高性能零件的性能與幾何參數(shù)一體化精密加工方法與技術(shù)

郭東明

(大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024)

1 前言

隨著裝備制造、航空航天、武器、能源、交通等領(lǐng)域高端裝備制造技術(shù)要求的不斷提高，涌現(xiàn)了一大批性能要求越來(lái)越高的零件/構(gòu)件/部件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)零件)，將這種具有高性能要求的零件統(tǒng)稱(chēng)為高性能零件。高性能零件一般都工作在高速、高精、高可靠性或使役環(huán)境極其復(fù)雜的條件下，以導(dǎo)流、潔整、透波、傳熱、使役精度保持性等物理性能為主要制造指標(biāo)，結(jié)構(gòu)和材料特殊，往往呈精密復(fù)雜曲面、超高精度，以及材料超硬、超脆、超黏等難加工特征，其性能受幾何、材料等多因素耦合作用。

普通零件的性能與幾何尺寸精度一般表現(xiàn)為線性相關(guān)，即利用傳統(tǒng)的制造方法按精確設(shè)計(jì)的零件幾何尺寸及公差要求制造出的零件，就可以滿(mǎn)足零件的性能要求。對(duì)于高性能零件，傳統(tǒng)的加工制造技術(shù)往往已難以滿(mǎn)足其精密制造要求:一種情況是直接加工出滿(mǎn)足幾何精度要求的零件時(shí)，其性能指標(biāo)往往達(dá)不到要求;另一種情況是由于零件高性能要求導(dǎo)致材料或結(jié)構(gòu)特殊，或是精度要求極高，傳統(tǒng)加工方法往往無(wú)能為力或很難加工出符合要求的零件。這種高性能零件的加工制造需求向傳統(tǒng)制造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，迫切需要按零件性能要求進(jìn)行加工制造的新方法［1～3］，以解決高性能零件的精密制造問(wèn)題。

2 高性能零件的分類(lèi)及特征

這類(lèi)高性能零件一般都是高端裝備和高端產(chǎn)品的關(guān)鍵或重要零件，根據(jù)其特征可以分為:

第Ⅰ類(lèi)高性能零件是強(qiáng)性能約束類(lèi)的精密復(fù)雜曲面零件，主要是指性能要求特別高、以性能為第一制造指標(biāo)的精密零件，如高性能天線罩、火箭共底構(gòu)件、飛行器氣彈質(zhì)縮比風(fēng)洞模型、精密陀螺半球諧振子和高速轉(zhuǎn)子組件等。

第Ⅱ類(lèi)高性能零件是復(fù)雜結(jié)構(gòu)約束類(lèi)的精密復(fù)雜曲面零件，主要是指復(fù)雜薄壁的低剛度精密零件，如整體渦輪和葉盤(pán)、大型火箭儲(chǔ)箱和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等。

第Ⅲ類(lèi)高性能零件是難加工材料約束類(lèi)的精密零件，主要是指通過(guò)特殊的難加工材料和高幾何精度來(lái)保證高性能的零件，如C/E復(fù)合材料構(gòu)件、功能陶瓷等脆性材料零件、高溫合金材料零件等。

第Ⅳ類(lèi)高性能零件是超高精度約束類(lèi)的超精密零件，主要是指性能與幾何精度線性相關(guān)的超高精度零件，如核主泵密封偶件、高性能光學(xué)鏡片、超精密基準(zhǔn)齒輪、單晶硅片等。

高性能零件由于其性能、材料和幾何等參數(shù)間的復(fù)雜耦合關(guān)系，其精密加工的過(guò)程，往往是對(duì)零件精密加工前表面上逐點(diǎn)精確定量的相對(duì)去除加工，以實(shí)現(xiàn)零件性能的提高，因而其加工過(guò)程一般都是同時(shí)滿(mǎn)足高性能和高幾何精度要求的測(cè)量與加工一體化的精密加工。

3 強(qiáng)性能約束類(lèi)精密復(fù)雜曲面零件的精密加工

強(qiáng)性能約束類(lèi)精密復(fù)雜曲面零件是指性能要求特別高的一類(lèi)零件，如高性能天線罩、火箭共底構(gòu)件、飛行器氣彈質(zhì)縮比風(fēng)洞模型、精密陀螺半球諧振子、高壓密封配合件和高速轉(zhuǎn)子組件(精密動(dòng)平衡加工)等，其特點(diǎn)如下所示。

1)電、光等物理性能指標(biāo)為第一制造要求。

2)僅按設(shè)計(jì)幾何精度要求加工的零件，其性能指標(biāo)往往不達(dá)標(biāo)。

3)尺寸大、形狀復(fù)雜、可加工性差，零件的最終尺寸一般事先無(wú)法確定。

4)零件精加工的幾何去除量分布是根據(jù)逐個(gè)零件實(shí)測(cè)的性能偏差反求得到，呈典型的數(shù)字化和個(gè)性化特征。

5)零件的去除量分布是相對(duì)被加工曲面本身或某一參考基面上的分布，因此其精密加工過(guò)程呈現(xiàn)參考基面測(cè)量、最終面形的再設(shè)計(jì)與數(shù)字化去除加工一體化的特征。

