新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的特點(diǎn)

　　新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重零件越來(lái)越多地采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并大量采用鈦合金、高溫合金等難加工材料。這些零件大多采用基于鍛造毛坯的整體式加工方式，零件數(shù)控加工過(guò)程呈現(xiàn)出加工精度要求高、切削過(guò)程材料去除量大、加工變形控制難度大等特點(diǎn)，對(duì)加工質(zhì)量、變形控制和加工效率提出了很高的要求。
　　新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的特點(diǎn)突出體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　（1）零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
　　隨著新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，技術(shù)要求越來(lái)越高，零件的壁厚設(shè)計(jì)得越來(lái)越薄。機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇、整體葉盤等作為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，越來(lái)越多地采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，零件的外廓尺寸也越來(lái)越大。
　　（2）零件的材料特點(diǎn)。
　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、盤軸等關(guān)重件大量采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，材料變形屈服極限高，切削變形抗力大，導(dǎo)致切削力大、切削功率高，需要機(jī)床主軸有更大的扭矩和功率。
　　（3）零件的毛坯特點(diǎn)。
　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇、整體葉盤等關(guān)鍵零件毛坯均為整體模鍛件，由于零件外表面形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特征較多，使得零件外輪廓極其復(fù)雜，目前的鍛造技術(shù)還無(wú)法達(dá)到小余量精化料的水平，造成鍛造毛坯余量大，而且余量分布極不均勻，材料切除率高達(dá)60%以上。
　　（4）零件的加工特點(diǎn)。
　　為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命、高可靠性要求，產(chǎn)品精度和表面質(zhì)量控制要求極為嚴(yán)格。
　　機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇、整體葉盤等航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件均采取了基于鍛造毛坯的整體式加工方式，加之設(shè)計(jì)精度和表面質(zhì)量要求很高，導(dǎo)致加工周期較長(zhǎng)。零件材料多為高溫合金、鈦合金等難加工材料，銑削后零件表面殘余應(yīng)力較大，加工變形較為嚴(yán)重，對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度和使用壽命影響極大。目前采取的數(shù)控加工方式大量占用關(guān)鍵數(shù)控設(shè)備，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，而且加工成本非常高。

