航空航天關(guān)重件高性能加工技術(shù)

劉小淇，岳彩旭，王樂，胡德生，劉獻(xiàn)禮

哈爾濱理工大學(xué)先進(jìn)制造智能化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黑龍江哈爾濱 150080

1 序言

航空航天制造業(yè)處于高性能加工技術(shù)的前沿領(lǐng)域，對(duì)機(jī)械零件的性能和精度提出了嚴(yán)格的要求，特別是在高溫、高壓等惡劣條件下使用的機(jī)械部件[1]。這些部件的制造依賴于精確可靠的高性能加工技術(shù)，例如高速加工、多軸聯(lián)動(dòng)加工、微細(xì)加工和典型航空航天材料的加工。這些技術(shù)不僅提高了生產(chǎn)效率、降低了成本，而且保證了零件的質(zhì)量和性能[2]。

在航空航天領(lǐng)域，關(guān)重件如葉輪、葉片、機(jī)匣和薄壁件等通常由高性能合金制造，其設(shè)計(jì)復(fù)雜，精度要求極高[3]。此外，這些部件在加工時(shí)易變形，特別是薄壁件，因此高性能加工技術(shù)在制造這些關(guān)重件時(shí)十分重要。這些技術(shù)不僅能處理難加工材料，還能確保在極端工作環(huán)境和復(fù)雜設(shè)計(jì)要求下的產(chǎn)品質(zhì)量和性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)微米到納米級(jí)的加工精度[4]，特別是在生產(chǎn)葉輪、葉片和機(jī)匣等關(guān)重件方面，展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，高性能加工技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用不僅提高了制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而且?guī)?dòng)了新材料和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的發(fā)展。這對(duì)于滿足航空航天制造業(yè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和復(fù)雜的制造要求至關(guān)重要。

2 高性能加工技術(shù)內(nèi)涵

高性能加工技術(shù)是一種工程技術(shù)，融合了高速加工技術(shù)（HSM）、多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)和難加工材料工藝技術(shù)等關(guān)鍵要素，旨在提高材料加工效率、精度和性能，其框架如圖1所示。在航空航天領(lǐng)域，這些技術(shù)用于制造高要求零部件，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜性和可靠性要求，推動(dòng)著該領(lǐng)域的制造技術(shù)不斷進(jìn)步。

圖1 高性能加工技術(shù)框架

2.1 高速加工技術(shù)

航空航天領(lǐng)域的高速加工技術(shù)在生產(chǎn)精密和復(fù)雜零件方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其通過提高材料去除率和優(yōu)化加工路徑，縮短了生產(chǎn)周期，并提高了零件的表面質(zhì)量。高速銑削中，實(shí)心和可轉(zhuǎn)位球頭立銑刀在凸凹面及五軸數(shù)控銑床上加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)銑削操作如圖2所示，體現(xiàn)技術(shù)多樣性和復(fù)雜性[4]。

圖2 不同工況下的銑削加工[4]

針對(duì)特定材料TC4鈦合金，王勝等[5]通過優(yōu)化PCD刀具的銑削參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了加工效率和表面質(zhì)量的顯著提升。LUIS等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，在復(fù)雜表面銑削中，最大徑向深度、進(jìn)給量和向下切削策略對(duì)提高表面質(zhì)量和生產(chǎn)率至關(guān)重要。VOGEL等[7]開發(fā)了具有內(nèi)部顆粒填充結(jié)構(gòu)的先進(jìn)刀柄，該刀柄在蒙福特公司進(jìn)行車削試驗(yàn)，如圖3所示，通過減少鈦合金加工過程中的振動(dòng)，提高了加工效率和刀具壽命。

圖3 填充式刀柄試驗(yàn)設(shè)置及刀柄結(jié)構(gòu)[7]

此外，高級(jí)CAM系統(tǒng)的應(yīng)用，如Mastercam、UnigraphicsNXhe CATIA，為加工提供了多樣化的刀具軌跡策略[8]。HASCOET和RAUCH[9]利用OpenNC控制器和NURBS刀具軌跡插補(bǔ)，進(jìn)一步提高了高速加工的質(zhì)量和效率，為航空航天制造業(yè)帶來了重大進(jìn)步。

2.2 多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)

在航空航天工業(yè)中，多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)，尤其是四軸和五軸數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，顯著提高了關(guān)重件生產(chǎn)效率和質(zhì)量，帶來了顯著的革新。

