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[高端制造] 复合加工技术在航空航天制造领域应用专题

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暴力英雄 发表于 2012-9-7 21:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 暴力英雄 于 2012-10-17 01:27 编辑

                                                                   航空发动机零件的复合加工技术
       航空发动机制造技术已经成为一个国家科技水平和综合国力的重要标志之一。大涵道比涡扇发动机是自主研制大型飞机的关键。大飞机的发展,在很大程度上依赖于材料和制造技术的发展。随着现代尖端科技的不断发展,新结构、新材料和复杂形状的精密零件被大量采用,先进的材料和工艺是航空发动机特别是大飞机发动机实现减重、增效和改善性能的关键。现代航空业要求航空发动机长期处于高负荷的工作状态,这对现代发动机的寿命、材料、制造工艺等提出了非常苛刻的要求。大飞机发动机新型整体结构、轻量化结构使其空气动力性能大幅优化。例如,CFM公司生产的发动机CFM56-7,其风扇叶片为24片,总重为118kg。Leap-X是CFM公司正在研制的新一代涡扇发动机,其风扇叶片数量只有18片,总重仅为76kg,其性能更加优异(图1)。我国航空发动机制造水平距离欧美国家还有很大差距,航空领域取得的每一次重大的革命性进展,无不与航空动力技术的突破和进步相关。发展和完善航空发动机制造水平对整个航空发动机制造体系的形成起着重要的作用。复合加工技术作为一项综合性制造技术在解决大飞机航空发动机新型整体结构、轻量化结构和冷却结构等新结构制造中具有广阔的应用前景。


                               
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(a)CFM56-7发动机风扇叶片

                               
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                                                                              (b)Leap-x发动机
                                                                             图1 CFM公司发动机
航空发动机典型零件复合加工特点
       发动机零件复合加工是一项综合性很强的系统工程。航空发动机零件复合加工由同类工艺方法的多工序加工和不同工艺方法的多工序加工(如传统加工和特种加工的复合,特种加工与特种加工的复合)构成。同类工艺方法的复合加工是以工序集中原则为基础、以传统机械加工工艺为主的复合,即工件在机床上一次装夹后,能够进行同一类工艺方法的多工序加工,这是航空发动机制造技术快速发展的高效加工方式。
       不同工艺方法的复合加工是指机械复合加工、电化学复合加工、电火花复合加工、超声复合加工等能量复合方式的复合加工技术,它综合应用机械、化学和电力等多种能量进行综合加工。目前比较成熟的工艺方法有超声切削、磁力研磨、超声磨料加工以及电火花放电铣等等。复合加工能大幅度地缩短零件加工周期和减少在制品储存量,有力地支持零库存的准时制造的实施,减少工件安装次数、避免安装误差,有利于提高加工精度和稳定性,进而实现航空发动机的安全、可靠和长寿命(图2)。

                               
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                                                                                        图2 整体叶片
1 传统机械方法的多工序复合加工
       航空发动机制造中,传统机械方法的多工序复合加工是以工序集中原则为基础的复合加工技术。这种复合加工指在复合加工机床上完成车、铣、钻、镗等多种加工要求。复合加工机床最突出的特点是工件工序集中,一次装夹实现多工序复合加工,工序集中有利于保证各加工面间的相互位置精度要求,使生产面积和操作者数量减少,生产计划和生产组织得到优化。目前,航空制造业很多普通设备逐渐被工序集中的柔性自动化装备所取代。现代的复合加工机床更进一步实现切削工艺复合化的开发,如在车削中心上装载有回转刀具的铣削功能,在加工中心上有车削功能等,进一步提高机床的复合化程度。在多种复合加工的领域,车铣复合加工是目前发展最为完善的一个领域。车铣复合加工中心实际上相当于所装配的切削刀具、刀具夹紧系统所支持的加工方法和备选刀具组成的综合系统。车铣复合加工既能够实现车削功能,又能够实现铣、钻、镗、攻丝、铰孔等功能。设备的价格往往比较昂贵,从理论上讲车铣复合加工中心可以有效地提高产品质量和生产效率,但是在实际应用中,要想充分发挥复合加工设备的作用还应加强对技术人员进行加工程序编制和培训操作相关知识等基础培训工作(图3)。

