沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司 楊金發(fā) 龐繼有 蘭影鐸 王志忠

沈陽黎明航空零部件制造有限公司 劉 陟

沈陽發(fā)動機研究所 梁宏坤

航空制造用機床工具發(fā)展趨勢分析

沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司 楊金發(fā) 龐繼有 蘭影鐸 王志忠

沈陽黎明航空零部件制造有限公司 劉 陟

沈陽發(fā)動機研究所 梁宏坤

高性能的新型難加工材料，輕量化整體薄壁結構設計，精密化的加工要求，高效化的加工速度與效率，可靠性和經濟性的工藝質量和成本，這些航空業(yè)的技術指標將對我國的機床工具提出哪些要求？

隨著發(fā)動機性能的不斷提高，復雜結構零件愈來愈多，對高端設備的使用逐漸增多，怎樣正確、更好地發(fā)揮設備的各項功能，開發(fā)更深層次的功能，提高高端設備的利用率，扭轉高投入、低產出的局面，設備滿足生產及科研的需求，值得我們研究。

航空產品的主要特點：高性能，廣泛應用新型難加工材料。輕量化，大量采用整體薄壁結構。精密化，加工精度不斷提高。高效化，加工速度與效率?？煽啃院徒洕裕に?、加工質量和成本要求較高。

數控機床是現代制造業(yè)的關鍵設備，一個國家數控機床的產量和技術水平在某種程度上就代表著這個國家制造業(yè)水平和競爭力。未來大飛機發(fā)動機先進的材料和工藝也是減輕大飛機發(fā)動機質量、提高性能、改善經濟性的關鍵技術之一，目前它正在向性能高效化和環(huán)境無害化方向發(fā)展。性能高效化材料和工藝包括：外涵機匣、風扇轉子/ 靜子葉片、包容環(huán)等冷端部件的樹脂基復合材料及工藝；壓氣機轉子/ 靜子葉片、整體葉環(huán)、軸等中溫部件的鈦基和鎳基復合材料及工藝；燃燒室火焰筒、渦輪轉子/ 導向葉片、排氣噴管等高溫部件的陶瓷基復合材料和碳碳復合材料及工藝。

數控加工技術應用的主要趨勢：高速數控機床與高速切削技術成為主流；多軸聯(lián)動與復合化數控加工需求增多；加工仿真從數值仿真向動力學仿真發(fā)展；數控裝備與加工工藝及切削數據庫結合。

美國GEnx發(fā)動機

國外五坐標加工中心

數控機床發(fā)展現狀

機床是由各種功能部件（主軸單元及主軸頭、滾珠絲杠副、回轉工作臺和數控伺服系統(tǒng)等）在床身、立柱等基礎機架上集裝而成的，功能部件是數控機床的重要組成部分。數控機床整體技術與數控機床功能部件的發(fā)展是相互依賴、共同發(fā)展的，所以功能部件的創(chuàng)新也深深地影響著數控機床的發(fā)展。

國外航空產品主要高端設備有：五座標銑削加工中心，車削加工中心，精密鏜加工中心，五軸銑車/車銑復合加工中心及計量型三坐標測量機。

我國機床行業(yè)近年來取得了長足的發(fā)展，數控化率穩(wěn)步提高，但機床消費和生產的結構性矛盾仍然比較突出。目前，國內對中高檔機床的需求量逐漸超過低檔機床。

國產數控機床制造商通過技術引進、海內外并購重組以及自主創(chuàng)新開發(fā)了一些先進數控技術，在基礎共性技術的研究方面取得了長足的進步。

高性能數控機床的各項高端功能

先進性：即要求設備具有數字化和前沿性的特征，軟件功能強大，自動化程度高。 集成性：減少附加設備，設備高度集成，簡化工序。柔性：設備通用程度高，生產適用性強。精度：設備需具備精度高，精度保持時間長，技術成熟度高等特點。

穩(wěn)定性：故障率低。高的動態(tài)特性：瞬間達到高速和在高速運行中瞬間準停；高的控制精度高的定位精度和重復定位精度以及較長的服役精度。

機床主軸轉速方面，主軸轉速與進給速度需要高速切削或超低速切削時, 應關注主軸的轉速范圍。特別是高速切削時, 既要有高的主軸轉速, 還要具備與主軸轉速相匹配的進給速度。

目前加工中心高速化趨勢發(fā)展很快，主軸從每分鐘幾千轉到幾萬轉，直線坐標快速移動速度從10～20m/ min上升到80m/min以上，用戶必須根據自身的技術能力和配套能力合理作出選擇。

