航空材料高速高效加工方法.pdf

数控加工 C N CM A C H I N I N G 航空材料高速高效，j D - r 方法 H i g h - S p e e da n dH i g h - - E f f i c i e n c yM a c h i n i n gM e t h o do fA e r o n a u t i c a lM a t e r i a l s 中国人民解放军海军装备部 中航工业西安航空动力股份有限公司 摘要】 高速高效加工是航空制造领域的重要发 展方向，已广泛应用于飞机与航空发动机等复杂整体结 构零件的加工，显著提高了生产效率、降低了生产成本。 主要阐述了典型航空材料的高速高效加工方法及航空 产品加工应用实例，同时指出了高速高效加工技术未来 的发展方向。 关键词：航空材料高速加工高效加工特种 加工 I A B S T R A C T lH i g h s p e e da n dh i g h - e f f i c i e n c ym a c h i n i n gi sa ni m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nt h ef i e l d o fa v i a t i o nm a n u f a c t u r e T h i st e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di n m a c h i n i n gc o m p l e xi n t e g r a t e ds t r u c t u r eo fa i r c r a f ta n da i r - c r a f te n g i n ee t c ，w h i c hi m p r o v e st h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a n dr e d u c e sp r o d u c t i o nc o s t ss i g n i f i c a n t l y T h eh i g h - s p e e d a n dh i g h e f f i c i e n c ym a c h i n i n gm e t h o do ft y p i c a la v i a t i o n m a t e r i a l sa n dp r o d u c tp r o c e s s i n ga p p l i c a t i o ne x a m p l e sa r e i l l u s t r a t e d T h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fh i g h - s p e e dm a - c h i n i n gt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d K e y w o r d s ：A e r o n a u t i c a lm a t e r i a lH i g h - s p e e d m a c h i n i n gH i g h - e f f i c i e n c ym a c h i n i n g N o n - t r a d i - t i o n a lm a c h i n i n g 航空制造业的发展水平和能力是衡量一个国家制 造业实力和国防科技工业水平的重要标志。为了进一 步提高飞机等航空器的机动性能、负载能力和远距离飞 行能力，飞机设计中采用了大量复杂整体结构以降低机 身总重量；与此同时，由于飞机发动机时刻处于高温、高 压、高转速等复杂的运行环境中，这就要求航空发动机 关键部件大量采用高温合金、钛合金等高性能材料以保 证其良好的使用性能。 高温合金、钛合金等航空材料具有高比强度、高硬 度、耐腐蚀等优良特性，在航空发动机压气机盘、涡轮 盘、叶片、机匣等复杂薄壁结构中获得了广泛的应用。 但由于高温合金、钛合金等航空材料属于典型的难加工 材料，传统切削加工由于切削区域温度过高、切削力大 以及刀具磨损迅速等特点，造成这类材料及相应的零件 6 8 航空制造技术2 0 1 4 年第2 2 期 杨薇 赵赘张新冬马辉江波 加工效率低、加工质量差，零件的表面完整性也难以保 证，严重阻碍了我国飞机、发动机的制造水平与服役寿 命的提升。因此，迫切需要发展和探索新的制造工艺技 术，实现钛合金、高温合金等航空难加工材料的高速、高 效加工。 高速高效加工是指在确保零件加工精度、加工质 量、设备利用率的前提下，通过提高切削速度、进给速度 以及单位时间内材料去除量的一种高性能加工技术。 目前，实现航空材料高速高效加工的技术手段中，除了 利用数控装备和刀具的优越性能外，也涌现出了通过综 合利用热能、电能、声能以及化学能等辅助加工的工艺 技术，使得材料的切除速度、加工效率以及表面质量得 以显著提升。 1高速高效切削加工方法 实现航空材料的高速高效加工涉及高性能数控装 备、高精度刀柄结构、高速刀具、切削加工工艺参数优化 以及冷却润滑等多个方面。通常来说，高速加工是指采 用超硬材料的刀具，通过高的切削速度、进给速度来提 高单位时间的金属去除率以及加工精度和加工质量的 一种现代加工技术。而高效加工的内涵则更为丰富， 它通常是指在保证零件精度和质量的前提下，通过对加 工过程的优化和提高单位时间材料切除量来提高加工 效率和设备利用率、降低生产成本的一种高性能加工技 术。 从切削机理角度分析，在高速切削加工条件下，刀 具单位时间内在切削区域产生大量切削热，瞬时温度急 剧升高，这就使得切削区域高硬度难加工材料局部硬度 下降，待加工区域塑性变形抗力减小，有利于切削加工。 同时，由于高速切削时切屑流出较快及时带走大量热 量，避免了大量热量传人刀具和工件，从而提高工件加 工质量和加工效率、降低刀具磨损。