随着中国工业的迅速崛起，应用广泛的核心部件—发动机的结构也在快速更新，以满足更高的使用性能要求。如在航空方面，航空发动机结构在发生改变的同时，不仅是其零部件的结构、形态发生了变化，而且精度要求也在逐渐提高，所以需要有更先进的制造工艺技术来为发动机的研制提供技术支撑。
1 新型发动机零件的特点
1.1 零件的结构特点
随着新型发动机推重比的提高，发动机的产品结构更加复杂，技术要求更高，零件的壁厚更薄。机匣、压气机风扇、整体叶盘等作为新型发动机的关键零件，越来越多地采用了整体结构设计，零件的外廓尺寸也越来越大。
1.2 零件的材料特点
发动机机匣、盘轴等零件大量采用钛合金、高温合金等难加工材料，材料变形屈服极限高，切削变形抗力大，导致其切削力大、切削功率高，需要机床主轴有更大的扭矩和功率。
1.3 零件的毛坯特点
发动机机匣、压气机风扇、整体叶盘等关键零件的毛坯均为整体模锻件，由于零件外表面形状复杂、结构特征较多，目前的锻造技术还无法达到小余量精化料的水平，造成锻造毛坯余量大，而且余量分布极不均匀，材料切除率高达 60%以上。
1.4 零件的加工特点
机匣、压气机风扇、整体叶盘等发动机关键零件和重要零件均采取了基于锻造毛坯的整体式加工方式，加之设计精度和表面质量要求高，导致加工周期较长。另外，这些零件材料多为高温合金、钛合金等难加工材料，铣削后零件表面残余应力较大，加工变形比较严重，对数控机床的精度和使用寿命影响极大。目前采用的数控加工方式大量占用关键数控设备，生产周期长，而且加工成本非常高。
2 难加工类零件的数控加工装备技术
加工难加工材料，数控设备精度的稳定性、可靠性和刚性极为重要。主要要求数控设备应具有多轴联动、大扭矩电主轴、高刚度、智能化、自适应技术等。
2.1 多轴联动
多轴联动通常指的是四轴以上的机床运动方式，引入复合旋转轴，即 A 轴、B 轴和 C 轴。双双组合的多轴联动对加工复杂结构的零件具有很大的优势，在解决型面的加工问题上也十分有效，在多轴联动基础上实现的复合数控加工可以有效地缩短辅助工作时间（如工件定位装夹等）和提高产品的加工效率。多轴联动和复合加工在发动机整体叶盘、机匣、盘环等关键零件和重要零件的生产中得到了广泛应用。
2.2 大扭矩电主轴
由于难加工材料切削性能较差，切削抗力较大，目前切削线速度通常介于 20～80m/min 之间，电主轴的扭矩远远小于机械主轴，为弥补电主轴功率和扭矩的不足，开发了专门面向难加工材料的大扭矩电主轴，配合高性能的刀具系统，使得难加工材料的切削加工得以实现，在难加工材料领域获得有效突破。
2.3 高刚度和热稳定性
主轴系统、进给系统和机床结构都应具有良好的热稳定性、静态刚度和动态刚度。热稳定性好会使机床在高速加工的过程中受到切削热、环境温度变化等作用时热变形减小；静态刚度可以抵抗因为机床零部件的重力和零件加工时切削力所引起的机床变形，确保在切削过程中刀具与工件的静态位移；动态刚度可有效地防止在切削过程中由于机体动态因素所产生的自激振动和强迫振动，以适应在切削过程中刀具与工件的动态位移需求。
2.4 自适应技术
自适应技术可使数控机床具备一定的智能性，具体表现为：在高速切削过程中切削余量过大时进给速度会自动减慢；切削余量小时进给速度又会自动增快。自适应技术优势在于不仅提高了生产效率，增加收益，最主要的是保护了机床和刀具。
3 难加工类零件的先进制造技术
3.1 高速铣削技术
从理论上讲，高速切削技术可用于钛合金、高温合金等难加工材料，但由于难加工材料的切削抗力远远大于其他材料，常规意义上的高速切削技术到目前为止还无法在难加工材料领域普及应用。
高速铣削技术包含四个方面：高速度切削、轴向深度铣削、小径向、进给量。高速铣削时切屑会带走铣削热，从而使工件表面的温度降低。由于铣削速度相对较高，铣削力会随之降低，加工生产率会增加。零件表面的质量虽然提高，但会加速刀具的磨损，减少刀具的使用寿命。
