隨著中國(guó)工業(yè)的迅速崛起，應(yīng)用廣泛的核心部件—發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)也在快速更新，以滿足更高的使用性能要求。如在航空方面，航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)在發(fā)生改變的同時(shí)，不僅是其零部件的結(jié)構(gòu)、形態(tài)發(fā)生了變化，而且精度要求也在逐漸提高，所以需要有更先進(jìn)的制造工藝技術(shù)來為發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供技術(shù)支撐。
1 新型發(fā)動(dòng)機(jī)零件的特點(diǎn)
1.1 零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
隨著新型發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，技術(shù)要求更高，零件的壁厚更薄。機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇、整體葉盤等作為新型發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，越來越多地采用了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，零件的外廓尺寸也越來越大。
1.2 零件的材料特點(diǎn)
發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、盤軸等零件大量采用鈦合金、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)致其切削力大、切削功率高，需要機(jī)床主軸有更大的扭矩和功率。
1.3 零件的毛坯特點(diǎn)
發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇、整體葉盤等關(guān)鍵零件的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，目前的鍛造技術(shù)還無法達(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。
1.4 零件的加工特點(diǎn)
機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇、整體葉盤等發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件和重要零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)量要求高，導(dǎo)致加工周期較長(zhǎng)。另外，這些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，加工變形比較嚴(yán)重，對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度和使用壽命影響極大。目前采用的數(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。
2 難加工類零件的數(shù)控加工裝備技術(shù)
加工難加工材料，數(shù)控設(shè)備精度的穩(wěn)定性、可靠性和剛性極為重要。主要要求數(shù)控設(shè)備應(yīng)具有多軸聯(lián)動(dòng)、大扭矩電主軸、高剛度、智能化、自適應(yīng)技術(shù)等。
2.1 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)對(duì)加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件具有很大的優(yōu)勢(shì)，在解決型面的加工問題上也十分有效，在多軸聯(lián)動(dòng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的復(fù)合數(shù)控加工可以有效地縮短輔助工作時(shí)間（如工件定位裝夾等）和提高產(chǎn)品的加工效率。多軸聯(lián)動(dòng)和復(fù)合加工在發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、機(jī)匣、盤環(huán)等關(guān)鍵零件和重要零件的生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。
2.2 大扭矩電主軸
由于難加工材料切削性能較差，切削抗力較大，目前切削線速度通常介于 20～80m/min 之間，電主軸的扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械主軸，為彌補(bǔ)電主軸功率和扭矩的不足，開發(fā)了專門面向難加工材料的大扭矩電主軸，配合高性能的刀具系統(tǒng)，使得難加工材料的切削加工得以實(shí)現(xiàn)，在難加工材料領(lǐng)域獲得有效突破。