                               
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                                                                图3 WFL公司的M35车铣复合加工中心
2 能量复合方式的复合加工
       能量复合加工技术可以分为机械复合加工、电化学复合加工、电火花复合加工、超声复合加工、磨料水射流加工和化学机械抛光等。普通机械制造领域以常规机械加工、电化学加工和电火花加工为主的复合加工方法最为常见,较为成熟的工艺方法有电解磨削、电解电火花加工和化学铣削等。

                               
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航空发动机零件复合加工技术的应用
       航空发动机零部件是在高温、高压、高转速的恶劣环境下工作。每一种新产品的开发都意味着零件功能、结构、材料的重大变更。航空发动机普遍采用轻量化、整体化结构,如整体叶盘、叶环结构[2]。航空发动机零部件大量采用新型超高强耐高温合金、单晶合金、金属间化合物及轻质高强复合材料,给切削加工增加了更大难度,对加工技术提出了更高的要求。
1 航空典型零件的复合加工
航空发动机典型零件如机匣、整体叶盘等大多采用钛合金、高温合金等难加工材料,其不但强度、硬度高且韧性和延伸率大,导热性差、加工表面的加工硬化大,切削性能差。整体叶盘可采用复合强力铣加工工艺方法(图4)。

                               
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                                                                               图4 整体叶盘的加工
       应选择合适的机床,设计专用工装,选择合适的刀具,采取有效的减振与变形控制措施。通过盘铣、插铣、侧铣的有效集成,大幅度提升整体叶盘的综合加工效率,降低制造成本。整体叶盘复合强力铣关键是需要解决数控编程中的通道五轴加工方式的确定、多约束加工干涉、复杂的刀轴矢量计算等技术问题,以及加工过程中的切削参数确定、颤振抑制、弱刚性系统变形控制等工艺问题。
       航空发动机上机匣类零件中,整体结构机匣越来越多,为了提高机匣的强度,一些机匣都采用了整体结构,即机匣的座子和凸台和机匣是一体的。航空典型零件中的盘类零件趋向薄壁,为保证盘类件在高转速下平衡,对主要表面的尺寸精度、位置精度、形状误差、表面粗糙度等要求较高。各类型轴,结构上一般都是空心轴,内表面根据等强度条件设计有台阶孔,内外表面同轴度很高。在机匣复杂外型面的铣削加工中,可应用复合加工技术,减少多工序加工零件的上下料装卸时间。在加工机匣环形件的异形孔时应采用数控激光切割技术。对于蜂窝封严结构的机匣又采用了蜂窝表面电火花磨削技术,各种新工艺、新技术的产生,都是为了满足机匣件不断改进的设计需求。虽然整体结构机匣的强度满足了发动机设计的要求,却增加了机械加工的难度,特别是具有复杂外型面的整体结构机匣,某整体结构机匣,其外型面的成型加工是普通工艺所不能实现的,只有应用先进的五坐标数控加工技术才能通过工序集中,实现这些外型面的成型加工。

