航空制造用機(jī)床工具發(fā)展趨勢(shì)分析

沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 楊金發(fā) 龐繼有 蘭影鐸 王志忠

沈陽(yáng)黎明航空零部件制造有限公司 劉 陟

沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 梁宏坤

航空制造用機(jī)床工具發(fā)展趨勢(shì)分析

沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 楊金發(fā) 龐繼有 蘭影鐸 王志忠

沈陽(yáng)黎明航空零部件制造有限公司 劉 陟

沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，精密化的加工要求，高效化的加工速度與效率，可靠性和經(jīng)濟(jì)性的工藝質(zhì)量和成本，這些航空業(yè)的技術(shù)指標(biāo)將對(duì)我國(guó)的機(jī)床工具提出哪些要求？

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件愈來(lái)愈多，對(duì)高端設(shè)備的使用逐漸增多，怎樣正確、更好地發(fā)揮設(shè)備的各項(xiàng)功能，開發(fā)更深層次的功能，提高高端設(shè)備的利用率，扭轉(zhuǎn)高投入、低產(chǎn)出的局面，設(shè)備滿足生產(chǎn)及科研的需求，值得我們研究。

航空產(chǎn)品的主要特點(diǎn)：高性能，廣泛應(yīng)用新型難加工材料。輕量化，大量采用整體薄壁結(jié)構(gòu)。精密化，加工精度不斷提高。高效化，加工速度與效率。可靠性和經(jīng)濟(jì)性，工藝、加工質(zhì)量和成本要求較高。

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就代表著這個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。未來(lái)大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)的材料和工藝也是減輕大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量、提高性能、改善經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前它正在向性能高效化和環(huán)境無(wú)害化方向發(fā)展。性能高效化材料和工藝包括：外涵機(jī)匣、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子/ 靜子葉片、包容環(huán)等冷端部件的樹脂基復(fù)合材料及工藝；壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子/ 靜子葉片、整體葉環(huán)、軸等中溫部件的鈦基和鎳基復(fù)合材料及工藝；燃燒室火焰筒、渦輪轉(zhuǎn)子/ 導(dǎo)向葉片、排氣噴管等高溫部件的陶瓷基復(fù)合材料和碳碳復(fù)合材料及工藝。

數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用的主要趨勢(shì)：高速數(shù)控機(jī)床與高速切削技術(shù)成為主流；多軸聯(lián)動(dòng)與復(fù)合化數(shù)控加工需求增多；加工仿真從數(shù)值仿真向動(dòng)力學(xué)仿真發(fā)展；數(shù)控裝備與加工工藝及切削數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合。

美國(guó)GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)

國(guó)外五坐標(biāo)加工中心

數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)床是由各種功能部件（主軸單元及主軸頭、滾珠絲杠副、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和數(shù)控伺服系統(tǒng)等）在床身、立柱等基礎(chǔ)機(jī)架上集裝而成的，功能部件是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床整體技術(shù)與數(shù)控機(jī)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(shù)控機(jī)床的發(fā)展。

國(guó)外航空產(chǎn)品主要高端設(shè)備有：五座標(biāo)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(fù)合加工中心及計(jì)量型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。

我國(guó)機(jī)床行業(yè)近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，數(shù)控化率穩(wěn)步提高，但機(jī)床消費(fèi)和生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)性矛盾仍然比較突出。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)中高檔機(jī)床的需求量逐漸超過低檔機(jī)床。

國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商通過技術(shù)引進(jìn)、海內(nèi)外并購(gòu)重組以及自主創(chuàng)新開發(fā)了一些先進(jìn)數(shù)控技術(shù)，在基礎(chǔ)共性技術(shù)的研究方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

高性能數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)高端功能

先進(jìn)性：即要求設(shè)備具有數(shù)字化和前沿性的特征，軟件功能強(qiáng)大，自動(dòng)化程度高。 集成性：減少附加設(shè)備，設(shè)備高度集成，簡(jiǎn)化工序。柔性：設(shè)備通用程度高，生產(chǎn)適用性強(qiáng)。精度：設(shè)備需具備精度高，精度保持時(shí)間長(zhǎng)，技術(shù)成熟度高等特點(diǎn)。

穩(wěn)定性：故障率低。高的動(dòng)態(tài)特性：瞬間達(dá)到高速和在高速運(yùn)行中瞬間準(zhǔn)停；高的控制精度高的定位精度和重復(fù)定位精度以及較長(zhǎng)的服役精度。

機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速方面，主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度需要高速切削或超低速切削時(shí), 應(yīng)關(guān)注主軸的轉(zhuǎn)速范圍。特別是高速切削時(shí), 既要有高的主軸轉(zhuǎn)速, 還要具備與主軸轉(zhuǎn)速相匹配的進(jìn)給速度。