随着采用韧性好的刀具及消除加工硬化这一全新切削方法的出现，通过系统地改进刀具、加工工艺和机床性能，可以有效解决难加工材料高速切削应用的技术瓶颈。
3.1.1 高速切削刀具的特点
①安全可靠；②耐用性高。
3.1.2 高速铣削刀具材质
①硬质合金；②金刚石；③金属陶瓷；④刀具涂层材料。
3.1.3 刀具结构
高速铣削刀具通常可以分为整体式和机夹式两类。小直径铣刀通常采用整体式，大直径铣刀则大多采用机夹式。整体式高速铣刀经过平衡检验即可使用，而机夹式高速铣刀每次使用时都需要检验。但在机床转速较低时机夹式高速铣削刀更具有优势。
3.1.4 刀杆结构
当机床达到 15 000r/min 转速时通常采用 HSK 刀杆，或者使用其他类型的短柄刀杆。因 HSK 刀杆为过定位结构，可以提供与机床的标准连接，能够保证刀杆短锥和端面与机床紧密配合。
刀杆夹紧刀具的方式大致有液体夹头、弹簧夹头、热胀夹头三种。在上述三种方式中，热胀式夹头因具有传递扭矩和径向力大以及同心度高等优点，是迄今为止最具发展潜力的刀杆结构。
3.2 高速切削技术（数控编程技术）
3.2.1 高速切削对数控编程的要求
高速切削的数控编程代码可应用于多个领域，且不限于切削的速度和深度。数控编程人员应熟练掌握改变加工策略和使用刀具的路径，从而达到预期的加工效果。具体要求如下：
（1）保持恒定的切削载荷。由于加工速度要求越来越高，所以保持恒定的切削载荷至关重要。在高速切削过程中如果保持去除量的恒定，分层切削相对于仿形加工来说具有极大的优势。如图 1、图 2 所示。
（2）保证工件的高精度。为了确保工件具有高精度，最关键的一点就是尽量减少刀具的切入次数。图 3所示为如何更加有效地减少刀具切入次数的方法。
（3）保证工件的优质表面。在高速切削过程中如果步进(进给量)过小就会对实际的进给速率造成影响，延长整个加工进程，并且过小的步进会造成切削力不稳定，产生切削振动，影响工件表面的完整性。所以，在高速切削条件下，应尽量采取较大步进量，以生产出品质更好的工件。如图 4 所示。
3.2.2 粗加工数控编程
在高速加工中，粗加工的主要作用是为后续的半精加工和精加工留有更均匀的加工空间，并且粗加工的结果对精加工的难易程度和工件的加工质量起着决定性的作用。在高速加工过程中应重点考虑以下几点要求。
（1）恒定的切削条件：
为了确保切削条件的恒定，粗加工技术通常根据实际加工点确定加工条件或选择顺铣方式来实现。在高速加工过程中采用顺铣方式可以降低切削加工所产生的热量，减少刀具所承受的负载，甚至可以消除工件的加工硬化，获得高品质的工件表面。如图 5 所示。
（2）恒定的金属去除率：
在高速加工切削过程中，保持恒定的金属去除率可以有效地保持切削尺寸及切削负载的恒定，能够较好地转移加工时所产生的热量，保持刀具和工件的冷却状态，更有效地延长刀具的使用寿命。
（3）走刀方式的选择：
针对工件带有敞口型腔的部分，应采用从材料外侧走刀的方式，对材料的实时切削状况进行精细分析，而没有型腔的部分，应采用螺旋进刀的方式，在材料的局部区域切入。
（4）尽量减少刀具的切入次数：
在高速切削加工过程中，应尽量避免中断刀具路径和切削过程，减少刀具的切削次数，以使切削过程更加稳定。如图 6 所示。
3.2.3 半精加工数控编程
半精加工技术在零件的加工中起到了承上启下的作用，它是在材料粗加工之后、精加工之前进行的加工过程，其为后续零件精加工能够顺利完成提供保障。半精加工多应用在数控铣型加工过程中。半精加工是在与精加工同等切削余量、同等工况条件下进行的，它可为精加工调整出合理的加工参数，从而保证所加工零件特殊结构的尺寸精度及表面粗糙度要求，有效解决刀具切削过程中因刀具磨损而产生的让刀，使零件最后一刀精加工是在一个合适的切削量及加工参数下进行的，从而保证产品的加工质量，半精加工数控编程技术在零件加工中广泛为技术人员所采用。