                               
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       又如某后机匣,材料是镍基高温合金、最小壁厚为1mm左右、外型面复杂、上面有凸台、加强筋、纵向安装边及数十个连接孔等。在以工序集中为原则的复合加工中,工艺流程需要大量的决策数据。实际加工中要根据零件的特点将平面、型腔作为零件的主要特征来处理,将纵向安装边、加强筋等作为零件的次要特征来处理。在选择加工面时应注意:加工面与定位基准、加工基准具有一定的尺寸关系,并且容易测量;便于装夹,在工装设计时要充分考虑,使得一次装夹可以加工尽可能多的面。并且夹具设计不能太复杂,尽量使得工件保持均匀,加工部位敞开;便于选择刀具,其涉及到转交、斜面与平面交角时要选择好刀具;便于刀具进给,不发生碰撞,干涉等现象,减少复杂刀具的设计和使用;便于修改加工参数,提高加工效率,同时注意检查加工面的情况。车铣复合加工技术是解决此类零件材料去除率大、形状与结构复杂、加工精度高等问题的良好选择。
       箱体机匣壳体的构形比较复杂,内部呈腔形,并且壁薄、刚性较差。在壳体壁上除了许多精度较高的轴承支撑孔、定位销孔、附件安装孔和平面外,还有许多精度较低、直径小且长的交叉油路孔、螺纹孔等。为了保证箱体机匣的装配精度,对机匣壳体提出了一系列技术要求,孔和平面的尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等要求都很高。机匣壳体不仅需要加工的部位较多,而且加工难度也较大,工序多、工艺路线长。
       机匣壳体在通用设备上加工,加工精度难以保证。需要的工装多、生产率低,新产品试制周期长。采用复合加工技术是这类零件的必然选择。这类零件的复合加工主要体现在工序集中上。数控加工中心是一种多工序自动换刀数控机床,机床能在一次定位装夹中自动完成钻、镗、铣、等多道工序的复合加工,从而实现自动化和工序的高度集中。数控加工中心具有很高的坐标位移精度和工作台回转精度,完全可以由机床本身的精度来保证零件的加工精度。在更换产品时,只需增加少量的工艺装备,重新编制加工程序就可以投入生产。机匣壳体复合加工工艺设计时需要注意以下问题:全部机械加工应安排在数控加工中心上进行,并在刀库容量范围内,使凡能合理安排加工出的表面,集中在一道工序进行,以达到工序的高度集中;规划好各主要表面加工顺序,必须遵循粗、精分开和先粗后精,遵循划分加工阶段的原则;定位基准,应尽可能采用一面两孔的定位方式,因为这种定位方式不仅定位稳定可靠,对保证加工质量有利,而且容易实现多方向加工;不适宜工序集中的表面应在一般设备上加工,以便充分发挥不同设备的自身优势,高效率、高质量、低成本加工。集中工序、一次装夹,实现多工序复合加工是确保此类零件加工精度和加工效率的有效途径(图5)。

                               
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       由此可见,选用数控加工中心加工机匣壳体,不仅可以实现加工自动化,保证加工精度,还可以大幅提高生产率,缩短新型机匣的试制周期。
2 航空发动机零件“全程序无人干预”复合加工
       在保证加工质量的基础上,提高生产率,提高自动化程度是航空制造业发展的总目标。“全程序无人干预”复合加工指加工过程中不需要人工干预,是从加工工序复合向以最终完成整个零件加工为目的的复合,目标是实现高度的信息化和自动化。复合加工除了能够实现预警防错纠错功能,消除加工过程中的随机误差,增强操作系统的可靠性;同时还能挖掘出潜在的设备功能,实现自动对刀、在线测量和自动加工补偿,并能提高产品质量,减少加工中间环节,实现单人多机操作,提升生产效率,降低制造成本和人员劳动强度。“全程序无人干预”复合加工要进行工艺流程的优化设计,注重快速编程以及程序的优化。
       “全程序无人干预”复合加工避免了中途装夹切换过程,有效地解决了同一类零件的高效加工。如某薄壁零件,加工时极容易变形,仅刀具就需要使用钻头、铣刀、铰刀、镗刀、反倒角刀等不同种类刀具10多把。操作者需手动调用数控程序数量多达40多个,费时又易出错。运用全过程不干预加工,只需按动一次按钮,就能完成整个零件的全过程加工,充分发挥设备的功能,提高加工效率23%,产品合格率达100%。“全程序无人干预”复合加工要求合理选择刀具,优化走刀路线,在切削加工过程中能够及时断屑,避免加工中断,实现高效率、高质量,低成本加工。
3 航空发动机零件复合加工用刀具特点
        复合加工中刀具的选择是十分重要的。刀具材料是提升刀具性能的基础,刀具结构是提高工件加工精度的关键。加工刀具必须适应复合加工设备高速、高效、自动化的特点,要充分考虑高速旋转下刀具的动平衡状态和刀具的使用寿命。著名大型刀具企业都在不断改进各自的刀具材料、刀具结构、涂层技术和难加工材料的加工方法,以满足航空制造业的需求。内冷却高性能刀具如图6所示。

