先進的材料和制造技術是航空發(fā)動機研制與生產的重要物質和技術基礎。發(fā)動機質量不斷減輕，發(fā)動機的效率、使用壽命、穩(wěn)定性和可靠性不斷提高。航空發(fā)動機材料與制造技術向著高溫化、復合化、輕量化、整體化、高效率和低成本的方向發(fā)展。航空發(fā)動機新型整體結構、高可靠性輕量化結構以及精密、高效和低成本制造技術迅速發(fā)展和應用，使得發(fā)動機部件質量越來越輕。 機匣、葉片、盤軸和整體葉盤等制造技術的有效提升是和機床工具技術的發(fā)展密不可分的。

       典型零件加工技術

       航空發(fā)動機大量采用鈦合金、耐熱合金等難加工材料及復合材料，對推動和促進機床工具的發(fā)展起到了重要的作用。同時表面完整性機械加工與智能控制技術、復雜薄壁零件多工藝復合加工技術、發(fā)動機零件高效綠色加工技術等先進技術的不斷發(fā)展，對機床工具提出了更高的要求，不但要解決結構變形與精度控制問題，而且要充分研究表面完整性控制問題。

       1. 機匣件加工技術

       (1)機匣件加工變形控制。機匣為弱剛性零件，配合面的設計精度高;材料多選用高溫合金和鈦合金等難加工材料;加工余量很大，分布也不均勻。加工后易變形，結合機匣的這些特點，可以采取下列措施減小機匣件加工后的變形：①合理安排加工工藝路線。②選擇正確的定位裝夾方法。③開發(fā)增強切削系統(tǒng)剛性的夾具。④合理規(guī)劃切削走刀路徑。⑤控制粗加工后的變形量。⑥明確機匣的檢測狀態(tài)。

       (2)機匣編程模板技術。由于機匣零件結構復雜，加工內容相對集中，數(shù)控加工工藝設計極其復雜。大部分零件一道工序就安排上百個加工工步，需要幾十種刀具，編程規(guī)范無法對一些內容進行細致的規(guī)定。

       通過加工模板中固化加工方法、走刀方式、加工余量、加工刀具、進退刀方式、機床控制和進給量等參數(shù)，能夠簡化編程流程。省去了加工刀具、加工方法組、多種加工參數(shù)的繁瑣設置工作。優(yōu)化后的工作流程有利于零件加工程序的編制，降低了編程人員的疲勞強度和編程失誤率。UG模板文件建立步驟：①定義加工模板類型。②創(chuàng)建加工方法組和刀具組。③確定加工模板中的加工參數(shù)。④建立刀具庫。⑤設置模板關聯(lián)和繼承關系。

       隨著數(shù)控加工技術水平不斷提高，模板文件需要進行相應的更新，及時吸收當前最新的加工技術，滿足現(xiàn)場精益生產的需要。

       (3)無人干預數(shù)控加工技術是指在數(shù)字化控制加工設備上，被加工產品加工過程中無人為干預或極少人為干預，被加工產品的加工質量及質量穩(wěn)定性不受人為因素影響的加工過程。最終達到關閉機床門→按動按鈕啟動加工程序→程序執(zhí)行結束→打開機床門→卸下合格零件，中間不需人工測量、換刀和調整程序等。

       機匣零件無人干預數(shù)控加工程序原則上應具備下面幾個特點：

       ① 時效性：在保證零件加工質量安全的基礎上，實現(xiàn)全過程高效加工。

       ②精密性：無干預數(shù)控程序須能保證零件加工的主要尺寸及配合尺寸，質量可控，靠近尺寸中差。

       ③高自動性：通過采用機床自動換刀，機內自動對刀、在線測量技術，實現(xiàn)全程序數(shù)控加工無干預或少干預，加工過程按100%倍率進行，操作者無需調整進給倍率。④防錯性：采用邏輯判斷指令對加工全過程中的輸入值進行監(jiān)控和管理，當出現(xiàn)錯誤時，自動采取對應的保護措施。⑤互動性：充分利用機床功能，將加工過程的換刀信息、出錯提示信息等內容在加工過程中及時、準確地顯示在操作面板上，提醒操作者進行相應操作。

       2 . 整體盤軸高效車銑復合加工

       整體盤軸零件是典型的盤軸一體結構零件，是將壓氣機盤和軸頸集成為一體的全新結構的重要承力件，具有結構復雜、尺寸精度高、剛性差和材料難加工等特點。

       特別是軸頸錐壁與輪盤浮板之間形成了半封閉深型腔結構，開敞性差，加工難度大，這類零件的加工按傳統(tǒng)的加工工藝需要在數(shù)控車床、坐標鏜床、五坐標加工中心等多種設備上完成。加工周期長，加工質量不穩(wěn)定。整體盤軸采用車銑復合數(shù)控加工，編制ACE(Automatic ControlEquipment)程序、恒定線速度切削、在線測量和自動補償?shù)臄?shù)控加工技術，將加工、測量和補償有效地融合在同一程序段中，實現(xiàn)以機床為過程執(zhí)行主體的連續(xù)加工模式，減少人為出錯的概率和不必要的停機時間。創(chuàng)新點在于加工過程高度集成。一次裝夾，完成車、銑、鉆、擴、鏜、鉸加工，一次成形。大幅提高零件加工質量和加工效率。