　　面向航空難加工材料的數(shù)控加工技術(shù)及裝備

　　數(shù)控設(shè)備是生產(chǎn)工具，講究實(shí)用和經(jīng)濟(jì)效益，機(jī)床的剛性、穩(wěn)定性決定著機(jī)床的精度、持久性和可靠性等綜合技術(shù)指標(biāo)，也決定著數(shù)控設(shè)備的適用范圍。從某種意義上講，基體不穩(wěn)固、受環(huán)境因素影響較大的數(shù)控設(shè)備的精度不會(huì)維持太長(zhǎng)的時(shí)間，尤其是加工航空難加工材料，數(shù)控設(shè)備精度的穩(wěn)定性、可靠性和剛性極為重要。面向難加工材料的數(shù)控設(shè)備的主要要求如下：
　　（1）多軸聯(lián)動(dòng)。
　　多軸聯(lián)動(dòng)通常指的是四軸以上的機(jī)床運(yùn)動(dòng)方式，引入復(fù)合旋轉(zhuǎn)軸，即A軸、B軸和C軸。雙雙組合的多軸聯(lián)動(dòng)可方便地解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)和型面的加工問(wèn)題，如復(fù)雜空間曲面、復(fù)雜結(jié)構(gòu)型腔以及多面體等的加工；在多軸聯(lián)動(dòng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的復(fù)合數(shù)控加工可以大大縮短工件定位裝夾等輔助工作時(shí)間，能夠有效提高產(chǎn)品的加工效率，多軸聯(lián)動(dòng)和復(fù)合加工在航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、機(jī)匣、盤環(huán)等關(guān)重件生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。
　　（2）大扭矩電主軸。
　　近年來(lái)，高速切削機(jī)床在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。電主軸的特點(diǎn)在于隨著轉(zhuǎn)速的提高，電主軸的扭矩和功率逐漸增大，直到達(dá)到zui大扭矩值和zui大功率，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到極限值后，主軸扭矩和功率反而開始下降；總地來(lái)說(shuō)，高速范圍內(nèi)的電主軸扭矩和主軸功率較大。對(duì)航空難加工材料來(lái)說(shuō)，由于材料切削性能較差，切削抗力較大，目前切削速度一直處于低速水平，切削線速度通常介于20～80m/min之間，在這個(gè)范圍內(nèi)，電主軸的扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械主軸，電主軸沒有任何優(yōu)勢(shì)。為突破在中低速范圍內(nèi)高速電主軸功率和扭矩稍顯不足這一技術(shù)難題，德馬吉公司研制開發(fā)了專門面向難加工材料的航空大扭矩電主軸，配合高性能刀具系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)難加工材料高速切削加工，使得高速切削技術(shù)在航空難加工材料領(lǐng)域得到了有效突破。
　　（3）高剛度。
　　主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的靜態(tài)剛度、動(dòng)態(tài)剛度和熱穩(wěn)定性。足夠高的靜態(tài)剛度可以抵抗由于機(jī)床零部件重力和零件加工時(shí)的切削力引起的機(jī)床變形，保證刀具與工件在切削過(guò)程中的靜態(tài)位移；優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性可防止和減小切削過(guò)程中由于動(dòng)態(tài)切削過(guò)程產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，以滿足刀具與工件在切削過(guò)程中的動(dòng)態(tài)位移要求；良好的熱穩(wěn)定性使機(jī)床在加工過(guò)程中受到切削熱、環(huán)境溫度變化等作用時(shí)，熱變形盡量小。機(jī)床的高靜動(dòng)態(tài)剛度和熱穩(wěn)定性技術(shù)指標(biāo)確保零件加工能夠獲得更好的表面質(zhì)量和較高的材料去除率。
　　（4）智能化。
　　智能化是新一代數(shù)控機(jī)床的重要特征。智能化主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是機(jī)床控制的智能化，如在機(jī)床軸運(yùn)動(dòng)控制中引入前饋控制、預(yù)測(cè)控制、約束控制等*控制策略，在加工過(guò)程控制中引入自適應(yīng)控制、學(xué)習(xí)控制等。另一方面是將專家系統(tǒng)、自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)補(bǔ)償功能等嵌入數(shù)控系統(tǒng)，例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備自動(dòng)編程與仿真、機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、刀具自動(dòng)管理及補(bǔ)償、機(jī)床熱變形/振動(dòng)監(jiān)測(cè)與補(bǔ)償?shù)裙δ埽箶?shù)控機(jī)床具有更多的“智能”。
　　（5）自適應(yīng)技術(shù)。
　　自適應(yīng)技術(shù)已經(jīng)逐漸用于數(shù)控機(jī)床，使得數(shù)控機(jī)床具備一定的智能性。具體表現(xiàn)就是，當(dāng)切削余量大時(shí)，進(jìn)給速度會(huì)自動(dòng)減慢；當(dāng)切削余量小時(shí)，進(jìn)給速度會(huì)自動(dòng)增快；帶來(lái)的好處是，不僅提質(zhì)增效，而且保護(hù)機(jī)床。原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，在主軸電機(jī)上安裝電流偵測(cè)傳感器，將偵測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)電流狀況實(shí)時(shí)決定驅(qū)動(dòng)軸速度的快慢。
　　近年來(lái)，各數(shù)控系統(tǒng)制造商推出的系統(tǒng)都具有較好的刀具監(jiān)控功能。如在西門子810/840D系統(tǒng)內(nèi)就可以集成以色列OMAT公司的ACM自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)或德國(guó)的Artis自適應(yīng)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采樣機(jī)床主軸負(fù)載變化，記錄主軸切削負(fù)載，進(jìn)給率變化、刀具磨損量等加工參數(shù)，并輸出數(shù)據(jù)、圖形至Windows用戶圖形界面。

