航空航天關重件高性能加工技術

劉小淇，岳彩旭，王樂，胡德生，劉獻禮

哈爾濱理工大學先進制造智能化技術教育部重點實驗室 黑龍江哈爾濱 150080

1 序言

航空航天制造業處于高性能加工技術的前沿領域，對機械零件的性能和精度提出了嚴格的要求，特別是在高溫、高壓等惡劣條件下使用的機械部件[1]。這些部件的制造依賴于精確可靠的高性能加工技術，例如高速加工、多軸聯動加工、微細加工和典型航空航天材料的加工。這些技術不僅提高了生產效率、降低了成本，而且保證了零件的質量和性能[2]。

在航空航天領域，關重件如葉輪、葉片、機匣和薄壁件等通常由高性能合金制造，其設計復雜，精度要求極高[3]。此外，這些部件在加工時易變形，特別是薄壁件，因此高性能加工技術在制造這些關重件時十分重要。這些技術不僅能處理難加工材料，還能確保在極端工作環境和復雜設計要求下的產品質量和性能，同時實現微米到納米級的加工精度[4]，特別是在生產葉輪、葉片和機匣等關重件方面，展現了顯著的優勢。

綜上所述，高性能加工技術在航空航天領域的應用不僅提高了制造效率和產品質量，而且帶動了新材料和創新設計的發展。這對于滿足航空航天制造業嚴格的標準和復雜的制造要求至關重要。

2 高性能加工技術內涵

高性能加工技術是一種工程技術，融合了高速加工技術（HSM）、多軸聯動加工技術、微細加工技術和難加工材料工藝技術等關鍵要素，旨在提高材料加工效率、精度和性能，其框架如圖1所示。在航空航天領域，這些技術用于制造高要求零部件，以應對復雜性和可靠性要求，推動著該領域的制造技術不斷進步。

圖1 高性能加工技術框架

2.1 高速加工技術

航空航天領域的高速加工技術在生產精密和復雜零件方面發揮著關鍵作用。其通過提高材料去除率和優化加工路徑，縮短了生產周期，并提高了零件的表面質量。高速銑削中，實心和可轉位球頭立銑刀在凸凹面及五軸數控銑床上加工復雜結構銑削操作如圖2所示，體現技術多樣性和復雜性[4]。

圖2 不同工況下的銑削加工[4]

針對特定材料TC4鈦合金，王勝等[5]通過優化PCD刀具的銑削參數，實現了加工效率和表面質量的顯著提升。LUIS等[6]的研究發現，在復雜表面銑削中，最大徑向深度、進給量和向下切削策略對提高表面質量和生產率至關重要。VOGEL等[7]開發了具有內部顆粒填充結構的先進刀柄，該刀柄在蒙福特公司進行車削試驗，如圖3所示，通過減少鈦合金加工過程中的振動，提高了加工效率和刀具壽命。

圖3 填充式刀柄試驗設置及刀柄結構[7]

此外，高級CAM系統的應用，如Mastercam、UnigraphicsNXhe CATIA，為加工提供了多樣化的刀具軌跡策略[8]。HASCOET和RAUCH[9]利用OpenNC控制器和NURBS刀具軌跡插補，進一步提高了高速加工的質量和效率，為航空航天制造業帶來了重大進步。

2.2 多軸聯動加工技術

在航空航天工業中，多軸聯動加工技術，尤其是四軸和五軸數控機床的應用，顯著提高了關重件生產效率和質量，帶來了顯著的革新。

在具體的應用研究方面，FAN等[10]開發了一種專門用于離心葉輪的五軸加工方法，該方法將葉輪分割成不同的區域，優化刀具路徑以實現精確、高效的銑削。MHAMDI等[11]開發了航空發動機葉片Ti-6Al-4V多軸銑削動態模型，在葉片制造中實現了更好的精度和表面質量，解決了復雜的形狀和材料挑戰。陳凱航[12]開發了一種葉輪五軸聯動數控加工的半實時速度規劃方法，有效提升了加工質量和效率，滿足了工程實際需求。以半開式整體葉輪為例，多軸聯動加工現場及樣件如圖4所示。

圖4 多軸聯動加工現場及樣件

此外，文豪等[13]開發了一種新方法，用于生成網格曲面加工的刀軸矢量，以提高多軸CNC切削加工的效率和精度。王博等[14]開發了一種多軸球頭銑削中切削刃微元點軌跡建模的方法。他們構建了一個集成刀具幾何特征的動態模型，以準確預測銑削力。