在該類(lèi)高性能零件的精密加工中，影響零件性能的因素非常復(fù)雜，包括零件的材料特性參數(shù)偏差、加工偏差和設(shè)計(jì)的原理性偏差等，只有掌握幾何、物理等因素對(duì)零件性能的影響規(guī)律及其控制策略，才能有效地通過(guò)加工提高制件的性能和合格率。圖1給出了第Ⅰ類(lèi)高性能零件加工的基本原理，其核心思路是基于按照原始設(shè)計(jì)幾何參數(shù)要求加工后零件性能偏差ΔΦ1超差(即大于性能允差δΦ)的實(shí)際情況，通過(guò)精密加工形成以一定規(guī)律分布的幾何偏差Δh，以及由此產(chǎn)生一個(gè)特定的性能偏差ΔΦ2，以抵消精加工前零件存在的性能偏差ΔΦ1。

圖1 第Ⅰ類(lèi)高性能零件加工的基本原理Fig．1 The basic principle of machining the first type of high performance parts

由此看出，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)性能約束類(lèi)高性能零件的精密加工的兩個(gè)首要條件是:

1)以零件幾何約束、物理約束和性能約束的相容性分析為基礎(chǔ)，建立各約束間相互作用的非線性耦合關(guān)系模型，以及獲得加工余量分布的反求算法。它是能否由性能偏差ΔΦ1準(zhǔn)確反求出幾何修正量分布Δh環(huán)節(jié)的理論基礎(chǔ)和前提;反求過(guò)程中，使ΔΦ2≈－ΔΦ1，從而使零件經(jīng)過(guò)精密加工后的性能指標(biāo)滿(mǎn)足使役性能要求，即:|ΔΦ1+ΔΦ2|≤δΦ。

2)實(shí)現(xiàn)幾何修正量分布Δh精確去除的數(shù)字化逐點(diǎn)可控去除加工方法及其專(zhuān)用的測(cè)量加工一體化工藝裝備。由于該精加工的去除量分布是相對(duì)某一參考基面(如被加工曲面本身)而言的相對(duì)量，與傳統(tǒng)加工中相對(duì)工件坐標(biāo)系的去除量是完全不同的概念，因此加工參考基面的在位測(cè)量獲得和按Δh分布的逐點(diǎn)可控去除加工是實(shí)現(xiàn)此類(lèi)高性能零件精密加工的核心。

強(qiáng)性能約束類(lèi)高性能零件精密加工中的約束耦合作用分析，更為關(guān)注與加工相關(guān)的幾何物理參數(shù)變化對(duì)零件性能的影響，從而在分析那些未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的性能參數(shù)的實(shí)際影響因素基礎(chǔ)上，采取有針對(duì)性的解決措施，使得所加工的零件在滿(mǎn)足幾何精度要求的前提下性能指標(biāo)也達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這些關(guān)鍵性能指標(biāo)一般要遵循某種物理規(guī)律并滿(mǎn)足特定指標(biāo)要求，例如從電磁性、傳熱性、密封性、彈塑性等方面進(jìn)行性能擬實(shí)建模與仿真，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)的敏度分析。假定與加工相關(guān)的性能函數(shù)為Φ ( u，v，λ1，…，λa，ζ1，…，ζb)，其中為與加工相關(guān)的幾何參數(shù)，在加工參數(shù)反算模型中一般為目標(biāo)變量;為物理參數(shù)或目標(biāo)變量之外的其他參數(shù)。若零件加工基準(zhǔn)面為參數(shù)曲面R(u，v)，這時(shí)，采用最小二乘準(zhǔn)則可建立第Ⅰ類(lèi)零件的加工余量反算模型:

式(1)中模型約束為幾何約束，即被加工面尺寸精度和公差要求;分別為被加工面上第k個(gè)檢測(cè)點(diǎn)Pk的性能參數(shù)測(cè)量值和尺寸偏差上下閾值。

第Ⅰ類(lèi)高性能零件的加工過(guò)程如圖2所示，實(shí)現(xiàn)該類(lèi)零件加工的關(guān)鍵技術(shù)可以歸納如下。

1)測(cè)量獲取零件實(shí)際性能偏差和幾何物理參數(shù)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)耦合關(guān)系模型反求出修正性能偏差的擬加工去除余量分布Δh(x，y，z)。

2)在位測(cè)量并建立零件的加工基準(zhǔn)面，包括由測(cè)量的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)加工基準(zhǔn)面f1(x，y，z)的重構(gòu)(常常也是被加工表面)。

3)構(gòu)造及再設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足性能要求的零件最終要求的目標(biāo)曲面，即將加工基準(zhǔn)面與擬加工去除余量分布合成:

f(x，y，z)=f1(x，y，z)+ Δh(x，y，z)4)根據(jù)目標(biāo)曲面f(x，y，z)和去除量分布Δh(x，y，z)進(jìn)行加工工藝規(guī)劃，并生成數(shù)控加工程序，進(jìn)行零件的逐點(diǎn)數(shù)字化可控加工。

一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)性能約束類(lèi)高性能零件加工中的反算模型涉及各約束間的耦合關(guān)系都非常復(fù)雜，反求計(jì)算屬于計(jì)算量龐大的數(shù)值尋優(yōu)過(guò)程，因此計(jì)算效率也是必須考慮的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，研究采用高效穩(wěn)定的模型求解算法十分必要。當(dāng)前的單純形法、序列線性或二次規(guī)劃方法、蒙特卡羅方法等都為高效求解算法提供了很好的選擇和參考。

圖2 第Ⅰ類(lèi)高性能零件加工的基本過(guò)程Fig．2 The basic process of machining the first type of high performance parts