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

國(guó)外及國(guó)內(nèi)航空產(chǎn)品，如機(jī)匣等的銑加工需要的主軸偏轉(zhuǎn)五坐標(biāo)銑加工中心一般要求：工作臺(tái)尺寸：1 000mm以上；定位精度：0.008mm；重復(fù)定位精度：0.004mm；主軸最大轉(zhuǎn)速不低于20 000r/min；工作臺(tái)承重≥3000Kg；具有自動(dòng)換刀功能，刀庫(kù)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(jìn)行高級(jí)語(yǔ)言編程，具備框架TRANS、AROT、刀尖跟蹤TRAORI、高級(jí)測(cè)量循環(huán)、計(jì)數(shù)循環(huán)FOR及子程序調(diào)用功能，具備3維刀具補(bǔ)償功能；USB端口，DNC網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)端口；其他功能：配置高壓內(nèi)冷，機(jī)載自動(dòng)對(duì)刀功能，機(jī)載工件測(cè)量功能，溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能；第五軸帶上仰角；另外機(jī)床具有足夠剛性和可靠性。

先進(jìn)刀具技術(shù)

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(guān)重要的作用。先進(jìn)的航空產(chǎn)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(fù)精度和可再現(xiàn)性。

航空鈦合金、高溫合金零件難切削的工件材料，復(fù)雜而薄壁的形狀，高精度的尺寸和表面粗糙度要求，同時(shí)大的金屬去除量等特點(diǎn)，對(duì)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(xiàn)代先進(jìn)高效加工的要求，刀具行業(yè)進(jìn)入了“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的現(xiàn)代刀具生產(chǎn)新格局。

高性能車刀

從航空刀具市場(chǎng)調(diào)查來(lái)看，國(guó)內(nèi)航空制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)的只是航空領(lǐng)域先進(jìn)刀具國(guó)外采購(gòu)量呈逐年上升的趨勢(shì)，平均每年以18%的復(fù)合增長(zhǎng)速度在提升。國(guó)內(nèi)的高端數(shù)控刀具的增長(zhǎng)速度逐步加大。國(guó)外高端數(shù)控刀具在國(guó)內(nèi)航空領(lǐng)域占有重要地位。

可以看出，蓬勃發(fā)展的航空行業(yè)對(duì)高品質(zhì)刀具要求與國(guó)內(nèi)相對(duì)滯后的國(guó)產(chǎn)刀具水平的矛盾日益突出，開展高性能刀具的研發(fā)對(duì)于提高國(guó)產(chǎn)刀具在難加工領(lǐng)域的應(yīng)用水平有著重要的意義。

刀具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)高效加工的有效途徑之一。在航空領(lǐng)域，隨著鈦合金、高溫合金以及復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，飛機(jī)零部件的性能（如強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐熱性等）不斷提高，這也給加工制造帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。從物理性能來(lái)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(jié)構(gòu)件中已經(jīng)不被采用。在現(xiàn)代飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)中，整體結(jié)構(gòu)件通常采用切削加工，零件成品的質(zhì)量只占毛坯質(zhì)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(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)其高效加工。對(duì)難加工材料，通常采用的方法是：根據(jù)該材料的特點(diǎn)，列出適合的備選刀具，并在不同切削參數(shù)下使用備選刀具進(jìn)行試切，通過測(cè)量加工過程中的切削力、刀具磨損和加工表面質(zhì)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(dǎo)致加工效率偏低和工件質(zhì)量差。從加工的角度講，影響刀具壽命的關(guān)鍵因素在于刀具材料、刀具幾何參數(shù)以及切削參數(shù)的選取和優(yōu)化。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhì)合金、陶瓷、和超硬刀具材料。這幾種刀具材料中，硬質(zhì)合金刀具所占比重最大。這里重點(diǎn)對(duì)陶瓷刀具在航空業(yè)的應(yīng)用予以闡述。目前我國(guó)陶瓷刀具的應(yīng)用還處于起步階段，雖然我國(guó)陶瓷刀具的研究水平與國(guó)外相當(dāng)，但實(shí)際應(yīng)用發(fā)展較慢。陶瓷刀具主要用于硬質(zhì)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(shí)間不長(zhǎng)，在陶瓷刀具的幾何參數(shù)、切削用量以及使用技術(shù)方面需要積累經(jīng)驗(yàn)。陶瓷材料與硬質(zhì)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(xué)穩(wěn)定性、抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)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(qiáng)度鋼等難加工材料。航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫合金應(yīng)用很多，盤軸類零件較多，正是陶瓷刀具發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)的地方。實(shí)現(xiàn)高效加工，以陶瓷刀具替代部分硬質(zhì)合金刀具，是完全可行的。陶瓷刀具不是萬(wàn)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(shí)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(duì)刀具的沖擊；還要合理選擇刀具幾何參數(shù)和切削用量。

模塊式刀具系統(tǒng)是多功能復(fù)合刀具一個(gè)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(gè)功能全、柔性好的多功能復(fù)合刀具，采用高精度、高剛性并能快換的聯(lián)接結(jié)構(gòu)，可以顯著提高數(shù)控機(jī)床的利用率。

