隨著中國工業(yè)的迅速崛起，應用廣泛的核心部件—發(fā)動機的結(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)動機結(jié)構(gòu)在發(fā)生改變的同時，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，所以需要有更先進的制造工藝技術(shù)來為發(fā)動機的研制提供技術(shù)支撐。
1 新型發(fā)動機零件的特點
1.1 零件的結(jié)構(gòu)特點
隨著新型發(fā)動機推重比的提高，發(fā)動機的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加復雜，技術(shù)要求更高，零件的壁厚更薄。機匣、壓氣機風扇、整體葉盤等作為新型發(fā)動機的關(guān)鍵零件，越來越多地采用了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，零件的外廓尺寸也越來越大。
1.2 零件的材料特點
發(fā)動機機匣、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，導致其切削力大、切削功率高，需要機床主軸有更大的扭矩和功率。
1.3 零件的毛坯特點
發(fā)動機機匣、壓氣機風扇、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雜、結(jié)構(gòu)特征較多，目前的鍛造技術(shù)還無法達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 60%以上。
1.4 零件的加工特點
機匣、壓氣機風扇、整體葉盤等發(fā)動機關(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)計精度和表面質(zhì)量要求高，導致加工周期較長。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力較大，加工變形比較嚴重，對數(shù)控機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，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)備應具有多軸聯(lián)動、大扭矩電主軸、高剛度、智能化、自適應技術(shù)等。
2.1 多軸聯(lián)動
多軸聯(lián)動通常指的是四軸以上的機床運動方式，引入復合旋轉(zhuǎn)軸，即 A 軸、B 軸和 C 軸。雙雙組合的多軸聯(lián)動對加工復雜結(jié)構(gòu)的零件具有很大的優(yōu)勢，在解決型面的加工問題上也十分有效，在多軸聯(lián)動基礎(chǔ)上實現(xiàn)的復合數(shù)控加工可以有效地縮短輔助工作時間（如工件定位裝夾等）和提高產(chǎn)品的加工效率。多軸聯(lián)動和復合加工在發(fā)動機整體葉盤、機匣、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，電主軸的扭矩遠遠小于機械主軸，為彌補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)、進給系統(tǒng)和機床結(jié)構(gòu)都應具有良好的熱穩(wěn)定性、靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度。熱穩(wěn)定性好會使機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熱變形減小；靜態(tài)剛度可以抵抗因為機床零部件的重力和零件加工時切削力所引起的機床變形，確保在切削過程中刀具與工件的靜態(tài)位移；動態(tài)剛度可有效地防止在切削過程中由于機體動態(tài)因素所產(chǎn)生的自激振動和強迫振動，以適應在切削過程中刀具與工件的動態(tài)位移需求。
2.4 自適應技術(shù)
自適應技術(shù)可使數(shù)控機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進給速度會自動減慢；切削余量小時進給速度又會自動增快。自適應技術(shù)優(yōu)勢在于不僅提高了生產(chǎn)效率，增加收益，最主要的是保護了機床和刀具。
3 難加工類零件的先進制造技術(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遠大于其他材料，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)域普及應用。
高速銑削技術(shù)包含四個方面：高速度切削、軸向深度銑削、小徑向、進給量。高速銑削時切屑會帶走銑削熱，從而使工件表面的溫度降低。由于銑削速度相對較高，銑削力會隨之降低，加工生產(chǎn)率會增加。零件表面的質(zhì)量雖然提高，但會加速刀具的磨損，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)地改進刀具、加工工藝和機床性能，可以有效解決難加工材料高速切削應用的技術(shù)瓶頸。
3.1.1 高速切削刀具的特點
①安全可靠；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�？梢苑譃檎w式和機夾式兩類。小直徑銑刀通常采用整體式，大直徑銑刀則大多采用機夾式。整體式高速銑刀經(jīng)過平衡檢驗即可使用，而機夾式高速銑刀每次使用時都需要檢驗。但在機床轉(zhuǎn)速較低時機夾式高速銑削刀更具有優(yōu)勢。
3.1.4 刀桿結(jié)構(gòu)
當機床達到 15 000r/min 轉(zhuǎn)速時通常采用 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)，可以提供與機床的標準連接，能夠保證刀桿短錐和端面與機床緊密配合。