國外及國內航空產品，如機匣等的銑加工需要的主軸偏轉五坐標銑加工中心一般要求：工作臺尺寸：1 000mm以上；定位精度：0.008mm；重復定位精度：0.004mm；主軸最大轉速不低于20 000r/min；工作臺承重≥3000Kg；具有自動換刀功能，刀庫容量≥60把；系統(tǒng)配置：西門子840D控制系統(tǒng)6.0或以上，可進行高級語言編程，具備框架TRANS、AROT、刀尖跟蹤TRAORI、高級測量循環(huán)、計數循環(huán)FOR及子程序調用功能，具備3維刀具補償功能；USB端口，DNC網絡接收數據端口；其他功能：配置高壓內冷，機載自動對刀功能，機載工件測量功能，溫度自動補償功能；第五軸帶上仰角；另外機床具有足夠剛性和可靠性。

先進刀具技術

刀具作為切削加工的主體之一，在解決航空材料的加工難題中起著至關重要的作用。先進的航空產品要求航空零件具有更優(yōu)異的性能、更低的成本和更高的環(huán)保性，而加工工藝要求具有更快的加工速度、更高的可靠性、高重復精度和可再現性。

航空鈦合金、高溫合金零件難切削的工件材料，復雜而薄壁的形狀，高精度的尺寸和表面粗糙度要求，同時大的金屬去除量等特點，對切削刀具的高效、精密、安全性等提出更高的要求，傳統(tǒng)的刀具已不能滿足現代先進高效加工的要求，刀具行業(yè)進入了“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的現代刀具生產新格局。

高性能車刀

從航空刀具市場調查來看，國內航空制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，出現的只是航空領域先進刀具國外采購量呈逐年上升的趨勢，平均每年以18%的復合增長速度在提升。國內的高端數控刀具的增長速度逐步加大。國外高端數控刀具在國內航空領域占有重要地位。

可以看出，蓬勃發(fā)展的航空行業(yè)對高品質刀具要求與國內相對滯后的國產刀具水平的矛盾日益突出，開展高性能刀具的研發(fā)對于提高國產刀具在難加工領域的應用水平有著重要的意義。

刀具結構創(chuàng)新是實現高效加工的有效途徑之一。在航空領域，隨著鈦合金、高溫合金以及復合材料的廣泛應用，飛機零部件的性能（如強度、硬度、耐磨性、耐熱性等）不斷提高，這也給加工制造帶來了更大的挑戰(zhàn)。從物理性能來看，上述材料都屬于難加工材料的范疇，而普通工程材料在重要的航空結構件中已經不被采用。在現代飛機主承力結構中，整體結構件通常采用切削加工，零件成品的質量只占毛坯質量的10%～20%，甚至更低，其余材料都變成了切屑。切削加工過程中，刀具與被加工材料是相互對立又相互聯(lián)系的，新的材料需要有更新的刀具和更新的方法來實現其高效加工。對難加工材料，通常采用的方法是：根據該材料的特點，列出適合的備選刀具，并在不同切削參數下使用備選刀具進行試切，通過測量加工過程中的切削力、刀具磨損和加工表面質量選取最優(yōu)刀具。難加工材料切削加工中最突出的問題是刀具磨損過快導致加工效率偏低和工件質量差。從加工的角度講，影響刀具壽命的關鍵因素在于刀具材料、刀具幾何參數以及切削參數的選取和優(yōu)化。

航空發(fā)動機零件切削加工中，刀具材料一般分為工具鋼（碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼）、硬質合金、陶瓷、和超硬刀具材料。這幾種刀具材料中，硬質合金刀具所占比重最大。這里重點對陶瓷刀具在航空業(yè)的應用予以闡述。目前我國陶瓷刀具的應用還處于起步階段，雖然我國陶瓷刀具的研究水平與國外相當，但實際應用發(fā)展較慢。陶瓷刀具主要用于硬質合金刀具難以切削的工件粗加工。航空制造業(yè)推廣使用陶瓷刀具的時間不長，在陶瓷刀具的幾何參數、切削用量以及使用技術方面需要積累經驗。陶瓷材料與硬質合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、熱硬性和耐磨性。陶瓷刀具化學穩(wěn)定性、抗氧化能力等均優(yōu)于硬質合金，非常適合干式連續(xù)高速切削高溫合金、淬硬剛、軸承鋼、高強度鋼等難加工材料。航空發(fā)動機中高溫合金應用很多，盤軸類零件較多，正是陶瓷刀具發(fā)揮其優(yōu)勢的地方。實現高效加工，以陶瓷刀具替代部分硬質合金刀具，是完全可行的。陶瓷刀具不是萬能刀具，只有正確使用才能充分發(fā)揮其優(yōu)越性。鑒于陶瓷刀具的特性，選用時必須注意以下幾方面的問題：首先要選擇良好的系統(tǒng)剛性；其次要防止工件對刀具的沖擊；還要合理選擇刀具幾何參數和切削用量。