　　面向航空難加工材料的數(shù)控特種加工技術(shù)及裝備

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇、整體葉盤等關(guān)鍵零件大量采用粘性大、硬度高的高溫合金和鈦合金材料，往往需要去除較多的余量，由于金屬切削機(jī)床加工這些材料難度很大，效率低，刀具消耗大，設(shè)備昂貴，加工成本大，成為難加工材料制造中的“瓶頸”問(wèn)題。如高溫合金整體機(jī)匣，加工余量多達(dá)幾十公斤，刀具費(fèi)用高達(dá)數(shù)萬(wàn)元，而且需占用價(jià)值上千萬(wàn)的加工中心長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，制造成本高。
　　隨著數(shù)控技術(shù)和特種加工技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成型加工技術(shù)和電弧放電加工技術(shù)取得了重大突破，特種加工技術(shù)在航空制造業(yè)中凸顯出明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　特種加工技術(shù)能夠解決一些采用金切機(jī)床等其他傳統(tǒng)加工方法難以加工的技術(shù)難題。如電加工無(wú)切削力，可以進(jìn)行微細(xì)加工，可對(duì)硬度高、韌性大、粘性大的材料進(jìn)行加工，如高溫耐熱合金、鈦合金等航空難加工材料，還可進(jìn)行復(fù)雜型面的加工等。
　　（1）多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成型加工技術(shù)和電弧放電加工技術(shù)。
航空航天制造領(lǐng)域的很多零件加工不僅需要解決難加工材料的加工問(wèn)題，而且要求能夠完成空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜型面的加工。
　　多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電弧放電加工技術(shù)采用簡(jiǎn)單的管狀電極，可以對(duì)難加工材料進(jìn)行放電數(shù)控銑削加工。這種技術(shù)大大降低了難加工材料的加工成本，與刀具費(fèi)用相比，損耗的電極費(fèi)用只需幾十分之一。如某零件采用加工中心加工，刀具費(fèi)用要3萬(wàn)元左右，而采用該種放電銑加工，電極費(fèi)用只需500～600元。多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成型加工技術(shù)采用成型電極對(duì)零件加工盲區(qū)進(jìn)行精細(xì)放電銑削加工，完成零件復(fù)雜型腔和復(fù)雜曲面的加工，解決機(jī)械加工無(wú)法完成的技術(shù)難題。
　　（2）精細(xì)電解技術(shù)。
　　數(shù)控電解加工技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)數(shù)控和電解加工兩者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的優(yōu)點(diǎn)，適用加工范圍廣，可用于加工各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多品種、小批量、甚至單件試制產(chǎn)品的生產(chǎn)。精細(xì)電解作為一門嶄新的技術(shù)，加工原理有別于傳統(tǒng)的電化學(xué)加工技術(shù)。精細(xì)電解過(guò)程是增強(qiáng)型的ECM技術(shù)，通過(guò)減少工件和電極之間的距離和精密控制工件和電極之間的間距尺寸，有效提高了電極定位的準(zhǔn)確性。為了保持電解質(zhì)在狹窄的空隙中不斷更新流動(dòng)，電極不斷顫動(dòng)，電流以時(shí)鐘頻率計(jì)。與電解技術(shù)相比，材料去除率明顯減少，具有其他加工工藝*的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
　　精細(xì)電解技術(shù)的特點(diǎn)是，與電極加工相比具有非常小的加工尺寸偏差，能更大限度地去除材料。這樣在使被加工工件的形狀與陰極形狀保持一致性的同時(shí)也提高了加工精度。精細(xì)電解加工過(guò)程中不產(chǎn)生任何磨損電極的現(xiàn)象，由于間隙空間狹窄，必須保證交換電解質(zhì)只提供電極，隨著同步振蕩運(yùn)動(dòng)，直流電脈沖即材料去除脈沖是疊加的，能夠去除零件表面材質(zhì)zui細(xì)微的余量。精細(xì)電解的另一突出特點(diǎn)是電解去除量很少，并通過(guò)電解液循環(huán)處理器解決了電解液的污染問(wèn)題，在難加工材料精細(xì)加工領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

　　面向航空難加工材料的*制造技術(shù)