图 7 所示为给精加工单边留 0.5mm 余量铣削加工仿真后的图形。
图 8 所示为给精加工单边留 0.2mm 余量车削加工仿真后的图形。
3.2.4 精加工数控编程
在高速切削精加工过程中，为了确保恒定的精加工余量，有以下几点要求。
（1）采用 fP 工艺确保高速高精度加工表面。在高速切削精加工过程中，采用 f=P 的铣削方式最为合适。如图 9 所示。
（2）采用进给速率退刀的方式退刀。
（3）针对工件不同区域采用相应的加工方式。如图10 所示。
（4）应用边界识别功能，如图 11 所示。
（5）保证加工轨迹的一致性。
3.3 插铣加工技术
插铣加工应用在高切除率的金属切削上具有极大的优势，由于插铣加工具有进给速度较低的特点，对于难加工类零件的凹槽、曲面，以及刀具悬伸长度较大的零件加工，插铣加工方式比常规的加工方法具有极大的优势，并且能够实现高温合金材料的切槽加工。从质量上观察，插铣法可降低切削力，减小工件的变形量，且可缩短一半以上的加工时间。
一般来讲，插铣加工技术在两种情况下最能够体现出它的优势。第一种是加工要求金属切除率高的零件，采用插铣技术能够有效地缩短加工时间；另一种是当加工任务要求刀具轴向长度较大时（如铣削大凹腔或深槽），采用插铣技术能够有效地减小径向切削力，使其具有更高的加工稳定性。
加工难加工类零件中的复杂结构件时,从毛坯锻造到最终形成所需零件存在着许多难题。针对需要切除大量多余材料的问题，提出了一种行之有效的方法—零件通道五坐标插铣粗加工方法。利用直纹面逼近叶型曲面，得到通道粗加工部分的边界轮廓；利用刀心轨迹线和刀轴驱动线上的对应点，能够规划出铣粗加工叶盘通道时的走刀轨迹。通过实验数据验证，采用插铣的方式能够成功避免在粗加工过程中所产生的振动，并使开式零件的粗加工效率大大提高。
3.4 摆线加工技术
“摆线”加工高速铣削技术应用非常广泛，因为切削的刀具是沿着一条固定半径的曲线进行运动，所以
在整个加工过程中可使刀具能够始终保持一致的进给率。特别针对难加工的材料，能够大幅度去除毛坯材料，有效地提高加工效率，因此具有无可超越的优势。如图 12 所示。
采用摆线式的高速铣削加工，刀具始终处于全方位的动态切削状态。因为刀体沿周边均匀受力，经过圆角处理整个切刀轨迹成为一条一阶导数光滑连续曲线，所以刀具几乎不存在疲劳破坏。刀具在向前切削材料的同时也伴随着向后的空走刀，这个特点使刀具有足够的冷却时间，从而大大提高切削环境的质量，延长刀具的使用寿命。
3.5 数控加工虚拟仿真技术
数控加工虚拟仿真技术的发展趋势有两种，一是应用仿真软件来模拟显示走刀的轨迹，并精准判断出刀夹和刀具与工件及其夹具之间是否存在干涉；二是解析高速切削加工过程中出现的物理现象，采集一系列连续的切削过程，并通过计算机模拟出来，然后对模拟结果进行分析和研究。目前这项技术尚未取得理想成果，还有待进一步研究。
3.5.1 数控加工几何仿真
数控加工几何仿真内容如图 13 所示。
3.5.2 数控加工物理仿真
数控加工物理仿真内容如图 14 所示。
3.5.3 加工仿真技术在发动机制造中的应用
（1）发动机典型零件加工中碰撞干涉安全检测；
（2）发动机典型零件加工变形预测和控制；
（3）发动机典型零件加工参数优化；
（4）建立发动机典型零件加工刀具优选方案。
4 小 结
随着发动机材料性能的不断提高，对加工技术水平的要求也随之提高，加工技术及加工设备的改进和提升是必然的趋势，目前发动机制造业最为关注的问题是难加工类零件数控加工技术。因为更加快捷有效地加工零件，不仅能够满足发动机制造业发展战略的需要，而且能够快速提升发动机制造业的技术能力。
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本文标题：数控加工技术在难加工类零件上的应用
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