模塊式刀具系統(tǒng)是多功能復合刀具一個重要方面，通過不同模塊的組合，用盡可能少的模塊組成一個功能全、柔性好的多功能復合刀具，采用高精度、高剛性并能快換的聯(lián)接結構，可以顯著提高數控機床的利用率。

智能機床迅速發(fā)展

發(fā)動機行業(yè)對數控設備的要求是：具有先進性，即要求設備具有數字化和前沿性的特征，軟件功能強大，自動化程度高。具有集成性，減少附加設備，設備高度集成，簡化工序。具備高度柔性，設備通用程度高，生產適用性強。具備高精度與加工穩(wěn)定性、設備需具備精度高、精度保持時間長、技術成熟度高及故障率低等特點。未來機床的發(fā)展趨勢逐步向自動化、智能化、綠色方向發(fā)展。機床，作為目前工業(yè)設備加工制造上最重要的設備之一，正在不斷向智能化邁進。數控機床，便開創(chuàng)了集成精密制造技術及相關技術，計算機軟、硬件技術，并兼容網絡技術的先河，啟動了智能型生產工具的發(fā)展步伐。

高壓內冷卻刀具

智能技術深入發(fā)展。機器人技術正在走向更為廣闊的應用領域，機床正在向無人操作目標前進。一批與具有視覺、力覺、全角度、高速、大重量抓取的機器人或機械臂集成的機床產品，充分顯現了二者融合帶來的巨大進步和發(fā)展前景。智能技術是數控技術的前沿技術，智能技術的開發(fā)與應用，使機床具備有感知、會分析思考、能主動應對處理加工過程中出現的變化、能夠主動對復雜問題進行處理等智能技術。使得人機關系更加融洽和友好，并推動機床自動化水平進入到更高的階段。

智能機床是對制造過程能夠做出判斷和決定的機床。智能機床了解到制造的整個過程后，能夠監(jiān)控、診斷和修正在生產過程中出現的各類偏差，并且能為生產的最優(yōu)化提供方案。此外，還能計算出所使用的切削刀具、主軸、軸承和導軌的剩余壽命，讓使用者清楚其剩余使用時間和替換時間。能夠收容大量信息，對各種信息進行儲存、分析、處理、判斷、調節(jié)、優(yōu)化、控制。智能機床還具有重要功能，如： 工夾具數據庫、對話型編程、刀具路徑檢驗、工序加工時間分析、開工時間狀況解析、實際加工負荷監(jiān)視、加工導航、調節(jié)、優(yōu)化，以及適應控制。換句話說，機床進化到可發(fā)出信息和自行進行思考，可自行適應柔性和高效生產系統(tǒng)的要求。信息技術的發(fā)展及其與傳統(tǒng)機床的相融合，使機床朝著數字化、集成化和智能化的方向不斷發(fā)展。

柔性化生產線

數字化制造裝備、數字化生產線、數字化工廠的應用空間越來越大，將大大提升成形和加工精度，提高生產效率。機床的智能控制對數控系統(tǒng)提出了更高的要求，這需要數控系統(tǒng)具有開放性、包容性和一定的二次開發(fā)特性。目前，國內自動化成套生產線等為代表的智能制造裝備產業(yè)體系初步形成，一批具有自主知識產權的重大智能制造裝備在制造領域發(fā)揮著重大的作用。

結語

更加自動化、智能化、系統(tǒng)化的加工設備將會是未來工業(yè)發(fā)展的主流方向。一代材料、一代制造技術、一代工藝裝備，促進航空制造水平逐步提升。隨著航空制造技術的不斷發(fā)展，其對航空制造設備的依賴程度越來越高，需要工業(yè)研究與設備的高度結合，機床設備的發(fā)展水平，直接影響制造技術的應用效果和航空產品的制造質量和效率。同時，自主創(chuàng)新是我們非常重要的選擇?！?/p>

楊金發(fā)，中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司技術中心，高級工程師。主要從事高性能數控加工技術、整體葉盤加工技術、切削數據庫開發(fā)等研究工作。發(fā)表科技論文20余篇。