以性能要求特別高的天線罩加工制造為例，其電性能要求是制造的主要性能考核指標(biāo)，它取決于天線罩的材料介電常數(shù)及其均勻性、幾何參數(shù)及偏差等多種誤差的綜合影響。因制造工藝的限制，介電常數(shù)和幾何參數(shù)誤差不可避免，尤其是前者對(duì)高電性能要求的影響特別突出，僅按幾何參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求制造的天線罩，大都會(huì)存在電性能超差的問(wèn)題，且天線罩的電性能誤差以及根據(jù)電性能誤差反算出的天線罩加工余量分布都不相同，因此對(duì)每一個(gè)天線罩進(jìn)行的精密加工也都呈個(gè)性化特征。筆者等與有關(guān)單位聯(lián)合，通過(guò)對(duì)硬脆材料復(fù)雜曲面高性能天線罩持續(xù)多年的研究，建立了天線罩幾何、物理和性能約束間的非線性耦合關(guān)系模型，突破了由性能偏差ΔΦ1求得幾何修正量分布Δh的精確反求理論難題，研究出該類(lèi)零件幾何參數(shù)和電厚度測(cè)量方法和儀器、可以實(shí)現(xiàn)幾何修正量分布的數(shù)字化逐點(diǎn)可控去除加工方法及其專(zhuān)用的測(cè)量加工一體化工藝裝備;此外還研究出針對(duì)天線罩工作可靠性的強(qiáng)度篩選技術(shù)和裝備、黏接工藝技術(shù)和裝備，解決了相應(yīng)型號(hào)類(lèi)零件的高性能精密加工難題。

大型火箭共底構(gòu)件是火箭箭體的重要部件，由鋁合金蒙皮的上下底和中間蜂窩復(fù)合材料三件緊密貼合構(gòu)成準(zhǔn)橢圓回轉(zhuǎn)面構(gòu)件，直徑達(dá)3 m以上(見(jiàn)圖3)。其制造是一個(gè)以大型不規(guī)則曲面為基準(zhǔn)的配對(duì)型面接觸特性保證的加工過(guò)程，涉及基準(zhǔn)面測(cè)量、數(shù)據(jù)處理與曲面重構(gòu)、采樣對(duì)象定位優(yōu)化、夾層復(fù)合材料加工變形機(jī)理、加工余量分布反算、刀位軌跡規(guī)劃和工藝規(guī)劃等流程，工藝實(shí)現(xiàn)難度大。筆者等與有關(guān)企業(yè)聯(lián)合，研制成功的蜂窩夾層—上、下底數(shù)字化加工技術(shù)與測(cè)量加工一體化工藝裝備，改變了我國(guó)以往全部由手工打磨研合修配、可靠性不高的現(xiàn)狀。

圖3 大型蜂窩共底構(gòu)件Fig．3 Large-scale honeycomb structure

飛機(jī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)顫振模型的制造難點(diǎn)在于保證幾何相似的條件下，如何實(shí)現(xiàn)彈性和質(zhì)量分布也能夠精確相似的高性能制造。研究出高性能全復(fù)材顫振模型的制造技術(shù)及根據(jù)性能偏差反求修正量的方法和逐點(diǎn)可控修正加工工藝，解決了該類(lèi)模型制造中性能偏差大、精度難以保證的難題，并研制出了滿(mǎn)足性能(幾何、彈性和質(zhì)量相似)要求的全復(fù)材全機(jī)跨音速顫振模型，成功進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。

4 復(fù)雜結(jié)構(gòu)約束類(lèi)高性能零件的精密加工

復(fù)雜結(jié)構(gòu)約束類(lèi)高性能零件的高性能要求，需要通過(guò)特別復(fù)雜、超低剛度的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高的幾何精度保證，如整體葉輪、整體渦輪、大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和火箭儲(chǔ)箱等。零件一般具有尺寸大、薄壁、易變形、去除量大、加工難度大等特點(diǎn)，有些零件的加工可達(dá)性差，只能采用低剛度的細(xì)長(zhǎng)刀具進(jìn)行加工。例如，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管為保證傳熱性能，要求噴管冷卻槽剩余壁厚均勻，由于應(yīng)力釋放和薄壁切削變形，在銑槽加工過(guò)程中噴管內(nèi)廓形持續(xù)變化，因此加工的難點(diǎn)在于銑削每個(gè)槽時(shí)都要測(cè)量噴管外廓形和壁厚。

此類(lèi)高性能零件的精密加工是國(guó)際公認(rèn)的復(fù)雜制造工藝難題之一，有時(shí)很難用經(jīng)典理論進(jìn)行受力分析，易發(fā)生變形、失穩(wěn)和振動(dòng)等問(wèn)題。該類(lèi)零件加工的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)零件的可達(dá)加工，并消除或補(bǔ)償加工系統(tǒng)弱剛度所致加工變形的影響，從而保證加工精度和提高加工效率。相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)包括:a．加工路徑規(guī)劃;b．加工動(dòng)態(tài)銑削力預(yù)測(cè);c．加工變形控制與補(bǔ)償。

在超低剛度零件切削加工中，制訂行之有效的路徑規(guī)劃策略和方法非常重要［4～6］。在路徑規(guī)劃中需要考慮的主要因素有:a．刀具可達(dá)性;b．加工效率與精度;c．刀具姿態(tài)。復(fù)雜曲面和型腔的加工是各向異性的，制約因素很多，其加工路徑規(guī)劃要考慮進(jìn)給、抬刀、殘留高度、干涉、機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性和驅(qū)動(dòng)能力等方面多層次的因素。例如，刀具的局部可達(dá)空間限制可能導(dǎo)致刀具姿態(tài)發(fā)生突然改變，必須對(duì)刀具姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化并盡量采取前瞻策略。在加工精度和效率方面，針對(duì)待加工面的幾何形狀特點(diǎn)和不同的加工工藝，研究相適應(yīng)的加工路徑拓?fù)鋷缀涡螤钣兄匾饬x。例如，對(duì)于大面高速加工來(lái)說(shuō)，具有最少抬刀的螺旋加工軌跡優(yōu)勢(shì)明顯，能夠發(fā)揮高速加工的特點(diǎn)并能提高加工效率;對(duì)于磨拋工藝，則具有多方向通過(guò)磨拋點(diǎn)的Peano軌跡(見(jiàn)圖4)最為適合。取得這種突破的關(guān)鍵在于豐富加工軌跡形式。然而，對(duì)于網(wǎng)格曲面、組合曲面和裁剪曲面，在規(guī)劃路徑上還多以截面線型路徑為主。