                               
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                                                                         图6 肯纳内冷却高性能刀具
       高效切削的关键技术是一系列高效刀具材料的合理应用及其对应的切削参数优化技术问题。切削用刀具必须具备锋利的切削角度、强壮的切削刃口、耐热的表面涂层和不同于一般材料的切削加工方法等有利于降低加工区域温度和快速散热的有效因素。航空发动机典型难加工材料复杂结构零件主要切削用刀具,基本以进口高性能切削刀具和非标专用刀具为主。
       航空发动机零部件制造中,多功能刀具扮演着重要的角色。多功能刀具是指用一把刀就能实现数把刀才能实现的加工,实现一次安装多次走刀完工的要求,提高刀具的柔性化。对复杂零件的加工,要求在一次装夹中进行多工序的集中加工,并淡化传统的车、铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺的界限。目前,多功能刀具主要有有:多功能车刀、铣刀、镗铣刀钻铣刀等刀具。有的多功能刀具可提高加工效率60%以上,如多功能车刀发展了集车端面、外圆、仿形、切槽、切断和倒角等多种加工功能。带有过中心端刃的多功能立铣刀,借助数控机床螺旋插补、圆周插补或曲线插补等编程方法,可加工各种内外成型轮廓面、台阶、凹面;复合孔加工数控刀具集合了钻头、铰刀、扩孔刀的功能。这些刀具可有效避免频繁换刀和对刀,既节省换刀时间,又减少辅助时间、刀具数量和库存量,便于刀具管理,提高生产效率和加工质量。降低制造成本,多功能刀具在实际使用时要注意优化切削用量,提高刀具耐用度,优化走刀路线,避免与机床、零件产生干涉(图7)。
未命名.JPG

                                                        图7 复合加工机床中的铣削主轴可以使用旋转和非旋转刀具
4 能量复合加工技术应用
       能量复合加工技术如化学-机械复合加工、电火花放电复合加工,切削复合加工等复合加工技术目前已应用。以切削复合加工中的超声振动切削为例,其在航空难加工材料、难加工工序(小直径精密微深孔、攻螺纹)加工中,收到了很好的效果。超声振动切削技术是一种新型的切削加工方法,刀具(或工件)以适当的方向,一定的频率和振幅振动,以改善其切削功效的脉冲切削方法。在切削过程中,刀具与工件周期性的离开和接触,切削速度的大小和方向处于不断变化之中。由于切削速度的变化和加速度的出现,使得超声振动切削具有优良的工艺效果:减小了切削力与功率消耗;减小了切削变形;降低了切削温度;能很好地消除切削加工中的自激振动;可有效提高加工精度,降低零件加工表面粗糙度,提高表面加工质量。电火花蜂窝磨可以实现工件外型面低成本、高效率的大余量去除和成型加工,有效地解决难加工材料、特殊结构表面余量去除困难,加工振动大、刀具损耗大的难题。
       电火花铣加工几乎没有切削力,不需要复杂的夹具支撑,通常结构简单、凸台较少的机匣比较适合电火花铣加工。化学铣是在零件表面涂覆抗腐蚀可剥落涂料,将零件非加工表面保护起来,利用化学腐蚀液去除零件材料[3]。化学铣和电火花铣加工都不需要加工刀具,可以节省大量刀具费用,加工效率也较高。机械-热复合加工中的低温切削是指在切削加工过程中,采用低温液体及其他冷却方法冷却刀具或工件,有效降低切削区温度、减小刀具磨损、提高刀具使用寿命、提高生产效率、提高加工质量、降低加工成本,特别适合于加工钛合金等难加工材料。
航空发动机复合加工技术发展趋势
       新材料技术和先进制造技术是航空动力技术的重要基础。加工效率与成本之间的矛盾,影响着航空发动机研制的成本和进度。为提高加工效率,加工利润和加工质量,研究并应用高效、多样化的复合加工技术势在必行。航空发动机复合加工技术向精密化、自动化、柔性化、集成化、智能化、多样化和绿色环保方向发展。针对国家大飞机发展战略,我们必须对复合加工全过程研究,形成可用、可靠的技术体系与平台,形成生产力,提高加工质量和效率,快速响应市场需求。充分利用CAD/CAM、CIMS等技术实现设计制造一体化,并行设计、虚拟制造,反求工程等;利用模糊推理、人工神经网络等人工智能技术解决制造过程中的复杂决策问题,优化加工过程,提高实用性。借助先进检测、仿真手段,实现对加工过程的建模、仿真、预测,使得复合加工系统能根据实时工况自动优选加工参数,调整自身状态,进而实现“ 无人干预加工”。复合加工技术在航空发动机特别是大飞机发动机制造中将占据重要地位,其发展和完善对整个航空发动机制造体系的形成起着重要的作用。我们要加快常规大飞机发动机与新型大飞机发动机领域复合加工技术的开发和应用,使复合加工技术迅速成熟,实现国家航空动力技术的跨越式发展。
akuto 发表于 2012-9-9 17:19 | 显示全部楼层
老大的文章,要顶
 楼主| 暴力英雄 发表于 2012-9-10 09:41 | 显示全部楼层
akuto 发表于 2012-9-9 17:19
老大的文章,要顶