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，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 高速切削對數(shù)控編程的要求
高速切削的數(shù)控編程代碼可應用于多個領(lǐng)域，且不限于切削的速度和深度。數(shù)控編程人員應熟練掌握改變加工策略和使用刀具的路徑，從而達到預期的加工效果。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，分層切削相對于仿形加工來說具有極大的優(yōu)勢。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(進給量)過小就會對實際的進給速率造成影響，延長整個加工進程，并且過小的步進會造成切削力不穩(wěn)定，產(chǎn)生切削振動，影響工件表面的完整性。所以，在高速切削條件下，應盡量采取較大步進量，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重點考慮以下幾點要求。
�。�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)實際加工點確定加工條件或選擇順銑方式來實現(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載的恒定，能夠較好地轉(zhuǎn)移加工時所產(chǎn)生的熱量，保持刀具和工件的冷卻狀態(tài)，更有效地延長刀具的使用壽命。
�。�3）走刀方式的選擇：
針對工件帶有敞口型腔的部分，應采用從材料外側(cè)走刀的方式，對材料的實時切削狀況進行精細分析，而沒有型腔的部分，應采用螺旋進刀的方式，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合適的切削量及加工參數(shù)下進行的，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）采用進給速率退刀的方式退刀。
�。�3）針對工件不同區(qū)域采用相應的加工方式。如圖10 所示。
（4）應用邊界識別功能，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)
插銑加工應用在高切除率的金屬切削上具有極大的優(yōu)勢，由于插銑加工具有進給速度較低的特點，對于難加工類零件的凹槽、曲面，以及刀具懸伸長度較大的零件加工，插銑加工方式比常規(guī)的加工方法具有極大的優(yōu)勢，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。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間；另一種是當加工任務(wù)要求刀具軸向長度較大時（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雜結(jié)構(gòu)件時,從毛坯鍛造到最終形成所需零件存在著許多難題。針對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)動線上的對應點，能夠規(guī)劃出銑粗加工葉盤通道時的走刀軌跡。通過實驗數(shù)據(jù)驗證，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，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)應用非常廣泛，因為切削的刀具是沿著一條固定半徑的曲線進行運動，所以
在整個加工過程中可使刀具能夠始終保持一致的進給率。特別針對難加工的材料，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。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態(tài)切削狀態(tài)。因為刀體沿周邊均勻受力，經(jīng)過圓角處理整個切刀軌跡成為一條一階導數(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也伴隨著向后的空走刀，這個特點使刀具有足夠的冷卻時間，從而大大提高切削環(huán)境的質(zhì)量，延長刀具的使用壽命。
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)展趨勢有兩種，一是應用仿真軟件來模擬顯示走刀的軌跡，并精準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，并通過計算機模擬出來，然后對模擬結(jié)果進行分析和研究。目前這項技術(shù)尚未取得理想成果，還有待進一步研究。
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)動機制造中的應用
�。�1）發(fā)動機典型零件加工中碰撞干涉安全檢測；
�。�2）發(fā)動機典型零件加工變形預測和控制；
�。�3）發(fā)動機典型零件加工參數(shù)優(yōu)化；
�。�4）建立發(fā)動機典型零件加工刀具優(yōu)選方案。
4 小 結(jié)
隨著發(fā)動機材料性能的不斷提高，對加工技術(shù)水平的要求也隨之提高，加工技術(shù)及加工設(shè)備的改進和提升是必然的趨勢，目前發(fā)動機制造業(yè)最為關(guān)注的問題是難加工類零件數(shù)控加工技術(shù)。因為更加快捷有效地加工零件，不僅能夠滿足發(fā)動機制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，而且能夠快速提升發(fā)動機制造業(yè)的技術(shù)能力。
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本文標題：數(shù)控加工技術(shù)在難加工類零件上的應用
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