2.3 高剛度和熱穩(wěn)定性
主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)都應(yīng)具有良好的熱穩(wěn)定性、靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度。熱穩(wěn)定性好會(huì)使機(jī)床在高速加工的過程中受到切削熱、環(huán)境溫度變化等作用時(shí)熱變形減��；靜態(tài)剛度可以抵抗因?yàn)闄C(jī)床零部件的重力和零件加工時(shí)切削力所引起的機(jī)床變形，確保在切削過程中刀具與工件的靜態(tài)位移；動(dòng)態(tài)剛度可有效地防止在切削過程中由于機(jī)體動(dòng)態(tài)因素所產(chǎn)生的自激振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)，以適應(yīng)在切削過程中刀具與工件的動(dòng)態(tài)位移需求。
2.4 自適應(yīng)技術(shù)
自適應(yīng)技術(shù)可使數(shù)控機(jī)床具備一定的智能性，具體表現(xiàn)為：在高速切削過程中切削余量過大時(shí)進(jìn)給速度會(huì)自動(dòng)減慢；切削余量小時(shí)進(jìn)給速度又會(huì)自動(dòng)增快。自適應(yīng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于不僅提高了生產(chǎn)效率，增加收益，最主要的是保護(hù)了機(jī)床和刀具。
3 難加工類零件的先進(jìn)制造技術(shù)
3.1 高速銑削技術(shù)
從理論上講，高速切削技術(shù)可用于鈦合金、高溫合金等難加工材料，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)到目前為止還無法在難加工材料領(lǐng)域普及應(yīng)用。
高速銑削技術(shù)包含四個(gè)方面：高速度切削、軸向深度銑削、小徑向、進(jìn)給量。高速銑削時(shí)切屑會(huì)帶走銑削熱，從而使工件表面的溫度降低。由于銑削速度相對(duì)較高，銑削力會(huì)隨之降低，加工生產(chǎn)率會(huì)增加。零件表面的質(zhì)量雖然提高，但會(huì)加速刀具的磨損，減少刀具的使用壽命。
隨著采用韌性好的刀具及消除加工硬化這一全新切削方法的出現(xiàn)，通過系統(tǒng)地改進(jìn)刀具、加工工藝和機(jī)床性能，可以有效解決難加工材料高速切削應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。
3.1.1 高速切削刀具的特點(diǎn)
�、侔踩煽�；②耐用性高。
3.1.2 高速銑削刀具材質(zhì)
�、儆操|(zhì)合金；②金剛石；③金屬陶瓷；④刀具涂層材料。
3.1.3 刀具結(jié)構(gòu)
高速銑削刀具通常可以分為整體式和機(jī)夾式兩類。小直徑銑刀通常采用整體式，大直徑銑刀則大多采用機(jī)夾式。整體式高速銑刀經(jīng)過平衡檢驗(yàn)即可使用，而機(jī)夾式高速銑刀每次使用時(shí)都需要檢驗(yàn)。但在機(jī)床轉(zhuǎn)速較低時(shí)機(jī)夾式高速銑削刀更具有優(yōu)勢(shì)。
3.1.4 刀桿結(jié)構(gòu)
當(dāng)機(jī)床達(dá)到 15 000r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)通常采用 HSK 刀桿，或者使用其他類型的短柄刀桿。因 HSK 刀桿為過定位結(jié)構(gòu)，可以提供與機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)連接，能夠保證刀桿短錐和端面與機(jī)床緊密配合。
刀桿夾緊刀具的方式大致有液體夾頭、彈簧夾頭、熱脹夾頭三種。在上述三種方式中，熱脹式夾頭因具有傳遞扭矩和徑向力大以及同心度高等優(yōu)點(diǎn)，是迄今為止最具發(fā)展?jié)摿Φ牡稐U結(jié)構(gòu)。
3.2 高速切削技術(shù)（數(shù)控編程技術(shù)）
3.2.1 高速切削對(duì)數(shù)控編程的要求
高速切削的數(shù)控編程代碼可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，且不限于切削的速度和深度。數(shù)控編程人員應(yīng)熟練掌握改變加工策略和使用刀具的路徑，從而達(dá)到預(yù)期的加工效果。具體要求如下：
�。�1）保持恒定的切削載荷。由于加工速度要求越來越高，所以保持恒定的切削載荷至關(guān)重要。在高速切削過程中如果保持去除量的恒定，分層切削相對(duì)于仿形加工來說具有極大的優(yōu)勢(shì)。如圖 1、圖 2 所示。