航空航天对机床和制造业的技术促进动力更大些,所以关注比较多
 楼主| 暴力英雄 发表于 2012-9-10 09:46 | 显示全部楼层
复合加工技术在航空发动机零件制造中的应用
       航空发动机制造是一个国家制造业的典型代表。它集制造业的设计、工艺、材料、加工、质量控制等领域的高、精、尖技术为一体,具有承受载荷大、结构形状复杂、数量种类多、制造精度高、质量要求严、加工难度大等特点。其中的重要零部件制造是集新材料切削技术、适应新型结构零件的新工艺、刀具制造技术、多轴数控编程及优化处理技术、虚拟仿真技术、切削变形控制技术、型面精确检测技术和无损探伤等前沿技术于一体的多方位、多种技术的交叉综合研究与应用。
       复合加工技术主要解决2 个方面的问题:特殊结构与复杂结构的加工、难加工材料及脆硬材料的加工。复合加工的主要特点是综合应用机械、光学、化学、电力、磁力流体和声波等多种能量进行综合加工,在提高加工效率和生产效率的同时,兼顾加工精度、加工表面质量及工具损耗等,具有常规单一加工技术无法比拟的优点。
航空发动机制造对复合加工技术的需求分析
       目前航空发动机制造工艺过程中应用较为广泛的复合加工技术有以下2种:(1)基于工序集中原则,以多种机械加工工艺为主的复合加工技术。例如:车削、铣削、磨削、钻削、镗削和绞削等工艺,其中的部分工艺可以一次性装夹完成。(2)特种加工方法与切削、磨削组合,去除材料工艺方式的复合。例如:激光、电火花和超声波等特种加工方法与切削、磨削的组合。
以机械加工工艺为主的复合加工,是指零件在机床上仅用一次装夹便可完成多种机加工艺的加工。特别适用于零件进入精加工阶段后,在一个工位上完成精车、精铣、钻、镗、绞、攻丝多工序的连续加工。这种加工具有消除重复装夹定位误差、提高加工精度、缩短零件的生产周期、减少工装数量、简化工艺流程等优越性,这是单一功能机床加工无法实现的。对实现工序集中复合加工技术,应用较多的有五轴车铣复合加工中心和五轴铣车复合加工中心2 种典型的机床。
       五轴车铣加工中心以车削功能为主,同时集成了铣削和镗削等功能。机床有3个直线运动轴X、Y、Z 和2个圆周旋转轴A、B 或B、C,配有刀具自动交换装置和刀库。在车削中心基础上增添用于回转刀具的切削装置发展而成,其功能相当于1台车削中心和1台加工中心的复合,典型代表有奥地利WFL 卧式车铣复合加工中心。适合加工航空发动机盘、轴和中小结构类零件,这类零件以车削为主导工艺、车削部位形位公差精度高,车削去除材料量大。
       五轴铣车复合加工中心则以铣削功能为主,除了具备加工中心原有的五轴运动功能外,在加工中心的基础之上又增加了使工件回转的驱动装置。相当于1台加工中心和1台车削中心的复合。适合加工航空发动机零件中的机匣、叶盘类零件。这类零件以铣削为主导工艺,铣削工艺去除材料量大于车削工艺,铣削工艺比车削工艺复杂程度高。零件结构复杂,使得对机床的铣削功能要求较高。例如第五轴(A 或B)要有较宽的摆动范围;主轴可以立式、卧式转换,不仅可以加工轴向端面孔,也可以加工与发动机轴线垂直的径向孔或成一定角度的斜孔。较为典型的有德国DMG铣车复合加工中心。
复合加工技术在航空发动机部分零件中的应用
       航空发动机零件的整体化、结构化、轻量化是大推比发动机的重要设计特性之一。整体结构件具有减重、减级、增效并提高可靠性的优点,符合航空发动机零部件易维护、高可靠性和长寿命的服役需求。例如将压气机盘和轴颈设计为一体的压气机盘,将转子叶片和压气机盘设计为一体的整体叶盘等。整体结构零件结构复杂,和原单体零件相比装夹定位效果明显削弱,使得零件刚性减弱,加工中容易产生振颤。因而加工中零件个别部位容易产生变形,几何尺寸和表面质量受到一定程度影响。单体叶片加工时可以夹紧叶片的轴颈部位,同时用顶尖顶住叶冠,一个方向夹紧,一个方向支撑。整体叶盘铣削叶片时只能以夹紧轮毂的前后缘板,叶冠无支撑,叶片在悬臂状态下加工,工艺性明显劣于单体叶片。因此整体结构零件基本上融合了原来两个单体零件,盘和叶片的加工难度。
       整体叶盘和机匣类零件是公认的航空发动机制造中难度最大的零件之一。其工艺流程复杂既包含常见的机械加工车、铣、钻、镗、绞、磨,又包括了特种加工如喷涂、喷丸、热处理等,工艺流程长达几十或数百道工序,如图1所示。