与传统切削加工相 比，高速切削加工发生了本质性飞跃，其单位功率的金 属切除率明显提高，切削力大大降低，刀具的切削寿命 大幅度延长，传递到工件的切削热大幅度降低，低阶切 削振动几乎消失。可见，高速加工特别适合于航空复杂 万方数据 数控加工 薄壁零件的精密加工。 目前，在航空发动机领域，多数复杂薄壁零件采用 高温合金、钛合金等高性能材料。极端的服役环境对这 类零件的表面完整性水平提出了苛刻的要求，因此如何 平衡其加工效率和加工质量成为制造过程中的一个难 题? 在这种背景下，难加1 二材料的高速、高效加工技术 为这类零件提供了良好的解决方案。以整体叶盘为例， 如图l 所示，这类零件通常采用钛合金、高温合金等难 加工材料，而且从结构上来说流道窄而深、开敞陛差，叶 片薄而且扭曲严重，加工过程中极易发生切削变形和振 动，加工效率低、加_ ：= 精度难以满足设计要求是这类零 件制造中面临的两大问题。西安航空发动机集团在长 期的探索研究与工程实践中，采用高速高效加工技术较 好地解决了该问题。 图1 航空发动机整体叶盈 F i g 1A e r o e n g i n eb l i s k 在整体叶盘的加工中，7 0 9 0 的材料在粗加工 阶段被切除，因此提高粗加工过程的材料去除效率是提 高整体叶盘加工效率的关键。由于材料难加工、加工余 量大，导致切削加工过程的切削抗力大，很难采用高速 加工的方式，而插铣加工作为一种高效的粗加工工艺则 为此提供了解决方案。如图2 所示，与侧铣加工相比， 插铣加工刀具连续地沿z 轴方向上下运动，其主切削 力方向与刀具轴线一致，使得刀具与叶片在主切削力方 向上的刚性显著增强，从而可以大幅提高材料的切除效 率。对于机床而言，插铣加丁= 属于一种定轴加工方式， 与联动加工相比机床的刚性与稳定性也得以有效提升； 另外，从加工成本的角度考虑，整体叶盘的插铣粗加工 也可以在四轴甚至三轴机床上进行。 相对于粗加工提高材料去除效率而言，整体叶盘的 精加工则更加倾向于保证型面几何精度及表面完整性 图2 整体叶盘插铣加工 F i g 2P l u n g em i l l i n go fb l i s k 水平。因此，高速加工成为保障叶盘精加工质量的有效 手段。与常规加工相比，整体叶盘高速加工的关键是如 何保证加工过程的连续性和光顺性。如图3 所示，在数 控编程方面，采用螺旋铣加工工艺，以保证加工轨迹光 滑、连续，并尽可能减少了进退刀次数；在不同加工部位 的刀轨转接处，采用无尖角光滑过渡的刀具轨迹分布形 式。与轨迹分布相对应，刀轴矢量的变化也要均匀，必 须杜绝刀轴矢量的突变以避免高速加工过程中由于机 床加减速过大导致的失稳。另外，余量的分布状态对高 速加工尤为重要，尽可能保证加工余量分布均匀；同时 切削参数的选取与优化也要与余量分布密切结合，当余 量较大时应适当降低进给速度。 图3 整体叶盘螺旋铣加工 F i g 3S p i r a lm i l l i n go fb l i s k 2 高速高效磨削加工 风扇叶片、整体叶盘和整体机匣等作为航空发动机 中的关键零部件，具有几何结构复杂、加工余量大、加工 精度高等特点。目前，该类零部件主要通过多轴切削加 工得到，然而切削加工技术无法使得零部件的加工精度 和加工质量达到设计要求，往往还需要人工进行抛光打 磨。从而大大降低了加工效率。因此，在传统切削加工 2 0 1 4 年第2 2 期航空制造技术6 9 万方数据 数控加工 方法无法满足现阶段复杂零部件高效精密加工技术要 求的前提下，需要发展新的高效精密加工技术。 高速高效磨削加工属于高效精密加工技术范畴，指 通过增大切除深度或工件进给速度而达到提高材料去 除率的磨削技术。它在保证加工质量的前提下，还可以 达到和车削、铣削同样的材料切除率甚至更高。目前高 速高效磨削加工已经在航空发动机零部件生产领域进 行了应用，如叶片、涡轮盘等典型零件。然而，在钛合金、 镍基高温合金的高速磨削加工中，磨削温度高、磨削力 大、砂轮易粘附、磨削表面质量难以控制是现阶段普遍 存在的现象，由此导致的磨削效率低、工具寿命短、质量 稳定性差是目前航空发动机零件高效精密磨削加工所 面临的共同问题。 高速磨削加工能实现现代制造技术所追求的两大 目标，即提高生产效率和改善产品质量。实践证明：若 将砂轮速度由3 5 m s 提高到8 0 m s 时，生产效率可提高 3 0 6 0 ，砂轮耐用度提高0 7 l 倍，工件表面粗糙度 降低5 0 左右。欧洲的高速超高速磨削技术起步最早。 1 9 9 6 年由德国S c h a u d t 公司生产的高速数控曲轴磨床， 是具有高效深磨特性的典型产品，它能把曲轴坯件直接 由磨削加工到最终尺寸。德国B r e m e n 大学、A c h e n 工 业大学在高效深磨技术研究上取得了世界公认的高水 平成果。据A c h e n 工业大学宣称，该校已经采用了圆周 速度达到5 0 0 m s 的超高速砂轮，此速度已突破了当前 磨床与砂轮的工作极限。我国的高速超高速磨削研究 起步较晚，相关工作主要集中在南京航空航天大学、西 北工业大学、东北大学、湖南大学、郑州磨料磨具磨削研 究所等科研院所。南京航空航天大学采用单颗磨粒磨 削与超硬砂轮磨削相结合的方法，通过试验研究与物理 仿真揭示了高速超高速磨削过程中的材料去除行为、切 屑形成机制、力一热耦合作用等，为高速超高速磨削的 砂轮设计、强化换热、工艺优化、生产应用等提供了理论 依据和基础数据。西北工业大学针对整体叶盘抛光研 究了五轴联动柔性抛光系统，建立相应的试验平台，通 过磨头机构的柔性作用可以很好地拟合磨削过程中的 叶片型面，能够对叶片表面质量及微变形量进行自适应 控制和补偿，实现了叶盘表面的精密抛光。 3 复合高效加工方法 复合加工是数控加工技术的重要发展趋势之一，近 年来在航空制造领域得到了较为广泛的应用。除了常 见的车铣复合加工外，超声辅助切削加工、电加工+ 切 削加工等复合加工工艺技术也取得了长足进步，并得到