新型航空發(fā)動機(jī)零件的特點

　　新型航空發(fā)動機(jī)關(guān)重零件越來越多地采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并大量采用鈦合金、高溫合金等難加工材料。這些零件大多采用基于鍛造毛坯的整體式加工方式，零件數(shù)控加工過程呈現(xiàn)出加工精度要求高、切削過程材料去除量大、加工變形控制難度大等特點，對加工質(zhì)量、變形控制和加工效率提出了很高的要求。

　　新型航空發(fā)動機(jī)零件的特點突出體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　(1)零件的結(jié)構(gòu)特點。

　　隨著新型航空發(fā)動機(jī)推重比的提高，航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，技術(shù)要求越來越高，零件的壁厚設(shè)計得越來越薄。機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇、整體葉盤等作為現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零件，越來越多地采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，零件的外廓尺寸也越來越大。

　　(2)零件的材料特點。

　　航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣、盤軸等關(guān)重件大量采用鈦合金、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(dǎo)致切削力大、切削功率高，需要機(jī)床主軸有更大的扭矩和功率。

　　(3)零件的毛坯特點。

　　航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇、整體葉盤等關(guān)鍵零件毛坯均為整體模鍛件，由于零件外表面形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特征較多，使得零件外輪廓極其復(fù)雜，目前的鍛造技術(shù)還無法達(dá)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(dá)60%以上。

　　(4)零件的加工特點。

　　為滿足航空發(fā)動機(jī)長壽命、高可靠性要求，產(chǎn)品精度和表面質(zhì)量控制要求極為嚴(yán)格。

　　機(jī)匣、壓氣機(jī)風(fēng)扇、整體葉盤等航空發(fā)動機(jī)關(guān)重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)量要求很高，導(dǎo)致加工周期較長。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(yīng)力較大，加工變形較為嚴(yán)重，對數(shù)控機(jī)床的精度和使用壽命影響極大。目前采取的數(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。

　　面向航空難加工材料的數(shù)控加工技術(shù)及裝備

　　數(shù)控設(shè)備是生產(chǎn)工具，講究實用和經(jīng)濟(jì)效益，機(jī)床的剛性、穩(wěn)定性決定著機(jī)床的精度、持久性和可靠性等綜合技術(shù)指標(biāo)，也決定著數(shù)控設(shè)備的適用范圍。從某種意義上講，基體不穩(wěn)固、受環(huán)境因素影響較大的數(shù)控設(shè)備的精度不會維持太長的時間，尤其是加工航空難加工材料，數(shù)控設(shè)備精度的穩(wěn)定性、可靠性和剛性極為重要。面向難加工材料的數(shù)控設(shè)備的主要要求如下：

　　(1)多軸聯(lián)動。

　　多軸聯(lián)動通常指的是四軸以上的機(jī)床運動方式，引入復(fù)合旋轉(zhuǎn)軸，即A軸、B軸和C軸。雙雙組合的多軸聯(lián)動可方便地解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)和型面的加工問題，如復(fù)雜空間曲面、復(fù)雜結(jié)構(gòu)型腔以及多面體等的加工;在多軸聯(lián)動基礎(chǔ)上實現(xiàn)的復(fù)合數(shù)控加工可以大大縮短工件定位裝夾等輔助工作時間，能夠有效提高產(chǎn)品的加工效率，多軸聯(lián)動和復(fù)合加工在航空發(fā)動機(jī)整體葉盤、機(jī)匣、盤環(huán)等關(guān)重件生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

　　(2)大扭矩電主軸。

　　近年來，高速切削機(jī)床在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。電主軸的特點在于隨著轉(zhuǎn)速的提高，電主軸的扭矩和功率逐漸增大，直到達(dá)到最大扭矩值和最大功率，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到極限值后，主軸扭矩和功率反而開始下降;總地來說，高速范圍內(nèi)的電主軸扭矩和主軸功率較大。對航空難加工材料來說，由于材料切削性能較差，切削抗力較大，目前切削速度一直處于低速水平，切削線速度通常介于20～80m/min之間，在這個范圍內(nèi)，電主軸的扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械主軸，電主軸沒有任何優(yōu)勢。為突破在中低速范圍內(nèi)高速電主軸功率和扭矩稍顯不足這一技術(shù)難題，德馬吉公司研制開發(fā)了專門面向難加工材料的航空大扭矩電主軸，配合高性能刀具系統(tǒng)，可以實現(xiàn)難加工材料高速切削加工，使得高速切削技術(shù)在航空難加工材料領(lǐng)域得到了有效突破。

　　(3)高剛度。

　　主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的靜態(tài)剛度、動態(tài)剛度和熱穩(wěn)定性。足夠高的靜態(tài)剛度可以抵抗由于機(jī)床零部件重力和零件加工時的切削力引起的機(jī)床變形，保證刀具與工件在切削過程中的靜態(tài)位移;優(yōu)良的動態(tài)特性可防止和減小切削過程中由于動態(tài)切削過程產(chǎn)生的強迫振動和自激振動，以滿足刀具與工件在切削過程中的動態(tài)位移要求;良好的熱穩(wěn)定性使機(jī)床在加工過程中受到切削熱、環(huán)境溫度變化等作用時，熱變形盡量小。機(jī)床的高靜動態(tài)剛度和熱穩(wěn)定性技術(shù)指標(biāo)確保零件加工能夠獲得更好的表面質(zhì)量和較高的材料去除率。

　　(4)智能化。

　　智能化是新一代數(shù)控機(jī)床的重要特征。智能化主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面是機(jī)床控制的智能化，如在機(jī)床軸運動控制中引入前饋控制、預(yù)測控制、約束控制等先進(jìn)控制策略，在加工過程控制中引入自適應(yīng)控制、學(xué)習(xí)控制等。另一方面是將專家系統(tǒng)、自動檢測及自動補償功能等嵌入數(shù)控系統(tǒng)，例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備自動編程與仿真、機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、刀具自動管理及補償、機(jī)床熱變形/振動監(jiān)測與補償?shù)裙δ埽箶?shù)控機(jī)床具有更多的“智能”。

　　(5)自適應(yīng)技術(shù)。

　　自適應(yīng)技術(shù)已經(jīng)逐漸用于數(shù)控機(jī)床，使得數(shù)控機(jī)床具備一定的智能性。具體表現(xiàn)就是，當(dāng)切削余量大時，進(jìn)給速度會自動減慢;當(dāng)切削余量小時，進(jìn)給速度會自動增快;帶來的好處是，不僅提質(zhì)增效，而且保護(hù)機(jī)床。原理其實很簡單，在主軸電機(jī)上安裝電流偵測傳感器，將偵測信號實時反饋給數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)電流狀況實時決定驅(qū)動軸速度的快慢。

　　近年來，各數(shù)控系統(tǒng)制造商推出的系統(tǒng)都具有較好的刀具監(jiān)控功能。如在西門子810/840D系統(tǒng)內(nèi)就可以集成以色列OMAT公司的ACM自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)或德國的Artis自適應(yīng)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采樣機(jī)床主軸負(fù)載變化，記錄主軸切削負(fù)載，進(jìn)給率變化、刀具磨損量等加工參數(shù)，并輸出數(shù)據(jù)、圖形至Windows用戶圖形界面。