自主研发打造国产制造重器 解决航空航天精密制造难题

双五轴镜像铣削机床铣削加工图

2022年度上海市技术发明奖特等奖

“航空航天大型曲面蒙皮/箱底双五轴镜像铣削技术与装备”项目

加工刀具灵活高速运行，五轴联动的机床上，一张大型铝合金蒙皮正被精雕细琢，加工出的轮廓图样如同迷宫一般，最薄之处如同蛋壳。这是上海拓璞数控科技股份有限公司自主研发的双五轴镜像铣削机床，在全球也仅有三家企业拥有，解决了国际公认的“大尺寸大柔性超薄曲面无法采用常规机械铣削加工”的制造难题，也为我国大飞机和空间探索事业的发展提供了有力的制造重器。

这背后是上海交通大学、上海拓璞数控科技股份有限公司、上海飞机制造有限公司、上海航天设备制造总厂有限公司、天津航天长征火箭制造有限公司、成都飞机工业（集团）有限责任公司共同完成的“航空航天大型曲面蒙皮/箱底双五轴镜像铣削技术与装备”项目，该项目摘得2022年度上海市技术发明奖特等奖。

突破精密制造难关

飞机蒙皮和火箭燃料贮箱箱底是承受飞行器载荷、决定飞行器安全可靠的关键零件，单件价值高达百万元，但是要在大尺寸大柔性的曲面上进行精细加工非常困难。比如飞机蒙皮加工过程动态变形达壁厚精度60倍，极易出现壁厚不均、铣穿扎洞等问题。“高强度材料加工需要强大切削力，但零件刚性极差，是加工中最怕遇到的软东西，”项目第一完成人、上海交通大学机械与动力工程学院教授王宇晗解释，团队发明“镜像铣”技术——把蒙皮当镜面，一面是刀具，另一面是局部支撑，和刀具同步运动，增加零件局部刚性。

而且大型飞机蒙皮是多种类大柔性工件，曲面上的轮廓变形达设计精度100倍，镜像的两个机械手必须同步精密运动，要像“大足球场上同时快速奔跑的两个运动员，脚下的两个足球必须达到完全相同的轨迹”。团队经历了大量算法尝试与验证，发明了实时跟踪工件法向超声动态稳定测厚与闭环控制技术，测厚精度较国际水平提升4倍，可加工最小壁厚范围提高30%，壁厚精度提高5倍；发明的镜像铣柔性编程加工工艺方法，匹配精度较刚性工件匹配方法提高了10倍，轮廓加工精度较国际水平提高40%。

让中国制造全球领先

“五轴机床曾经对中国来说是遥远得‘不可触碰’的高科技。”王宇晗回忆起十多年前的情景时说，相比三轴，五轴机床带来更多自由度的精密加工能力，却也意味着更为复杂的数控系统和机械构造，本质除了机械问题还要解决基础数学难题。当时在上海交大，团队研发出第一台五轴机床原型机，也在学术领域获得突破。

中国要实现高端制造，就必须有自己的装备。王宇晗团队的成果得到了上海交大和上海市政府的支持，大家感受到这一技术未来将为国家高端制造作出贡献。于是，王宇晗破格从上海交大离岗创业，开始为市场研发真正的制造重器。

我国有庞大工业基础，应用需求推动制造水平的提升，特别是航空航天业近年的飞速发展也为企业带来了机遇。面对真实的市场需求，团队发现即使是购买世界最先进部件或机床仍然达不到最佳性能、精度要求，唯有自主研发、不断根据需求迭代、服务市场，才能真正让先进的核心技术发挥作用。项目组提出了应力线封闭的空间框中框新构型，发明了卧式双五轴装备新结构和双五轴空间精度和同步精度检测仪器，使得镜像铣空间精度、同步精度达到国际领先水平。

扎根上海服务全国

此次获奖项目是国内首次研制出大型飞机曲面蒙皮/火箭箱底双五轴镜像铣削技术与装备，实现了高端工业母机在大空间高精度关键指标上的提升和共性技术的突破，解决了飞机、火箭超大超薄曲面精密加工难题，为国产大飞机、长征系列运载火箭、登月舱等解决了关键零件的工艺瓶颈。项目还获发明专利24项、软件著作权15项，发表SCI论文30余篇，团队也成为全球掌握镜像铣技术的三个研究团队之一。

“高端制造背后要有一定高度的理论学术水平支撑。上海是有人才优势的，这里聚集机械、控制、软件等方面的人才，上海政府也很有前瞻眼光给我们很大的支持。”王宇晗透露，企业曾得到上海市重大装备技术专项的支持，初步解决发展初期的研发经费，“即便是现在，我们的研发经费也达到20%-30%，远高于全国数控机床产业平均不到5%的研发经费投入。因此，人才和地方支持都很重要。”

6月，从控制器到核心部件全部自主研发、本地生产的拓璞卧式五轴车铣复合加工中心也将投入市场。这台加工精度达到2微米（头发丝直径的50分之一）的全自动车铣复合机床可用于复杂零件加工，能够替代传统4—5台机床的工作效率，也将为民用产品的精密加工贡献力量。 本报记者 易蓉