（2）保證工件的高精度。為了確保工件具有高精度，最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是盡量減少刀具的切入次數(shù)。圖 3所示為如何更加有效地減少刀具切入次數(shù)的方法。
（3）保證工件的優(yōu)質(zhì)表面。在高速切削過程中如果步進(jìn)(進(jìn)給量)過小就會(huì)對(duì)實(shí)際的進(jìn)給速率造成影響，延長(zhǎng)整個(gè)加工進(jìn)程，并且過小的步進(jìn)會(huì)造成切削力不穩(wěn)定，產(chǎn)生切削振動(dòng)，影響工件表面的完整性。所以，在高速切削條件下，應(yīng)盡量采取較大步進(jìn)量，以生產(chǎn)出品質(zhì)更好的工件。如圖 4 所示。
3.2.2 粗加工數(shù)控編程
在高速加工中，粗加工的主要作用是為后續(xù)的半精加工和精加工留有更均勻的加工空間，并且粗加工的結(jié)果對(duì)精加工的難易程度和工件的加工質(zhì)量起著決定性的作用。在高速加工過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)要求。
�。�1）恒定的切削條件：
為了確保切削條件的恒定，粗加工技術(shù)通常根據(jù)實(shí)際加工點(diǎn)確定加工條件或選擇順銑方式來實(shí)現(xiàn)。在高速加工過程中采用順銑方式可以降低切削加工所產(chǎn)生的熱量，減少刀具所承受的負(fù)載，甚至可以消除工件的加工硬化，獲得高品質(zhì)的工件表面。如圖 5 所示。
（2）恒定的金屬去除率：
在高速加工切削過程中，保持恒定的金屬去除率可以有效地保持切削尺寸及切削負(fù)載的恒定，能夠較好地轉(zhuǎn)移加工時(shí)所產(chǎn)生的熱量，保持刀具和工件的冷卻狀態(tài)，更有效地延長(zhǎng)刀具的使用壽命。
（3）走刀方式的選擇：
針對(duì)工件帶有敞口型腔的部分，應(yīng)采用從材料外側(cè)走刀的方式，對(duì)材料的實(shí)時(shí)切削狀況進(jìn)行精細(xì)分析，而沒有型腔的部分，應(yīng)采用螺旋進(jìn)刀的方式，在材料的局部區(qū)域切入。
（4）盡量減少刀具的切入次數(shù)：
在高速切削加工過程中，應(yīng)盡量避免中斷刀具路徑和切削過程，減少刀具的切削次數(shù)，以使切削過程更加穩(wěn)定。如圖 6 所示。
3.2.3 半精加工數(shù)控編程
半精加工技術(shù)在零件的加工中起到了承上啟下的作用，它是在材料粗加工之后、精加工之前進(jìn)行的加工過程，其為后續(xù)零件精加工能夠順利完成提供保障。半精加工多應(yīng)用在數(shù)控銑型加工過程中。半精加工是在與精加工同等切削余量、同等工況條件下進(jìn)行的，它可為精加工調(diào)整出合理的加工參數(shù)，從而保證所加工零件特殊結(jié)構(gòu)的尺寸精度及表面粗糙度要求，有效解決刀具切削過程中因刀具磨損而產(chǎn)生的讓刀，使零件最后一刀精加工是在一個(gè)合適的切削量及加工參數(shù)下進(jìn)行的，從而保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，半精加工數(shù)控編程技術(shù)在零件加工中廣泛為技術(shù)人員所采用。
圖 7 所示為給精加工單邊留 0.5mm 余量銑削加工仿真后的圖形。
圖 8 所示為給精加工單邊留 0.2mm 余量車削加工仿真后的圖形。
3.2.4 精加工數(shù)控編程
在高速切削精加工過程中，為了確保恒定的精加工余量，有以下幾點(diǎn)要求。
�。�1）采用 fP 工藝確保高速高精度加工表面。在高速切削精加工過程中，采用 f=P 的銑削方式最為合適。如圖 9 所示。
�。�2）采用進(jìn)給速率退刀的方式退刀。
�。�3）針對(duì)工件不同區(qū)域采用相應(yīng)的加工方式。如圖10 所示。
（4）應(yīng)用邊界識(shí)別功能，如圖 11 所示。
（5）保證加工軌跡的一致性。
3.3 插銑加工技術(shù)
插銑加工應(yīng)用在高切除率的金屬切削上具有極大的優(yōu)勢(shì)，由于插銑加工具有進(jìn)給速度較低的特點(diǎn)，對(duì)于難加工類零件的凹槽、曲面，以及刀具懸伸長(zhǎng)度較大的零件加工，插銑加工方式比常規(guī)的加工方法具有極大的優(yōu)勢(shì)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高溫合金材料的切槽加工。從質(zhì)量上觀察，插銑法可降低切削力，減小工件的變形量，且可縮短一半以上的加工時(shí)間。
一般來講，插銑加工技術(shù)在兩種情況下最能夠體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。第一種是加工要求金屬切除率高的零件，采用插銑技術(shù)能夠有效地縮短加工時(shí)間；另一種是當(dāng)加工任務(wù)要求刀具軸向長(zhǎng)度較大時(shí)（如銑削大凹腔或深槽），采用插銑技術(shù)能夠有效地減小徑向切削力，使其具有更高的加工穩(wěn)定性。