圖4 曲面上的Peano型加工軌跡Fig．4 Peano tool paths on a curved surface

基于能量泛函的定域和自由邊界協(xié)調(diào)映射路徑規(guī)劃方法［7，8］可在復(fù)雜曲面上生成等距和螺旋線等多種軌跡，有助于豐富軌跡設(shè)計(jì)形式，解決組合/裁剪/網(wǎng)格模型加工通常只能采用截面線軌跡的不足，從而為第Ⅱ類(lèi)高性能零件測(cè)量加工一體化集成軟件的模塊開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)。該方法的核心是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面在平面域的映射，使規(guī)劃可以在平面上進(jìn)行。映射可采用保角、保積映射及其組合等多種形式。對(duì)于定域映射，可采用的一種具體表達(dá)為:

其中:

式(2)中，η+ζ=1;ψ和φ為曲面上一點(diǎn)及其在展開(kāi)平面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)和為系數(shù);h為映射函數(shù);El為考慮長(zhǎng)度變化的能量函數(shù);Ec為考慮角度變化的能量函數(shù)。圖4所示即為采用該方法生成的軌跡。

目前，為提高效率采用的五軸加工是典型的強(qiáng)力切削加工，具有切削力大、切削過(guò)程時(shí)滯及機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性時(shí)變的特點(diǎn)［9］，很難根據(jù)傳統(tǒng)的切削要素優(yōu)化切削工藝。當(dāng)前的銑削力預(yù)測(cè)方法主要針對(duì)三軸銑削，未變形切屑厚度的計(jì)算公式大都基于圓弧假定，對(duì)自由曲面和五軸加工的預(yù)測(cè)模型非常少。

基于刀具運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的銑削力預(yù)測(cè)新方法［10］為五軸加工仿真和提高預(yù)測(cè)精度提供了一種有效的途徑和參考。五軸加工時(shí)刀刃掃掠面為:

式(3)中，ρ為沿刀軸方向高度;C(ρ)為刀刃方程;t0(t)為該時(shí)刻路徑點(diǎn);t為時(shí)間變量;θA和θC分別為刀具繞A軸和C軸的擺角;分別為擺頭節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系在原點(diǎn)初始狀態(tài)下沿A軸和C軸的單位方向矢量;Rot為繞A軸或C軸的單位旋轉(zhuǎn)矩陣;B為刀具自身的單位旋轉(zhuǎn)矩陣;φ為刀具的旋轉(zhuǎn)角度。

于是，如圖5所示，在給定刀軸位置處的未變形切屑厚度為:

切向dFt、徑向dFr和軸向dFa微元切削力為:

式(5)中，m=t，r，a;φi，j(θ)為第 i個(gè)切削刃上第 j個(gè)微元刀刃在刀具轉(zhuǎn)角θ時(shí)的角度;Km為切削力系數(shù)(N/mm2);dA為微元切削載荷。

式(6)中，db表示微元刀刃的厚度。槽切加工實(shí)驗(yàn)表明，這種切削力預(yù)測(cè)方法的最大誤差較國(guó)際通用模型方法可減少40%以上。

圖5 未變形切屑厚度計(jì)算示意圖Fig．5 Schematic diagram of undeformed chip thickness calculation

第Ⅱ類(lèi)高性能零件的加工往往呈現(xiàn)出極差的切削性能和復(fù)雜工況，在切削力和切削熱的共同作用下，薄壁銑削過(guò)程中極易因剛度過(guò)低而產(chǎn)生讓刀，且隨著零件表層性態(tài)突變和切削剛性的變化容易發(fā)生切削振動(dòng)與顫振［11，12］。合理的零件裝夾策略、夾具定位元布局、對(duì)稱(chēng)切削等策略和恒定的切削力對(duì)于加工變形控制、顫振抑制和減少刀具磨損具有顯著作用。在薄壁側(cè)銑加工變形補(bǔ)償時(shí)，一般采用鏡像對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償?shù)仁侄螌?duì)加工路徑和刀具姿態(tài)進(jìn)行預(yù)先調(diào)整?；陬A(yù)測(cè)的銑削力，在有限元環(huán)境下可以得到工件變形量。若在t時(shí)刻切削位置處，沿徑向切深方向的刀具軸截面上經(jīng)有限元計(jì)算得到加工變形后的工件截形數(shù)據(jù)為，則逼近該截形數(shù)據(jù)的直線可由下面模型求得

對(duì)直線C0，()C依據(jù)理想接觸線做鏡像對(duì)稱(chēng)，可進(jìn)而得到用于變形補(bǔ)償?shù)男碌段弧?/p>

加工表面殘余應(yīng)力的大小及分布對(duì)零件加工精度和疲勞性能有一定的影響，除受毛坯殘余應(yīng)力、切削軌跡規(guī)劃、銑削力/熱因素影響外，銑削過(guò)程中不同金相組織在轉(zhuǎn)化中因比容不同而導(dǎo)致的組織應(yīng)力也不容忽視［13，14］。