在具體的應(yīng)用研究方面，F(xiàn)AN等[10]開發(fā)了一種專門用于離心葉輪的五軸加工方法，該方法將葉輪分割成不同的區(qū)域，優(yōu)化刀具路徑以實(shí)現(xiàn)精確、高效的銑削。MHAMDI等[11]開發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片Ti-6Al-4V多軸銑削動(dòng)態(tài)模型，在葉片制造中實(shí)現(xiàn)了更好的精度和表面質(zhì)量，解決了復(fù)雜的形狀和材料挑戰(zhàn)。陳凱航[12]開發(fā)了一種葉輪五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的半實(shí)時(shí)速度規(guī)劃方法，有效提升了加工質(zhì)量和效率，滿足了工程實(shí)際需求。以半開式整體葉輪為例，多軸聯(lián)動(dòng)加工現(xiàn)場(chǎng)及樣件如圖4所示。

圖4 多軸聯(lián)動(dòng)加工現(xiàn)場(chǎng)及樣件

此外，文豪等[13]開發(fā)了一種新方法，用于生成網(wǎng)格曲面加工的刀軸矢量，以提高多軸CNC切削加工的效率和精度。王博等[14]開發(fā)了一種多軸球頭銑削中切削刃微元點(diǎn)軌跡建模的方法。他們構(gòu)建了一個(gè)集成刀具幾何特征的動(dòng)態(tài)模型，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)銑削力。

多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，其對(duì)生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量的提升不可忽視。此技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為未來航空航天制造業(yè)的進(jìn)一步革新開拓了新的道路。

2.3 微細(xì)加工技術(shù)

在航空航天領(lǐng)域，微細(xì)加工技術(shù)，尤其是微銑削、微電放電加工、激光微加工和超聲波加工，扮演著至關(guān)重要的角色。這些技術(shù)對(duì)于制造具有復(fù)雜形狀和高精度要求的微型部件具有關(guān)鍵性作用。

微銑削技術(shù)在制造高精度和復(fù)雜幾何形狀的微型部件中展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。田璐等[15]在最小切削厚度和切削力優(yōu)化方面取得了進(jìn)展，而LI等[16]開發(fā)了一種用于微銑刀的新型微納米復(fù)合陶瓷刀具材料Ti（C，N）/WC/ZrO2，有效地提高了切削刀具的彎曲強(qiáng)度、韌性和硬度。此外，張欣欣等[17]優(yōu)化鈦合金和不銹鋼等堅(jiān)韌材料的高速微銑削切削參數(shù)，提高了這些難加工材料的表面質(zhì)量和加工效率。

在微電放電加工領(lǐng)域，田川[18]證實(shí)了微電放電加工在提高Ti-6Al-4V鈦合金加工效率和表面質(zhì)量方面的效果。LIN等[19]通過田口法優(yōu)化了Inconel 718的微銑削電火花加工，實(shí)現(xiàn)了電極磨損、材料去除率和工作間隙之間的平衡，從而提高了切削加工效率。HUU等[20]采用碳涂層電極改進(jìn)了鈦合金的加工效率，展示了非接觸式加工在硬質(zhì)材料中的潛力。而GARZON等[21]的研究則專注于微電火花加工中的力測(cè)量技術(shù)，為加工過程提供了更精確的監(jiān)控。此裝置在Sarix sx200機(jī)床上構(gòu)建并優(yōu)化的組合加工平臺(tái)如圖5所示。

圖5 組合加工機(jī)床：微銑削+微電火花加工[21]

激光微加工技術(shù)的發(fā)展顯著提升了多種材料的局部加工性能，如CHAVOSHI[22]的研究所示，通過高能激光束對(duì)多種材料進(jìn)行局部加工，提升了加工性能。肖強(qiáng)等[23]利用飛秒激光加工成功制造了微納米結(jié)構(gòu)。SUN等[24]使用μCT檢測(cè)激光增材制造的Ti-6Al-4V中的空洞缺陷，為航空航天質(zhì)量保證提供了重要信息。