       通過設計全過程無人干預數(shù)控加工程序，改進了傳統(tǒng)加工中零件尺寸公差離散度大、質量不穩(wěn)定問題。在整體盤軸零件深型腔加工中，采用高壓內冷結構的刀具和超高壓靶式斷屑技術，開發(fā)應用了B軸擺動車削加工技術，恒定線速度切削、在線測量和刀具磨損自動補償、軸向分層切削、徑向分層切削的加工方式，通過對切削參數(shù)、切削方式、走刀路徑的優(yōu)化，有效解決了整體盤軸零件加工中斷屑、打刀、振動等工藝性難題。

       3. 整體葉盤的加工

       整體葉盤是將葉片和輪轂做成一個整體，具有質量輕、避免榫頭氣流損失等優(yōu)點，在先進航空發(fā)動機中的應用越來越廣泛。整體葉盤結構復雜，葉片型面為復雜自由曲面，扭曲度大，加工精度要求高，相鄰葉片之間通道深而窄、開敞性差，使整體葉盤制造困難，加工過程中葉片間加工區(qū)域狹窄，刀具可移動范圍小，加工區(qū)域約束條件苛刻，使得加工過程中刀具矢量方向變化劇烈。

       整體葉盤高效加工是在保證零件精度和質量的前提下，通過對加工過程的優(yōu)化和提高單位時間材料切除量來提高加工效率和設備利用率，降低生產成本的一種高性能加工技術。涵蓋了高效加工工藝、高效加工的數(shù)控編程技術、高效加工刀具選配及運用技術以及加工過程的智能化控制等。通過選擇小切深、大進給等先進的加工方法，減少工藝性應力集中，降低加工表面非均勻、非穩(wěn)定殘余應力，提高零件的抗疲勞強度。

       4. 葉片型面數(shù)控銑削

       葉片采用五坐標加工中心，集成數(shù)控加工優(yōu)勢實現(xiàn)了葉身型面、圓弧形榫頭、燕尾形榫頭、葉身上凹槽、軸頸圓弧槽和葉肩圓弧等多部位的數(shù)控加工。對比傳統(tǒng)的工藝加工方法，縮短了40%的工序，減少了70%的工裝制造量。

       葉片數(shù)控銑刀通常有圓角立銑刀、球頭立銑刀、錐度球頭立銑刀等。一般情況下應選擇這些標準刀具進行葉片銑削加工。在條件允許的情況下，也應多選擇機夾刀具，這樣可降低葉片的刀具消耗成本。

       當葉片某些部位需要特種刀具結構和規(guī)格時，要定制一些非標刀具。

       由于葉片結構不同，即使同一種材料的葉片，有同樣的切削余量和表面質量要求，也可能需要不同的切削參數(shù)。

       葉片型面的無余量數(shù)控銑削，即數(shù)控銑削后葉片型面應在公差范圍內，包括型面輪廓和位置度。要實現(xiàn)無余量數(shù)控銑削，僅靠高精度數(shù)控設備還不夠，還需要解決葉片毛料狀態(tài)的穩(wěn)定性、葉片數(shù)控加工時裝夾系統(tǒng)的可靠性、刀具狀態(tài)變化的規(guī)律性分析及葉片銑削后的機械拋光等一系列問題。葉片無余量數(shù)控銑削是一項系統(tǒng)的工程技術，需要解決整個工藝過程中每個環(huán)節(jié)的問題，以及保持整個工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

       機床工具在航空制造中的應用

       航空發(fā)動機是在高溫、高壓、高速旋轉的惡劣環(huán)境條件下長期可靠工作的復雜熱力機械，是典型的知識和技術高度密集的產品。航空制造業(yè)是機床制造商的主要服務對象之一。

       1. 航空發(fā)動機制造對機床工具需求

       航空制造業(yè)對零件加工精度和效率日益提高的需求不斷推動機床技術的發(fā)展，是機床產品創(chuàng)新的源源動力。高速高精度加工中心、復合加工和多軸聯(lián)動數(shù)控機床的出現(xiàn)，都與客戶需求密切相關。