近年來(lái)，國(guó)際上在第Ⅱ類(lèi)高性能零件加工方面取得了顯著的進(jìn)展，并提出了高性能銑削的概念及其內(nèi)涵［15～17］，在整體渦輪葉輪及葉盤(pán)加工方面，也開(kāi)始應(yīng)用基于銑削力預(yù)測(cè)的工藝參數(shù)優(yōu)化［18，19］。筆者等通過(guò)研究及實(shí)際加工與對(duì)比，提出基于切削力精確計(jì)算模型和預(yù)測(cè)方法的工藝優(yōu)化策略和刀位軌跡優(yōu)化生成方法，不僅解決了以往軌跡設(shè)計(jì)形式單一、幾何操作復(fù)雜和間斷點(diǎn)多等問(wèn)題，而且使五軸加工的切削力預(yù)測(cè)精度大幅度提高，并應(yīng)用于大型壓縮機(jī)整體葉輪和大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管冷卻通道等的剩余壁厚加工中。在此基礎(chǔ)上研制出的噴管冷卻通道測(cè)量加工一體化專(zhuān)用五軸加工裝備，大幅度提高了該類(lèi)零件的加工精度和效率。

5 難加工材料約束類(lèi)高性能零件的精密加工

此類(lèi)高性能零件的性能要求，是通過(guò)選用特殊的新型材料并伴以高的幾何精度要求來(lái)體現(xiàn)的，材料往往具有高強(qiáng)、高硬、超韌、超脆、超黏、耐熱、耐磨、耐蝕特征，大都屬于典型的難加工材料。如航空航天領(lǐng)域的碳纖維和金屬基復(fù)合材料構(gòu)件、鈦合金和高溫合金零件、核主泵密封偶件和陶瓷軸承等特種陶瓷類(lèi)零件等。難加工材料類(lèi)高性能零件加工技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是研究采用新的加工方法和對(duì)零件加工幾何精度、表面完整性的主動(dòng)控制技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)高效、低/無(wú)損傷的精密加工。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)難加工材料的先進(jìn)加工技術(shù)無(wú)不十分重視。因成分和性能各異，各種難加工材料的加工機(jī)理和方法也相差極大，只有把握其特殊性，才能研究并制定出相應(yīng)的工藝方法以保證加工質(zhì)量和效率。高性能切/磨加工技術(shù)(包括加熱切削、低溫切削、真空切削、振動(dòng)切削和超高速切削等)、特種加工技術(shù)(包括電加工、化學(xué)加工、高能束流加工等)及復(fù)合加工等非傳統(tǒng)加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)第Ⅲ類(lèi)高性能零件精密加工的主要技術(shù)手段和關(guān)鍵。

鎳基高溫合金、鈦合金等難加工材料親和力強(qiáng)，熱導(dǎo)率低，在多軸聯(lián)動(dòng)銑削時(shí)，切削界面處具有強(qiáng)烈的力熱耦合作用，切削過(guò)程具有大應(yīng)變、高應(yīng)變率、局部高溫等特點(diǎn)，材料的切削加工性很差［20～22］，加工表面層的殘余應(yīng)力分布、表面紋理、冷作硬化狀態(tài)和亞表面層特性等對(duì)零件的抗疲勞性能、耐磨特性影響很大。在鈦合金等材料加工中必須要解決刀具磨損嚴(yán)重的瓶頸技術(shù)難題。雖然已有人研究低溫切削、超聲振動(dòng)輔助切削、材料表面改性后切削等抑制刀具磨損的方法［23，24］，但目前尚未完全解決刀具磨損的機(jī)制等基礎(chǔ)理論問(wèn)題，刀具磨損問(wèn)題有待突破。在較高溫度下切削高溫合金時(shí)，刀具材料中某些元素(鎢、鈷、鈦、鈮等)將向工件及切屑中擴(kuò)散，造成擴(kuò)散磨損，因此在高溫合金、鈦合金切削中刀具材料與被加工材料的匹配也非常重要。

碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂(C/E)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料因其獨(dú)特的輕質(zhì)、高強(qiáng)度、抗疲勞性能好等特性和優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防和航空航天等領(lǐng)域開(kāi)始得到廣泛的應(yīng)用。例如，飛機(jī)機(jī)翼、飛行器艙段、導(dǎo)彈發(fā)射裝置、運(yùn)載器有效載荷支架等均大量應(yīng)用C/E復(fù)合材料構(gòu)件。C/E復(fù)合材料加工制造中的開(kāi)裂、隨機(jī)形變、撕裂、分層、毛刺缺陷等(見(jiàn)圖6)，以及加工中工具易磨損、壽命很低等問(wèn)題突出，已經(jīng)成為影響復(fù)合材料構(gòu)件高使役性能的最大安全隱患。材料的層間非連續(xù)特性、難加工性、材料特性的分散性及隨機(jī)性翹曲形變，更加劇了數(shù)字化加工過(guò)程中構(gòu)件幾何精度與使役性能的不可控性。為此需要探索制造加工缺陷成因和抑制策略，從材料的加工切除力學(xué)行為、力熱耦合分析和毛刺缺陷產(chǎn)生機(jī)理研究入手，開(kāi)展C/E復(fù)合材料高質(zhì)、高效加工(包括制孔、銑磨端表面等)新方法研究，并從工藝技術(shù)和裝備角度實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)合材料構(gòu)件的數(shù)字化、高質(zhì)量、高效率加工，包括改變航空航天領(lǐng)域普遍使用手工制孔為高質(zhì)、高效的自動(dòng)化制孔加工。