智能機(jī)床迅速發(fā)展

發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)對(duì)數(shù)控設(shè)備的要求是：具有先進(jìn)性，即要求設(shè)備具有數(shù)字化和前沿性的特征，軟件功能強(qiáng)大，自動(dòng)化程度高。具有集成性，減少附加設(shè)備，設(shè)備高度集成，簡(jiǎn)化工序。具備高度柔性，設(shè)備通用程度高，生產(chǎn)適用性強(qiáng)。具備高精度與加工穩(wěn)定性、設(shè)備需具備精度高、精度保持時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)成熟度高及故障率低等特點(diǎn)。未來(lái)機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)逐步向自動(dòng)化、智能化、綠色方向發(fā)展。機(jī)床，作為目前工業(yè)設(shè)備加工制造上最重要的設(shè)備之一，正在不斷向智能化邁進(jìn)。數(shù)控機(jī)床，便開創(chuàng)了集成精密制造技術(shù)及相關(guān)技術(shù)，計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)，并兼容網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的先河，啟動(dòng)了智能型生產(chǎn)工具的發(fā)展步伐。

高壓內(nèi)冷卻刀具

智能技術(shù)深入發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)正在走向更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，機(jī)床正在向無(wú)人操作目標(biāo)前進(jìn)。一批與具有視覺、力覺、全角度、高速、大重量抓取的機(jī)器人或機(jī)械臂集成的機(jī)床產(chǎn)品，充分顯現(xiàn)了二者融合帶來(lái)的巨大進(jìn)步和發(fā)展前景。智能技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的前沿技術(shù)，智能技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，使機(jī)床具備有感知、會(huì)分析思考、能主動(dòng)應(yīng)對(duì)處理加工過程中出現(xiàn)的變化、能夠主動(dòng)對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行處理等智能技術(shù)。使得人機(jī)關(guān)系更加融洽和友好，并推動(dòng)機(jī)床自動(dòng)化水平進(jìn)入到更高的階段。

智能機(jī)床是對(duì)制造過程能夠做出判斷和決定的機(jī)床。智能機(jī)床了解到制造的整個(gè)過程后，能夠監(jiān)控、診斷和修正在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各類偏差，并且能為生產(chǎn)的最優(yōu)化提供方案。此外，還能計(jì)算出所使用的切削刀具、主軸、軸承和導(dǎo)軌的剩余壽命，讓使用者清楚其剩余使用時(shí)間和替換時(shí)間。能夠收容大量信息，對(duì)各種信息進(jìn)行儲(chǔ)存、分析、處理、判斷、調(diào)節(jié)、優(yōu)化、控制。智能機(jī)床還具有重要功能，如： 工夾具數(shù)據(jù)庫(kù)、對(duì)話型編程、刀具路徑檢驗(yàn)、工序加工時(shí)間分析、開工時(shí)間狀況解析、實(shí)際加工負(fù)荷監(jiān)視、加工導(dǎo)航、調(diào)節(jié)、優(yōu)化，以及適應(yīng)控制。換句話說，機(jī)床進(jìn)化到可發(fā)出信息和自行進(jìn)行思考，可自行適應(yīng)柔性和高效生產(chǎn)系統(tǒng)的要求。信息技術(shù)的發(fā)展及其與傳統(tǒng)機(jī)床的相融合，使機(jī)床朝著數(shù)字化、集成化和智能化的方向不斷發(fā)展。

柔性化生產(chǎn)線

數(shù)字化制造裝備、數(shù)字化生產(chǎn)線、數(shù)字化工廠的應(yīng)用空間越來(lái)越大，將大大提升成形和加工精度，提高生產(chǎn)效率。機(jī)床的智能控制對(duì)數(shù)控系統(tǒng)提出了更高的要求，這需要數(shù)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(guó)內(nèi)自動(dòng)化成套生產(chǎn)線等為代表的智能制造裝備產(chǎn)業(yè)體系初步形成，一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大智能制造裝備在制造領(lǐng)域發(fā)揮著重大的作用。

結(jié)語(yǔ)

更加自動(dòng)化、智能化、系統(tǒng)化的加工設(shè)備將會(huì)是未來(lái)工業(yè)發(fā)展的主流方向。一代材料、一代制造技術(shù)、一代工藝裝備，促進(jìn)航空制造水平逐步提升。隨著航空制造技術(shù)的不斷發(fā)展，其對(duì)航空制造設(shè)備的依賴程度越來(lái)越高，需要工業(yè)研究與設(shè)備的高度結(jié)合，機(jī)床設(shè)備的發(fā)展水平，直接影響制造技術(shù)的應(yīng)用效果和航空產(chǎn)品的制造質(zhì)量和效率。同時(shí)，自主創(chuàng)新是我們非常重要的選擇?！?/p>

楊金發(fā)，中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，高級(jí)工程師。主要從事高性能數(shù)控加工技術(shù)、整體葉盤加工技術(shù)、切削數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)等研究工作。發(fā)表科技論文20余篇。