       機床的發(fā)展方向： ① 自動化程度高，即要求設備具有數(shù)字化和前沿性的特征，軟件功能強大，自動化程度高。②高度集成性，附加設備 少，設備高度集成，能夠實現(xiàn)工藝復合。③柔性化，設備通用程度高，生產適用性強。④高精度、高效率、智能化，設備需具備精度高、技術成熟度高等特點。⑤高穩(wěn)定性，精度保持時間長，故障率低。

       3 ～ 5軸加工中心、數(shù)控車床加工中心、各種磨削設備、各種精鍛設備、各種鑄造設備、特種電加工設備、復合加工中心(車銑、銑車)、葉片加工中心及磨削中心、特種電加工設備、激光加工及強化設備和零件表面處理設備是航空制造中必需的設備。

       (1)盤類零件加工設備的基本要求。數(shù)控立車：在工作臺直徑、定位精度、重復定位精度、工作臺轉速和工作臺承重等方面應與所加工零件相適應。具有自動換刀功能，刀庫容量足夠大;控制系統(tǒng)，具備刀具軌跡圖形顯示功能;具備USB端口、DNC網絡接收數(shù)據(jù)端口;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;機床具有足夠的剛性和可靠性。

       (2)機匣加工設備的基本要求。工作臺翻轉式五坐標銑加工中心：具備框架TRANS、AROT、刀尖跟蹤TRAORI、高級測量循環(huán)、計數(shù)循環(huán)FOR及子程序調用功能;具備USB端口、DNC網絡接收數(shù)據(jù)端口。其他功能：機床配有強力內冷，機載自動對刀功能、機載工件測量功能、溫度自動補償功能，具有斷點跟蹤功能; 機床具有足夠剛性和可靠性等。

       (3)葉片加工設備的基本要求。五坐標葉片銑加工中心：直線軸加速度高，響應快;帶有自適應加工功能;葉片加工專用軟件;在機檢測、雙驅動軸功能;24位以上刀庫以及機床內對刀裝置;機床具有足夠剛性和可靠性。

       2. 高性能刀具切削技術應用

       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。

       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(xiàn)性。航空鈦合金、高溫合金零件等難切削的工件材料，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(xiàn)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(xiàn)代刀具生產新格局。

       高效可轉位刀具和超硬刀具是當今機械高性能加工技術的關鍵，進口刀具昂貴的價格制約了先進刀具在中國的推廣，嚴重影響了中國機械制造業(yè)的水平和生產效率，先進刀具結構形式、高性能的刀具材料，高效可轉位刀具系列及超硬刀具的研究開發(fā)勢在必行。

       一個新產品推向市場，會有效降低機械加工成本。另一方面通過開發(fā)高效可轉位刀具和超硬刀具，掌握一批擁有自主知識產權的高端可轉位刀具的設計和生產技術，可有效提高我國機床工具企業(yè)在國際領域的核心競爭力，提升我國切削刀具行業(yè)的整體發(fā)展水平，實現(xiàn)切削刀具的可持續(xù)發(fā)展。

       刀具企業(yè)應建立面向航空發(fā)動機用戶的數(shù)控刀具工藝數(shù)據(jù)庫。

       構建數(shù)控刀具的系列化工藝設計平臺，制定產品的企業(yè)新標準。注重知識產權的保護，實現(xiàn)航空發(fā)動機專用高效硬質合金刀具生產工藝技術集成 。

       3 . 國內機床工具的優(yōu)勢及差距

       盡管我國機床行業(yè)近年來取得了長足的發(fā)展，數(shù)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。主要體現(xiàn)在國內對中高檔機床的需求量不斷提高，但國內高檔數(shù)控機床還不能完全滿足需求。

       4. 航空制造對機床工具發(fā)展的建議

       (1)以點帶面，提升基礎。

       專項研究不但要兼顧主機和最終產品，還要夯實機床相關基礎設計制造理論。對基礎共性技術進行研究，提高機床工具核心競爭力。

       (2)重點突出，突破關鍵。

       航空發(fā)動機行業(yè)的裝備種類很多，可以集中在典型零件和機床上進行研究，如切削、磨削加工技術可以集中在機匣、葉片、整體葉盤/葉輪上，這三類零件可以集中80%以上的關鍵技術。集中了難加工材料、復雜曲面和弱剛性結構。相關的切削、磨削技術一旦突破，其他零件均可采用。

       (3)做好售后，實現(xiàn)共贏。

       機床工具企業(yè)應積極做好售后服務，實施“交鑰匙”工程。了解客戶需求，聽取客戶反饋意見，掌握世界先進的設計理念，設計制造出精品，與客戶共贏。

       結語

       一代材料、一代制造技術、一代工藝裝備，造就一代航空產品。

       隨著航空制造技術的不斷發(fā)展，對航空制造設備的依賴程度越來越高，需要工藝研究與設備的高度結合。機床工具的發(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。抓住機遇、乘勢而上，自主創(chuàng)新是我們的重要選擇。