同時(shí)，超聲波加工技術(shù)也取得了重要進(jìn)展。彭振龍等[25]開發(fā)的高速超聲波動(dòng)式切削技術(shù)提高了難加工材料的切削速度和效率，而ZHAO等[26]利用自行研制的基于工件振動(dòng)的RUVAG裝置，進(jìn)行了單CBN晶粒磨削試驗(yàn)，旨在揭示徑向超聲振動(dòng)對(duì)CBN晶粒的材料去除機(jī)理和磨損性能。LIU等[27]提出的超聲波輔助啄鉆（UPD）方法有效提高了CFRP/Ti層壓材料鉆孔效率和質(zhì)量。

微細(xì)加工切削技術(shù)的綜合應(yīng)用不僅展現(xiàn)了各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而且在高精度和復(fù)雜設(shè)計(jì)的微型部件制造中展現(xiàn)出巨大潛力。隨著微細(xì)切削技術(shù)的不斷發(fā)展，其將繼續(xù)推動(dòng)航空航天領(lǐng)域及其他精密制造行業(yè)的進(jìn)步。

2.4 典型航空難加工材料

在航空航天行業(yè)中，對(duì)鈦合金、鋁合金和碳纖維復(fù)合材料等典型難加工材料的精密加工技術(shù)研究至關(guān)重要。這些材料因其卓越的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性能在航空關(guān)重件制造中有著重要地位，但同時(shí)也帶來了加工上的挑戰(zhàn)。

在鈦合金加工領(lǐng)域，田榮鑫等[28]針對(duì)TC11鈦合金的高速銑削提出了工藝參數(shù)優(yōu)化方法。劉鵬等[29]開發(fā)了優(yōu)化PCD刀具高速銑削TA15鈦合金切削力的數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了其有效性。HOURMAND等[30]研究發(fā)現(xiàn)，相比未涂層刀具，涂層碳化鎢（WC或WC/Co）刀具在磨損、光滑度、壽命和摩擦方面表現(xiàn)更佳。EZUGWU等[31]通過研究發(fā)現(xiàn)，使用PCD刀具高速精密車削TC4時(shí)，高壓切削液可顯著提升表面光滑度和刀具壽命，減少物理損傷。此外，姚俊等[32]通過應(yīng)用振動(dòng)電解切削技術(shù)，有效提高了TB6鈦合金的加工效率并降低成本。

在鋁合金加工方面，DONG等[33]重點(diǎn)研究精密加工中金剛石刀具的磨損，突出刀具間隙和進(jìn)給速度的影響。WANG等[34]對(duì)7050-T7451鋁合金的切削加工研究表明，較大的前角和較厚的切屑可顯著減少能源消耗，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更環(huán)保的制造。此外，JAROSZ等[35]通過優(yōu)化CNC面銑參數(shù)，顯著減少了AL-6061-T6鋁合金加工時(shí)間（約37%），提高了加工效率。

此外，對(duì)于航空航天碳纖維材料加工，WU等[36]開發(fā)了針對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）的聚晶金剛石切削刀具，提高了切削效率和質(zhì)量。ZHANG等[37]開發(fā)的隨機(jī)模型，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)銑削纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的切削力，對(duì)提升復(fù)合材料加工精度和效率具有重要意義。WU等[38]利用有限元模型和Deform 3D軟件進(jìn)行模擬分析，解決了鉆孔問題，改善了加工質(zhì)量。

綜上所述，在航空航天領(lǐng)域中，典型難加工材料的加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高性能航空航天關(guān)重件制造的關(guān)鍵。這些切削技術(shù)的發(fā)展不僅提高了加工效率和精度，而且為其他新型難加工材料的切削、加工和成形開辟了新的可能性。

3 高性能加工技術(shù)應(yīng)用案例

3.1 葉輪葉片多軸加工

以某航空整體葉輪五軸加工為例，預(yù)先考慮整體葉輪葉片的復(fù)雜表面幾何形狀的銑削方法，采用點(diǎn)銑法和側(cè)銑法。而后，考慮相鄰葉片精加工時(shí)刀具的選擇，避免過切和欠切，選用錐柄銑刀并結(jié)合CAD的距離分析功能進(jìn)行分析。接著，通過PowerMill軟件的“葉盤”模式設(shè)計(jì)刀位軌跡。最后，為了保證五軸加工的安全可靠，通過仿真軟件VERICUT進(jìn)行整體葉輪加工仿真，確保加工安全可靠，滿足尺寸和精度要求[39]。其關(guān)鍵問題及方法總結(jié)如下。

