上，一張大型鋁合金蒙皮正被精雕細琢，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床，在全球也僅有三家企業(yè)擁有，解決了國際公認的“大尺寸大柔性超薄曲面無法采用常規(guī)機械銑削加工”的制造難題，也為我國大飛機和空間探索事業(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、上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司、上海飛機制造有限公司、上海航天設備制造總廠有限公司、天津航天長征火箭制造有限公司、成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司共同完成的“航空航天大型曲面蒙皮/箱底雙五軸鏡像銑削技術與裝備”項目，該項目摘得2022年度上海市技術發(fā)明獎特等獎。
突破精密制造難關
飛機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鍵零件，單件價值高達百萬元，但是要在大尺寸大柔性的曲面上進行精細加工非常困難。比如飛機蒙皮加工過程動態(tài)變形達壁厚精度60倍，極易出現(xiàn)壁厚不均、銑穿扎洞等問題。“高強度材料加工需要強大切削力，但零件剛性極差，是加工中最怕遇到的軟東西，”項目第一完成人、上海交通大學機械與動力工程學院教授王宇晗解釋，團隊發(fā)明“鏡像銑”技術——把蒙皮當鏡面，一面是刀具，另一面是局部支撐，和刀具同步運動，增加零件局部剛性。
而且大型飛機蒙皮是多種類大柔性工件，曲面上的輪廓變形達設計精度100倍，鏡像的兩個機械手必須同步精密運動，要像“大足球場上同時快速奔跑的兩個運動員，腳下的兩個足球必須達到完全相同的軌跡”。團隊經(jīng)歷了大量算法嘗試與驗證，發(fā)明了實時跟蹤工件法向超聲動態(tài)穩(wěn)定測厚與閉環(huán)控制技術，測厚精度較國際水平提升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，輪廓加工精度較國際水平提高40%。
讓中國制造全球領先
“五軸機床曾經(jīng)對中國來說是遙遠得‘不可觸碰’的高科技。”王宇晗回憶起十多年前的情景時說，相比三軸，五軸機床帶來更多自由度的精密加工能力，卻也意味著更為復雜的數(shù)控系統(tǒng)和機械構造，本質除了機械問題還要解決基礎數(shù)學難題。當時在上海交大，團隊研發(fā)出第一臺五軸機床原型機，也在學術領域獲得突破。
中國要實現(xiàn)高端制造，就必須有自己的裝備。王宇晗團隊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未來將為國家高端制造作出貢獻。于是，王宇晗破格從上海交大離崗創(chuàng)業(yè)，開始為市場研發(fā)真正的制造重器。
我國有龐大工業(yè)基礎，應用需求推動制造水平的提升，特別是航空航天業(yè)近年的飛速發(fā)展也為企業(yè)帶來了機遇。面對真實的市場需求，團隊發(fā)現(xiàn)即使是購買世界最先進部件或機床仍然達不到最佳性能、精度要求，唯有自主研發(fā)、不斷根據(jù)需求迭代、服務市場，才能真正讓先進的核心技術發(fā)揮作用。項目組提出了應力線封閉的空間框中框新構型，發(fā)明了臥式雙五軸裝備新結構和雙五軸空間精度和同步精度檢測儀器，使得鏡像銑空間精度、同步精度達到國際領先水平。
扎根上海服務全國
此次獲獎項目是國內首次研制出大型飛機曲面蒙皮/火箭箱底雙五軸鏡像銑削技術與裝備，實現(xiàn)了高端工業(yè)母機在大空間高精度關鍵指標上的提升和共性技術的突破，解決了飛機、火箭超大超薄曲面精密加工難題，為國產(chǎn)大飛機、長征系列運載火箭、登月艙等解決了關鍵零件的工藝瓶頸。項目還獲發(fā)明專利24項、軟件著作權15項，發(fā)表sci論文30余篇，團隊也成為全球掌握鏡像銑技術的三個研究團隊之一。
“高端制造背后要有一定高度的理論學術水平支撐。上海是有人才優(yōu)勢的，這里聚集機械、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專項的支持，初步解決發(fā)展初期的研發(fā)經(jīng)費，“即便是現(xiàn)在，我們的研發(fā)經(jīng)費也達到20%-30%，遠高于全國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)平均不到5%的研發(fā)經(jīng)費投入。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合加工中心也將投入市場。這臺加工精度達到2微米（頭發(fā)絲直徑的50分之一）的全自動車銑復合機床可用于復雜零件加工，能夠替代傳統(tǒng)4—5臺機床的工作效率，也將為民用產(chǎn)品的精密加工貢獻力量。記者 易蓉