圖6 傳統(tǒng)硬質(zhì)合金鉆頭的鉆孔缺陷Fig．6 Drill hole defects aroused by using conventional carbide drills

在碳纖維復(fù)合材料艙段構(gòu)件端表面的磨削加工工藝中，材料允許的受熱溫度一般要求小于210～240℃。由于磨削工藝多采用干磨削方式，磨削過(guò)程產(chǎn)生的高溫對(duì)碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)在質(zhì)量影響很大。傳統(tǒng)的砂輪表面因磨粒隨機(jī)分布和較小的容屑槽，極易被碳纖維屑和樹(shù)脂屑堵塞，并惡化磨削溫度，反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步加速砂輪的堵塞和影響加工質(zhì)量。此外，根據(jù)被加工零件型面的幾何特性和加工余量的分布特點(diǎn)，研究與之相適應(yīng)的砂輪廓形、材料、幾何參數(shù)、尺寸和結(jié)構(gòu)，制訂合理的工藝參數(shù)十分必要。同時(shí)，復(fù)合材料零件一般只能采用干式加工方式，防止工具過(guò)度堵塞十分必要，高精度磨削工具制造、測(cè)試和磨損問(wèn)題以及對(duì)磨削機(jī)理的研究也有待進(jìn)一步深入。

高性能復(fù)合材料構(gòu)件在西方發(fā)達(dá)國(guó)家的航空航天領(lǐng)域已經(jīng)大量使用，其加工制造工藝技術(shù)方面已經(jīng)較為成熟，但對(duì)這些工藝技術(shù)作為“Know-how”進(jìn)行保密。我國(guó)對(duì)于這類(lèi)零件的加工制造，還大量沿用傳統(tǒng)的加工工藝，以大量使用的制孔加工為例，國(guó)內(nèi)一直以手持工具加工為主。眾多學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究，筆者等結(jié)合航空和航天企業(yè)對(duì)大型C/E復(fù)合材料加工工藝技術(shù)的需求，通過(guò)對(duì)加工機(jī)理的深入研究，開(kāi)發(fā)出C/E復(fù)合材料低損傷高效加工的系列新工藝，建立了金剛石磨料多刃制孔刀具設(shè)計(jì)原則，研制出系列的新型加工工具(見(jiàn)圖7和圖8)和8種專(zhuān)用數(shù)控加工裝備［25～27］，并已在航空航天領(lǐng)域數(shù)家企業(yè)的產(chǎn)品研制和批量生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用。制孔質(zhì)量(見(jiàn)圖9)和效率都較原來(lái)的麻花鉆手工制孔大幅度提高，新型制孔工具的壽命也成倍提升。用微磨料群數(shù)字化可控排布的砂輪磨削碳纖維復(fù)合材料時(shí)的磨削溫度較傳統(tǒng)砂輪明顯降低(見(jiàn)圖10，砂輪轉(zhuǎn)速n=7200 r/min，磨削深度ap=0．02 mm，工件給進(jìn)速度vw=600 mm/min，碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料磨粒:CBN，140/170目)，刀具磨損顯著減小，表面粗糙度也進(jìn)一步改善。研制的多種大型復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)控加工專(zhuān)用裝備，不僅解決了重要產(chǎn)品關(guān)鍵零件的高質(zhì)、高效和自動(dòng)化加工難題，也使零件的加工質(zhì)量和效率大幅度提高，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 磨粒可控排布砂輪及其形貌Fig．7 Controllable abrasive arrangement of grinding wheel and its surface topography

圖8 系列金剛石磨料多刃工具Fig．8 Diamond abrasive tools with multiple cutting edges

圖9 一體化多刃工具鉆孔照片F(xiàn)ig．9 Holes drilled by an integrated multiple-cutting-edge tool

6 超高精度約束類(lèi)高性能零件的精密加工

圖10 不同方法的磨削溫度比較Fig．10 Comparison of grinding temperatures generated by using different methods

超高精度約束類(lèi)高性能零件，是指性能與幾何精度線性相關(guān)，其高性能主要通過(guò)零件的超高精度來(lái)保證的零件。此類(lèi)零件往往還具有第Ⅲ類(lèi)高性能零件的難加工材料特征。如單晶硅片、高能激光反射鏡、高性能KDP光學(xué)鏡片、碲鋅鎘光學(xué)窗口、核主泵密封偶件等。這類(lèi)零件不僅是超硬、硬脆、軟脆等難加工材料，需要用金剛石磨粒技術(shù)或化學(xué)、高能等非傳統(tǒng)的加工原理進(jìn)行加工，而且往往具有超高的精度要求。這類(lèi)零件的超高精度主要表現(xiàn)在:超高幾何精度(亞微米和納米級(jí)面型精度)、超光滑(納米和亞納米級(jí)表面粗糙度)、高完整性(少/無(wú)損傷、低/無(wú)應(yīng)力和高潔凈度)表面。