多軸聯動加工技術在航空航天領域的應用日益廣泛，其對生產效率和制造質量的提升不可忽視。此技術的發展和應用為未來航空航天制造業的進一步革新開拓了新的道路。

2.3 微細加工技術

在航空航天領域，微細加工技術，尤其是微銑削、微電放電加工、激光微加工和超聲波加工，扮演著至關重要的角色。這些技術對于制造具有復雜形狀和高精度要求的微型部件具有關鍵性作用。

微銑削技術在制造高精度和復雜幾何形狀的微型部件中展現出優勢。田璐等[15]在最小切削厚度和切削力優化方面取得了進展，而LI等[16]開發了一種用于微銑刀的新型微納米復合陶瓷刀具材料Ti（C，N）/WC/ZrO2，有效地提高了切削刀具的彎曲強度、韌性和硬度。此外，張欣欣等[17]優化鈦合金和不銹鋼等堅韌材料的高速微銑削切削參數，提高了這些難加工材料的表面質量和加工效率。

在微電放電加工領域，田川[18]證實了微電放電加工在提高Ti-6Al-4V鈦合金加工效率和表面質量方面的效果。LIN等[19]通過田口法優化了Inconel 718的微銑削電火花加工，實現了電極磨損、材料去除率和工作間隙之間的平衡，從而提高了切削加工效率。HUU等[20]采用碳涂層電極改進了鈦合金的加工效率，展示了非接觸式加工在硬質材料中的潛力。而GARZON等[21]的研究則專注于微電火花加工中的力測量技術，為加工過程提供了更精確的監控。此裝置在Sarix sx200機床上構建并優化的組合加工平臺如圖5所示。

圖5 組合加工機床：微銑削+微電火花加工[21]

激光微加工技術的發展顯著提升了多種材料的局部加工性能，如CHAVOSHI[22]的研究所示，通過高能激光束對多種材料進行局部加工，提升了加工性能。肖強等[23]利用飛秒激光加工成功制造了微納米結構。SUN等[24]使用μCT檢測激光增材制造的Ti-6Al-4V中的空洞缺陷，為航空航天質量保證提供了重要信息。

同時，超聲波加工技術也取得了重要進展。彭振龍等[25]開發的高速超聲波動式切削技術提高了難加工材料的切削速度和效率，而ZHAO等[26]利用自行研制的基于工件振動的RUVAG裝置，進行了單CBN晶粒磨削試驗，旨在揭示徑向超聲振動對CBN晶粒的材料去除機理和磨損性能。LIU等[27]提出的超聲波輔助啄鉆（UPD）方法有效提高了CFRP/Ti層壓材料鉆孔效率和質量。

微細加工切削技術的綜合應用不僅展現了各自獨特的優勢，而且在高精度和復雜設計的微型部件制造中展現出巨大潛力。隨著微細切削技術的不斷發展，其將繼續推動航空航天領域及其他精密制造行業的進步。

2.4 典型航空難加工材料

在航空航天行業中，對鈦合金、鋁合金和碳纖維復合材料等典型難加工材料的精密加工技術研究至關重要。這些材料因其卓越的機械強度和耐腐蝕性能在航空關重件制造中有著重要地位，但同時也帶來了加工上的挑戰。

在鈦合金加工領域，田榮鑫等[28]針對TC11鈦合金的高速銑削提出了工藝參數優化方法。劉鵬等[29]開發了優化PCD刀具高速銑削TA15鈦合金切削力的數學模型，驗證了其有效性。HOURMAND等[30]研究發現，相比未涂層刀具，涂層碳化鎢（WC或WC/Co）刀具在磨損、光滑度、壽命和摩擦方面表現更佳。EZUGWU等[31]通過研究發現，使用PCD刀具高速精密車削TC4時，高壓切削液可顯著提升表面光滑度和刀具壽命，減少物理損傷。此外，姚俊等[32]通過應用振動電解切削技術，有效提高了TB6鈦合金的加工效率并降低成本。

在鋁合金加工方面，DONG等[33]重點研究精密加工中金剛石刀具的磨損，突出刀具間隙和進給速度的影響。WANG等[34]對7050-T7451鋁合金的切削加工研究表明，較大的前角和較厚的切屑可顯著減少能源消耗，從而實現更高效、更環保的制造。此外，JAROSZ等[35]通過優化CNC面銑參數，顯著減少了AL-6061-T6鋁合金加工時間（約37%），提高了加工效率。