加工難加工類零件中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件時(shí),從毛坯鍛造到最終形成所需零件存在著許多難題。針對(duì)需要切除大量多余材料的問題，提出了一種行之有效的方法—零件通道五坐標(biāo)插銑粗加工方法。利用直紋面逼近葉型曲面，得到通道粗加工部分的邊界輪廓；利用刀心軌跡線和刀軸驅(qū)動(dòng)線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，能夠規(guī)劃出銑粗加工葉盤通道時(shí)的走刀軌跡。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，采用插銑的方式能夠成功避免在粗加工過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)，并使開式零件的粗加工效率大大提高。
3.4 擺線加工技術(shù)
“擺線”加工高速銑削技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，因?yàn)榍邢鞯牡毒呤茄刂粭l固定半徑的曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，所以
在整個(gè)加工過程中可使刀具能夠始終保持一致的進(jìn)給率。特別針對(duì)難加工的材料，能夠大幅度去除毛坯材料，有效地提高加工效率，因此具有無可超越的優(yōu)勢(shì)。如圖 12 所示。
采用擺線式的高速銑削加工，刀具始終處于全方位的動(dòng)態(tài)切削狀態(tài)。因?yàn)榈扼w沿周邊均勻受力，經(jīng)過圓角處理整個(gè)切刀軌跡成為一條一階導(dǎo)數(shù)光滑連續(xù)曲線，所以刀具幾乎不存在疲勞破壞。刀具在向前切削材料的同時(shí)也伴隨著向后的空走刀，這個(gè)特點(diǎn)使刀具有足夠的冷卻時(shí)間，從而大大提高切削環(huán)境的質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。
3.5 數(shù)控加工虛擬仿真技術(shù)
數(shù)控加工虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有兩種，一是應(yīng)用仿真軟件來模擬顯示走刀的軌跡，并精準(zhǔn)判斷出刀夾和刀具與工件及其夾具之間是否存在干涉；二是解析高速切削加工過程中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，采集一系列連續(xù)的切削過程，并通過計(jì)算機(jī)模擬出來，然后對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析和研究。目前這項(xiàng)技術(shù)尚未取得理想成果，還有待進(jìn)一步研究。
3.5.1 數(shù)控加工幾何仿真
數(shù)控加工幾何仿真內(nèi)容如圖 13 所示。
3.5.2 數(shù)控加工物理仿真
數(shù)控加工物理仿真內(nèi)容如圖 14 所示。
3.5.3 加工仿真技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用
�。�1）發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工中碰撞干涉安全檢測(cè)；
（2）發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工變形預(yù)測(cè)和控制；
�。�3）發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工參數(shù)優(yōu)化；
�。�4）建立發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工刀具優(yōu)選方案。
4 小 結(jié)
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)材料性能的不斷提高，對(duì)加工技術(shù)水平的要求也隨之提高，加工技術(shù)及加工設(shè)備的改進(jìn)和提升是必然的趨勢(shì)，目前發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)最為關(guān)注的問題是難加工類零件數(shù)控加工技術(shù)。因?yàn)楦涌旖萦行У丶庸ち慵�，不僅能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，而且能夠快速提升發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的技術(shù)能力。
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