1）保證整體葉輪加工效率和精度是加工技術(shù)的關(guān)鍵。在銑削加工時(shí)采用點(diǎn)銑法和側(cè)銑法，通過點(diǎn)接觸以及線接觸的接觸方式，沿葉片流線方向逐步走刀加工出葉片曲面。采用此加工方法后保證了加工效率和表面質(zhì)量。

2）防止在相鄰葉片精加工時(shí)刀具過切或欠切，結(jié)合錐柄立銑刀和CAD軟件分析，確定葉片最小間距，預(yù)留加工余量和刀軸擺動(dòng)角度，既提升了加工效率，又增強(qiáng)了刀具剛性。

3）合理設(shè)計(jì)刀位軌跡是多軸加工中的最重要的一步。使用PowerMill軟件的“葉盤”模塊，通過參數(shù)化設(shè)置和策略設(shè)計(jì)，構(gòu)建輔助面，進(jìn)行碰撞和過切檢查等，從而制定出高效合理的刀位軌跡，并在后續(xù)實(shí)際加工中取得良好效果。

4）為確保五軸加工的安全性和可靠性，采用VERICUT仿真軟件模擬實(shí)際加工環(huán)境和工藝工裝，結(jié)合數(shù)控程序中的刀具軌跡，驗(yàn)證加工整體葉輪的可行性。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣高硬度薄壁環(huán)形件加工

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣薄壁異形結(jié)構(gòu)安裝環(huán)在加工中易發(fā)生的變形、振動(dòng)和表面質(zhì)量問題，采取多項(xiàng)措施預(yù)防變形。首先，增加粗銑工序以提前釋放加工應(yīng)力。其次，運(yùn)用彈性膜片結(jié)構(gòu)的脹緊式工裝和擺線車加工方法，有效避免零件變形。最后，通過車削代替磨削來確保涂層的表面質(zhì)量和尺寸，從而解決加工中的關(guān)鍵問題[40]。其關(guān)鍵性問題及方法總結(jié)如下。

1）減少后續(xù)加工過程中的應(yīng)力和變形，提高整個(gè)制造過程的效率和質(zhì)量是關(guān)鍵。通過粗銑工序去除端面多余材料以釋放加工應(yīng)力，減少變形，同時(shí)留下必要余量以便精加工。這一工序既提高了加工效率，又通過去應(yīng)力退火降低了內(nèi)應(yīng)力，保證了零件的精度和質(zhì)量。

2）為了解決零件在加工過程中的嚴(yán)重變形問題。通過設(shè)計(jì)特殊工裝和采用高效車削工藝（見圖6），有效控制加工過程中的變形，保障了加工精度和零件質(zhì)量。這種方法適用于類似高硬度薄壁異形零件的加工，能夠提高加工效率，減少刀具磨損，同時(shí)確保涂層的表面質(zhì)量和尺寸。

圖6 夾具及擺線車削加工[40]

3）為應(yīng)對(duì)磨削工藝產(chǎn)生較大振動(dòng)導(dǎo)致涂層表面出現(xiàn)振動(dòng)痕跡，難以滿足表面粗糙度要求的問題，改為采用車削工藝，利用專用車刀和合理加工參數(shù)進(jìn)行加工。相比砂輪磨削，車削涂層接觸面積更小，有效減少了振動(dòng)，提高了涂層的表面質(zhì)量和尺寸精度，滿足了制造要求。

4 結(jié)束語

本文對(duì)航空航天領(lǐng)域中的高性能加工技術(shù)進(jìn)行了全面的綜述，突出了這些技術(shù)在航空航天制造業(yè)中的重要作用。強(qiáng)調(diào)了高性能加工技術(shù)在提升關(guān)重件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量、保證極端條件下性能等方面的重要性，然后通過介紹具體的應(yīng)用實(shí)例，展示了這些技術(shù)在提高加工精度、減少變形和振動(dòng)方面的顯著優(yōu)勢(shì)。但在飛快發(fā)展的航空航天領(lǐng)域中，高性能加工技術(shù)仍面臨著多重挑戰(zhàn)。未來的航空航天制造業(yè)將集中于整合創(chuàng)新技術(shù)，如數(shù)字孿生和智能制造，同時(shí)注重環(huán)境可持續(xù)性，推動(dòng)更環(huán)保的材料和工藝發(fā)展，更高效、智能和環(huán)保的技術(shù)將驅(qū)動(dòng)新時(shí)代的到來。