航空发动机难加工材料关键数控技术及装备

　　新型航空发动机零件的特点

　　新型航空发动机关重零件越来越多地采用整体结构设计，并大量采用钛合金、高温合金等难加工材料。这些零件大多采用基于锻造毛坯的整体式加工方式，零件数控加工过程呈现出加工精度要求高、切削过程材料去除量大、加工变形控制难度大等特点，对加工质量、变形控制和加工效率提出了很高的要求。

　　新型航空发动机零件的特点突出体现在以下几个方面：

　　(1)零件的结构特点。

　　随着新型航空发动机推重比的提高，航空发动机产品的结构越来越复杂，技术要求越来越高，零件的壁厚设计得越来越薄。机匣、压气机风扇、整体叶盘等作为现代航空发动机的关键零件，越来越多地采用整体结构设计，零件的外廓尺寸也越来越大。

　　(2)零件的材料特点。

　　航空发动机机匣、盘轴等关重件大量采用钛合金、高温合金等难加工材料，材料变形屈服极限高，切削变形抗力大，导致切削力大、切削功率高，需要机床主轴有更大的扭矩和功率。

　　(3)零件的毛坯特点。

　　航空发动机机匣、压气机风扇、整体叶盘等关键零件毛坯均为整体模锻件，由于零件外表面形状复杂、结构特征较多，使得零件外轮廓极其复杂，目前的锻造技术还无法达到小余量精化料的水平，造成锻造毛坯余量大，而且余量分布极不均匀，材料切除率高达60%以上。

　　(4)零件的加工特点。

　　为满足航空发动机长寿命、高可靠性要求，产品精度和表面质量控制要求极为严格。

　　机匣、压气机风扇、整体叶盘等航空发动机关重件均采取了基于锻造毛坯的整体式加工方式，加之设计精度和表面质量要求很高，导致加工周期较长。零件材料多为高温合金、钛合金等难加工材料，铣削后零件表面残余应力较大，加工变形较为严重，对数控机床的精度和使用寿命影响极大。目前采取的数控加工方式大量占用关键数控设备，生产周期长，而且加工成本非常高。

　　面向航空难加工材料的数控加工技术及装备

　　数控设备是生产工具，讲究实用和经济效益，机床的刚性、稳定性决定着机床的精度、持久性和可靠性等综合技术指标，也决定着数控设备的适用范围。从某种意义上讲，基体不稳固、受环境因素影响较大的数控设备的精度不会维持太长的时间，尤其是加工航空难加工材料，数控设备精度的稳定性、可靠性和刚性极为重要。面向难加工材料的数控设备的主要要求如下：

　　(1)多轴联动。

　　多轴联动通常指的是四轴以上的机床运动方式，引入复合旋转轴，即A轴、B轴和C轴。双双组合的多轴联动可方便地解决复杂结构和型面的加工问题，如复杂空间曲面、复杂结构型腔以及多面体等的加工;在多轴联动基础上实现的复合数控加工可以大大缩短工件定位装夹等辅助工作时间，能够有效提高产品的加工效率，多轴联动和复合加工在航空发动机整体叶盘、机匣、盘环等关重件生产中得到了广泛应用。

　　(2)大扭矩电主轴。

　　近年来，高速切削机床在航空制造领域的应用越来越广泛。电主轴的特点在于随着转速的提高，电主轴的扭矩和功率逐渐增大，直到达到最大扭矩值和最大功率，当转速达到极限值后，主轴扭矩和功率反而开始下降;总地来说，高速范围内的电主轴扭矩和主轴功率较大。对航空难加工材料来说，由于材料切削性能较差，切削抗力较大，目前切削速度一直处于低速水平，切削线速度通常介于20～80m/min之间，在这个范围内，电主轴的扭矩远远小于机械主轴，电主轴没有任何优势。为突破在中低速范围内高速电主轴功率和扭矩稍显不足这一技术难题，德马吉公司研制开发了专门面向难加工材料的航空大扭矩电主轴，配合高性能刀具系统，可以实现难加工材料高速切削加工，使得高速切削技术在航空难加工材料领域得到了有效突破。

　　(3)高刚度。

　　主轴系统、进给系统和机床结构应具有良好的静态刚度、动态刚度和热稳定性。足够高的静态刚度可以抵抗由于机床零部件重力和零件加工时的切削力引起的机床变形，保证刀具与工件在切削过程中的静态位移;优良的动态特性可防止和减小切削过程中由于动态切削过程产生的强迫振动和自激振动，以满足刀具与工件在切削过程中的动态位移要求;良好的热稳定性使机床在加工过程中受到切削热、环境温度变化等作用时，热变形尽量小。机床的高静动态刚度和热稳定性技术指标确保零件加工能够获得更好的表面质量和较高的材料去除率。

　　(4)智能化。

　　智能化是新一代数控机床的重要特征。智能化主要表现在两个方面，一方面是机床控制的智能化，如在机床轴运动控制中引入前馈控制、预测控制、约束控制等先进控制策略，在加工过程控制中引入自适应控制、学习控制等。另一方面是将专家系统、自动检测及自动补偿功能等嵌入数控系统，例如在数控系统中配备自动编程与仿真、机床状态监测、故障诊断、刀具自动管理及补偿、机床热变形/振动监测与补偿等功能，使数控机床具有更多的“智能”。

　　(5)自适应技术。

　　自适应技术已经逐渐用于数控机床，使得数控机床具备一定的智能性。具体表现就是，当切削余量大时，进给速度会自动减慢;当切削余量小时，进给速度会自动增快;带来的好处是，不仅提质增效，而且保护机床。原理其实很简单，在主轴电机上安装电流侦测传感器，将侦测信号实时反馈给数控系统，由数控系统依据电流状况实时决定驱动轴速度的快慢。

　　近年来，各数控系统制造商推出的系统都具有较好的刀具监控功能。如在西门子810/840D系统内就可以集成以色列OMAT公司的ACM自适应监控系统或德国的Artis自适应系统，能够实时采样机床主轴负载变化，记录主轴切削负载，进给率变化、刀具磨损量等加工参数，并输出数据、图形至Windows用户图形界面。