此外，對于航空航天碳纖維材料加工，WU等[36]開發了針對碳纖維增強塑料（CFRP）的聚晶金剛石切削刀具，提高了切削效率和質量。ZHANG等[37]開發的隨機模型，能準確預測銑削纖維增強復合材料的切削力，對提升復合材料加工精度和效率具有重要意義。WU等[38]利用有限元模型和Deform 3D軟件進行模擬分析，解決了鉆孔問題，改善了加工質量。

綜上所述，在航空航天領域中，典型難加工材料的加工技術是實現高性能航空航天關重件制造的關鍵。這些切削技術的發展不僅提高了加工效率和精度，而且為其他新型難加工材料的切削、加工和成形開辟了新的可能性。

3 高性能加工技術應用案例

3.1 葉輪葉片多軸加工

以某航空整體葉輪五軸加工為例，預先考慮整體葉輪葉片的復雜表面幾何形狀的銑削方法，采用點銑法和側銑法。而后，考慮相鄰葉片精加工時刀具的選擇，避免過切和欠切，選用錐柄銑刀并結合CAD的距離分析功能進行分析。接著，通過PowerMill軟件的“葉盤”模式設計刀位軌跡。最后，為了保證五軸加工的安全可靠，通過仿真軟件VERICUT進行整體葉輪加工仿真，確保加工安全可靠，滿足尺寸和精度要求[39]。其關鍵問題及方法總結如下。

1）保證整體葉輪加工效率和精度是加工技術的關鍵。在銑削加工時采用點銑法和側銑法，通過點接觸以及線接觸的接觸方式，沿葉片流線方向逐步走刀加工出葉片曲面。采用此加工方法后保證了加工效率和表面質量。

2）防止在相鄰葉片精加工時刀具過切或欠切，結合錐柄立銑刀和CAD軟件分析，確定葉片最小間距，預留加工余量和刀軸擺動角度，既提升了加工效率，又增強了刀具剛性。

3）合理設計刀位軌跡是多軸加工中的最重要的一步。使用PowerMill軟件的“葉盤”模塊，通過參數化設置和策略設計，構建輔助面，進行碰撞和過切檢查等，從而制定出高效合理的刀位軌跡，并在后續實際加工中取得良好效果。

4）為確保五軸加工的安全性和可靠性，采用VERICUT仿真軟件模擬實際加工環境和工藝工裝，結合數控程序中的刀具軌跡，驗證加工整體葉輪的可行性。

3.2 發動機機匣高硬度薄壁環形件加工

針對航空發動機機匣薄壁異形結構安裝環在加工中易發生的變形、振動和表面質量問題，采取多項措施預防變形。首先，增加粗銑工序以提前釋放加工應力。其次，運用彈性膜片結構的脹緊式工裝和擺線車加工方法，有效避免零件變形。最后，通過車削代替磨削來確保涂層的表面質量和尺寸，從而解決加工中的關鍵問題[40]。其關鍵性問題及方法總結如下。

1）減少后續加工過程中的應力和變形，提高整個制造過程的效率和質量是關鍵。通過粗銑工序去除端面多余材料以釋放加工應力，減少變形，同時留下必要余量以便精加工。這一工序既提高了加工效率，又通過去應力退火降低了內應力，保證了零件的精度和質量。

2）為了解決零件在加工過程中的嚴重變形問題。通過設計特殊工裝和采用高效車削工藝（見圖6），有效控制加工過程中的變形，保障了加工精度和零件質量。這種方法適用于類似高硬度薄壁異形零件的加工，能夠提高加工效率，減少刀具磨損，同時確保涂層的表面質量和尺寸。

圖6 夾具及擺線車削加工[40]

3）為應對磨削工藝產生較大振動導致涂層表面出現振動痕跡，難以滿足表面粗糙度要求的問題，改為采用車削工藝，利用專用車刀和合理加工參數進行加工。相比砂輪磨削，車削涂層接觸面積更小，有效減少了振動，提高了涂層的表面質量和尺寸精度，滿足了制造要求。

4 結束語

本文對航空航天領域中的高性能加工技術進行了全面的綜述，突出了這些技術在航空航天制造業中的重要作用。強調了高性能加工技術在提升關重件的生產效率和質量、保證極端條件下性能等方面的重要性，然后通過介紹具體的應用實例，展示了這些技術在提高加工精度、減少變形和振動方面的顯著優勢。但在飛快發展的航空航天領域中，高性能加工技術仍面臨著多重挑戰。未來的航空航天制造業將集中于整合創新技術，如數字孿生和智能制造，同時注重環境可持續性，推動更環保的材料和工藝發展，更高效、智能和環保的技術將驅動新時代的到來。