微電子、光電子技術(shù)發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體和光電晶體基片加工精度、表面粗糙度和表面/亞表面損傷等要求已接近目前加工技術(shù)極限。例如，大規(guī)模集成電路用的大直徑硅片(300 mm)的表面總厚度變化TTV ≤ 0．1 μm，表面局部平整度 SFQD≤0．07 μm，表面粗糙度Ra≤0．1 nm，還要求無(wú)表面/亞表面損傷和殘余應(yīng)力。具有優(yōu)質(zhì)非線性的磷酸二氫鉀(KDP)光學(xué)晶體是激光核聚變系統(tǒng)中不可替代的關(guān)鍵的光學(xué)倍頻轉(zhuǎn)換器和光電開(kāi)關(guān)器件的材料，其加工要求極高，特別是激光損傷閾值要求達(dá)到15 J/cm2以上，目前的加工技術(shù)還難以實(shí)現(xiàn)。核主泵超硬陶瓷密封偶件在超高精度要求的基礎(chǔ)上，還要加工出動(dòng)密封要求的最大深度僅10 μm左右的復(fù)雜曲面構(gòu)形。微電子制造光刻機(jī)的EUV光刻物鏡精度0．1 ～0．2 nm。

超高精度約束類(lèi)高性能零件的超精密加工工藝與裝備作為國(guó)家制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)，絕大部分被發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷。該類(lèi)零件加工的核心問(wèn)題可歸納為以下三點(diǎn)。

1)如何獲得高的幾何成形精度。要獲得超高幾何精度的零件，先要通過(guò)高的幾何成形精度和超精密加工工藝使零件獲得盡可能高的幾何精度和表面質(zhì)量;高的幾何成形精度依靠具有高運(yùn)動(dòng)精度的超精密加工機(jī)床來(lái)實(shí)現(xiàn);超精密加工工藝是與工件的材料屬性和幾何特征相匹配的精密高效加工方法，較為廣泛采用的是金剛石磨粒的微納加工方法。

2)如何獲得納米和亞納米級(jí)超光滑、高完整性表面。往往要求零件最終必須利用低/無(wú)應(yīng)力的超精密光整加工方法進(jìn)行加工。因此針對(duì)不同材料的高精度約束類(lèi)高性能零件，需要研究和采用不同加工原理的超精密光整加工方法。

3)如何在高幾何成形精度基礎(chǔ)上通過(guò)微納米級(jí)的誤差修正加工獲得超高的幾何精度。僅依靠超精密機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度保障獲得零件的幾何精度是有限的，往往無(wú)法滿(mǎn)足其超高幾何精度要求，還必須通過(guò)對(duì)零件的實(shí)際幾何尺寸和形狀誤差進(jìn)行測(cè)量并進(jìn)行精密修正加工來(lái)實(shí)現(xiàn);需要利用逐點(diǎn)可控?cái)?shù)字化精密去除加工的方法，根據(jù)反求出的加工駐留函數(shù)分布對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)零件幾何尺寸和形狀誤差的消減以及表面質(zhì)量的不降低或提升。

由上述問(wèn)題可以看出，超高幾何精度類(lèi)零件加工的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾點(diǎn)。

1)超高質(zhì)量表面的微納切削加工機(jī)理，特別是脆性材料的塑性(延性域)去除機(jī)制等，它是獲得高精度、高質(zhì)量表面的基礎(chǔ)。

2)基于非傳統(tǒng)方法的微納去除加工，或多種能量耦合的微納去除復(fù)合加工新原理、新技術(shù)，建立小/無(wú)應(yīng)力去除加工獲得高精度、高質(zhì)量表面的新加工工藝，如化學(xué)/電化學(xué)加工、化學(xué)機(jī)械加工、高能束流加工等，是獲得超光滑、高完整性表面的關(guān)鍵。

3)納米級(jí)逐點(diǎn)可控去除的加工原理、方法、工藝技術(shù)體系及誤差消減加工成形方法，包括逐點(diǎn)可控去除加工的去除規(guī)律、根據(jù)工件實(shí)測(cè)的幾何誤差分布和擬采用加工方法的去除規(guī)律、求解加工過(guò)程控制的駐留函數(shù)等。

超精密磨粒加工(切削、磨削、研磨和拋光)技術(shù)是進(jìn)行高精度、高質(zhì)量表面加工的最基本手段之一，加工精度已趨向于納米和亞納米級(jí)。此時(shí)的去除主要由磨粒刃尖局部切削完成，材料去除過(guò)程趨近于切斷原子間作用鍵的過(guò)程，加工中的材料變化規(guī)律與傳統(tǒng)切削狀態(tài)有本質(zhì)區(qū)別。因此，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的傳統(tǒng)的切削原理已不適合描述加工過(guò)程的各種介觀現(xiàn)象，如何從微觀角度研究微納米切削和磨粒加工時(shí)的材料微去除機(jī)理、超光滑表面形成機(jī)制已成為超精密磨粒加工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展亟待解決的基礎(chǔ)理論問(wèn)題。

在基于非傳統(tǒng)方法的微納去除加工和基于多種能量耦合的微納去除復(fù)合加工研究方面，通過(guò)引入物理、化學(xué)、電化學(xué)等非機(jī)械能，并利用加工區(qū)域局部的多能量耦合效應(yīng)，降低機(jī)械作用對(duì)加工表面完整性的影響，發(fā)展出了多種新的高效率、低/無(wú)應(yīng)力的高質(zhì)量表面加工技術(shù)。目前化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)、無(wú)磨料化學(xué)機(jī)械拋光(AF－CMP)、電化學(xué)拋光(ECP)、電機(jī)械化學(xué)拋光(ECMP)、電泳拋光和游離磨料拋光等多種加工方法在超精密加工中得到深入研究和應(yīng)用。尤其是CMP技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，已成為單晶硅等功能晶體類(lèi)基片平整化加工和為消除表面缺陷層拋光加工的主要技術(shù)手段。