　　（1）虛擬加工技術(shù)。
　　在實(shí)際零件加工之前，在虛擬環(huán)境中考慮機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、數(shù)控系統(tǒng)、空間精度、切削力、主軸轉(zhuǎn)矩/功率、加工誤差等，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的仿真和優(yōu)化，從而可以正確、經(jīng)濟(jì)和地加工出*合格零件。虛擬加工的本質(zhì)可以認(rèn)為是對(duì)數(shù)控加工過(guò)程進(jìn)行幾何仿真和力學(xué)仿真，并在兩個(gè)仿真的基礎(chǔ)上優(yōu)化數(shù)控加工切削參數(shù)和過(guò)程。CAM 仿真軟件、虛擬機(jī)床和切削過(guò)程動(dòng)力學(xué)是虛擬加工的重要支持工具。
　　采用CAM仿真軟件對(duì)NC程序進(jìn)行走刀軌跡仿真校驗(yàn)、干涉校驗(yàn)等的幾何仿真軟件已商品化，并在國(guó)內(nèi)制造企業(yè)大量應(yīng)用。當(dāng)前，虛擬數(shù)控加工研究的重點(diǎn)是對(duì)切削過(guò)程中“機(jī)床+工件+工藝（切削過(guò)程）”系統(tǒng)中的力學(xué)仿真問(wèn)題。
　　（2）高速切削技術(shù)。
　　高速切削（HSM或HSC）是20世紀(jì)90年代迅速走向?qū)嶋H應(yīng)用的*加工技術(shù)。高速銑削一般采用高的切削速度、適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量、小的徑向和軸向銑削深度，銑削時(shí)大量的銑削熱被切屑帶走，因此，工件的表面溫度較低。隨著銑削速度的提高，銑削力略有下降，表面質(zhì)量提高，加工生產(chǎn)率隨之增加。但在高速加工范圍內(nèi)，銑削速度的提高會(huì)加劇刀具的磨損。
　　從理論上講，高速切削技術(shù)可用于鈦合金、高溫合金等航空難加工材料，但由于難加工材料的切削抗力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他材料，常規(guī)意義上的高速切削技術(shù)到目前為止還很難在難加工材料領(lǐng)域得到普及。國(guó)外采用韌性好的刀具，通過(guò)消除加工硬化現(xiàn)象的加工工藝有效地解決這一難題。隨著這一全新切削方法的出現(xiàn)，通過(guò)系統(tǒng)地改進(jìn)刀具、加工工藝和機(jī)床的性能，可以有效解決難加工材料高速切削應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。
　　（3）插銑工藝。
　　插銑是實(shí)現(xiàn)高切除率金屬切削zui有效的加工方法之一，插銑加工的進(jìn)給速度相對(duì)較低。對(duì)于航空難加工材料零件的曲面加工、深槽加工，以及由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜刀具懸伸較長(zhǎng)的零件加工，插銑法的加工效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的銑削方法，采用插銑法可使加工時(shí)間至少縮短一半以上。
　　（4）擺線加工工藝。
　　在高速設(shè)備上采用擺線加工是一種很好的方法，尤其對(duì)于難加工材料的航空產(chǎn)品，擺線加工有著其他工藝方法無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。擺線加工的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　•能夠大范圍地去除毛坯材料，大大縮短粗加工用時(shí)，提高機(jī)床切削效率；
　　•經(jīng)過(guò)圓角化處理的整個(gè)刀軌變成一條一階導(dǎo)數(shù)光滑連續(xù)的曲線；
　　•對(duì)于高硬材料的窄槽和型腔加工，有較大優(yōu)勢(shì)。
　　采用擺線式的高速加工過(guò)程，刀具始終處于動(dòng)態(tài)的切削狀態(tài)，刀體沿周邊受力均勻，因此，刀具疲勞破壞的可能性就非常小；刀具向前切削材料的同時(shí)也伴隨著向后的空走刀，這樣刀具有充分的時(shí)間冷卻，同時(shí)，還能自動(dòng)帶走切屑，從而大大改善切削條件，提高刀具壽命。
　　（5）高性能刀具。
　　航空航天及軍工產(chǎn)品類零件廣泛采用難加工材料，在過(guò)去的幾年中，隨著航空材料的價(jià)格飛漲，使得材料成本在“利-損”方程中占據(jù)越來(lái)越大比例。為降低成本并保持競(jìng)爭(zhēng)力，必須更快速地切削那些難加工材料以加快生產(chǎn)速度，這樣就意味著除了加工設(shè)備的高速化、工藝的優(yōu)化以外還需要更為耐用和更為適合加工難加工材料的刀具。如刀具采用變螺旋角設(shè)計(jì)來(lái)打破加工中產(chǎn)生的諧振現(xiàn)象，刀具表面采用特殊涂層來(lái)分散熱量；使用該刀具結(jié)合仿形銑加工和薄化切削減輕切削刃與工件的接觸獲得了較大的切削深度，突破了高溫合金材料切削速度無(wú)法突破中低速的限制，進(jìn)給速率達(dá)到了800～1000m/min，刀具耐用度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他相同規(guī)格的硬質(zhì)合金刀具。
　　（6）智能化網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。
　　智能化網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸通道,加上專門開發(fā)的軟件，對(duì)各個(gè)加工設(shè)備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的收集和分析，為管理者提供了科學(xué)準(zhǔn)確的決策依據(jù)，從而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備、人員、刀夾具、程序和計(jì)劃等要素進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度和控制，同時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)中的各種問(wèn)題。當(dāng)生產(chǎn)線中的設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，管理人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)*時(shí)間得到設(shè)備故障信息，迅速準(zhǔn)確地處理問(wèn)題。采集加工過(guò)程中與切削有關(guān)的各種參數(shù)，建立切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，方便共享經(jīng)驗(yàn)資源。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料性能不斷提高，加工技術(shù)及裝備的改進(jìn)和提升是必然的趨勢(shì)，難加工材料數(shù)控加工技術(shù)及其裝備已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)廣為關(guān)注的問(wèn)題。關(guān)注難加工材料數(shù)控加工技術(shù)及其裝備的發(fā)展，不僅是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，更是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)技術(shù)能力快速提升的關(guān)鍵。