逐點(diǎn)可控?cái)?shù)字化精密去除加工是通過(guò)對(duì)零件實(shí)測(cè)的幾何尺寸和形狀誤差，采取微納米級(jí)的誤差修正加工獲得超高的幾何精度，并同時(shí)獲得低/無(wú)應(yīng)力的高質(zhì)量表面。對(duì)于EUV光刻物鏡等超高精度光學(xué)鏡片、核主泵陶瓷密封偶件等高精度約束類(lèi)高性能零件的加工，它是目前唯一的精度再提高加工方法。典型的加工方法有:小束徑高能束流加工(激光束、離子束、電液束等)、小磨頭拋光、磁流體拋光、可控電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工等。但對(duì)于軟脆晶體類(lèi)零件的加工，這些方法由于存在磨粒嵌入和表面污染，還無(wú)法滿(mǎn)足表面質(zhì)量的要求。

筆者等以12英寸(1英寸=2．54 cm)硅晶片為主要對(duì)象，建立了一個(gè)以大尺寸功能基片超精密加工研究為主，條件達(dá)國(guó)際一流的實(shí)驗(yàn)室，并利用自己研制的單顆金剛石磨粒磨削實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了劃痕微納米深度(超長(zhǎng)劃痕長(zhǎng)深比＞105，深度0～1 μm連續(xù)變化)、表面微觀形貌及亞表面損傷變化的精確觀測(cè)，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)仿真等理論研究，揭示了單晶硅脆性—延性磨削轉(zhuǎn)變機(jī)理，確定了低損傷磨削的臨界條件，開(kāi)發(fā)出低損傷超精密磨削硅片的新工藝、化學(xué)機(jī)械平整化和拋光工藝(CMP)、新型砂輪和相應(yīng)的裝備技術(shù)［28～31］。磨削出12英寸硅片表面粗糙度Ra＜0．5 nm，損傷深度＜10 nm，表面質(zhì)量已接近CMP拋光水平;超薄化磨削硅片最小不破碎厚度達(dá)20 μm［32］。突破表面質(zhì)量和面形控制、恒力進(jìn)給等超精密磨削關(guān)鍵技術(shù)，在國(guó)內(nèi)首次設(shè)計(jì)并與企業(yè)聯(lián)合承擔(dān)“極大規(guī)模集成電路制造裝備與成套工藝”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題，研制出了12英寸硅片超精密磨床樣機(jī)［33］。

在軟脆晶體材料加工方面，對(duì)可控約束劑層刻蝕加工、可控水解機(jī)械復(fù)合加工等無(wú)磨料的新原理加工方法進(jìn)行了探索研究，開(kāi)發(fā)出固結(jié)磨料研磨和無(wú)磨料化學(xué)機(jī)械拋光新工藝，可以有效解決碲鋅鎘和KDP等軟脆晶體磨拋加工易產(chǎn)生微裂紋、劃痕和磨粒嵌入等表面損傷難題，加工出的碲鋅鎘和KDP基片表面粗糙度 Ra ＜2．2 nm［34，35］。

7 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)目前在航空航天、動(dòng)力、能源等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芰慵莫?dú)立制造能力及其核心技術(shù)提出了迫切需求，在國(guó)家需求牽引下，我國(guó)已在高性能復(fù)雜曲面加工方面積累了一批研究成果，但在總體上仍需在高性能零件加工理論及技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法上取得突破。高性能零件性能與幾何參數(shù)一體化精密加工技術(shù)著眼于零件加工制造中的關(guān)鍵性能指標(biāo)保證問(wèn)題，從強(qiáng)性能約束、復(fù)雜結(jié)構(gòu)約束、難加工材料約束和超高精度約束四個(gè)方面，建立零件性能參數(shù)與幾何物理參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型，提出基于高性能要求、集性能與幾何要求于一體的新加工原理和方法，實(shí)現(xiàn)基于高性能零件加工參數(shù)的定制，從而把對(duì)加工中約束耦合作用的定性認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為對(duì)加工行為的定量控制，以解決高性能零件精密加工成品率低及性能再提高的難題。

高性能零件的性能與幾何參數(shù)一體化精密加工避免了已有的試湊法和校對(duì)式加工方式的不足，是一種應(yīng)用新加工方法與新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)可控?cái)?shù)字化加工的主動(dòng)加工方式，這種主動(dòng)控制不僅體現(xiàn)在加工去除量的可控性上，而且體現(xiàn)在給予性能提升、性能與精度一體化的加工過(guò)程可控上，以滿(mǎn)足高性能零件的加工需求。這種主動(dòng)加工模式的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在少量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上借助于建立在約束耦合作用分析基礎(chǔ)上的擬實(shí)計(jì)算模型和方法，揭示加工制造過(guò)程的本質(zhì)，快速獲取所需要的加工余量或加工參數(shù)數(shù)據(jù)，提高對(duì)產(chǎn)品加工制造過(guò)程的預(yù)測(cè)和優(yōu)化控制能力，實(shí)現(xiàn)高性能零件的可制造性和性能可預(yù)測(cè)性分析。高性能零件的數(shù)字化可控加工多需要測(cè)量、建模、去除量反求計(jì)算、逐點(diǎn)數(shù)字化可控去除加工、評(píng)價(jià)一體化系統(tǒng)技術(shù)和專(zhuān)用加工裝備作為支撐，因此對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的相關(guān)單元技術(shù)均提出了較高的要求。隨著數(shù)字化測(cè)量技術(shù)和現(xiàn)代裝備制造技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，以及對(duì)加工中約束耦合作用機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深入，高性能零件數(shù)字化可控加工技術(shù)將會(huì)得到不斷的發(fā)展，應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。

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