                               
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       整体叶盘类零件可以应用铣车复合加工中心,叶身型面铣削加工,轮盘表面的精车加工,以及进、排气两端的精密连接孔加工可以同时集中在一台机床上加工。同理,机匣类零件也可以将机匣外型面铣削和内型腔的车削以及前后端面精密连接孔钻、镗加工,同时在铣车复合加工中心上集中完成。加工结束后,可以应用机床上配备的在线测量功能,检查加工结果,形成加工、测量一体化。这类机床应该具备立式、卧式转换功能,其中铣削以卧式加工为主,车削则以立式加工为主。
由若干级压气机盘装配而成的转子,可以在配备了动力磨削头的车加工中心上,精修圆周径向基准后,在车削装夹定位基础之上,立即磨削各级叶片叶冠端面,是应用复合加工的又一实例。
       车铣复合加工中心适合加工以车削工艺为主,铣削工艺为辅的零件。五轴车铣复合加工中心的B 轴摆头车削技术,对于加工航空发动机零件中一些形状复杂的半封闭型腔凸显出相当大的优势,是近年来发展较快的新技术。一些机床厂家已经将该项功能作为出售机床的标准配置之一。图2所示为车铣加工中心B 轴。

                               
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图2 车铣加工中心B轴
       B 轴摆头车削特别适合加工压气机盘、轴颈一体结构盘类零件和进、气排边双侧带篦齿环的整体叶盘类零件。这类零件的结构特点是:辐板长、型腔狭小、盘心孔部位刀具入口处狭窄、内腔底部变宽,辐板与盘心孔的高度差较大。加工难点在于薄壁结构加工中容易受切削力影响产生变形,且封闭腔切削中刀具和内腔型面容易产生碰撞、干涉。特别是干涉的处理,成为能否加工出完整、准确型腔的重要前提。通常要请刀具制造工程师设计特殊形状的非标刀具,致使刀具成本几乎增加一倍,对企业来说是一个不小的负担。封闭内型腔结构在常规车加工中心上加工,需要3把非标刀具才能将型面全部加工完成,其运动方向和切削区域如图3所示。应用了车铣复合加工中心B 轴摆头车功能后,型腔用如图4所示的2把刀具加工就可以完全覆盖整个区域。


                               
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       当引入B 轴车削加工技术时,利用B 轴在车削中可以摆头的功能,使铣削主轴头带动刀具同步摆动,使得车刀杆轴线随着加工部位的变化逐渐地调整其与型腔之间的角度,最大限度利用型腔的有限空间,拓展了每一把刀的运动方位,弥补了常规车削中刀杆固定不动的不足,减少了不同刀具换刀加工所产生的接刀痕,改善了表面质量,这一点在发动机零件的加工中尤为重要。
       从某种意义上说,数控车床的诞生使得车削非线性曲面变得轻而易举,而B 轴摆头车削技术的诞生使得复杂结构零件的车削工艺能力得到极大的提升。

                               
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       以能量复合为基础的复合加工技术应用了多种形式的能量综合作用来实现材料的去除,提高了难加工材料、难加工结构的加工效率和加工质量。
       高温合金属于难加工材料,也是航空发动机零件常用材料之一。高温合金切削时产生的切削力大、切削温度高,造成工件热变形,使尺寸和形状精度发生变化。同时加工中冷硬现象严重,导致刀具磨损加剧。高温合金零件的加工普遍存在加工成本较高、加工周期较长的特点。特别是高温合金材料的整体叶盘,加工中需要切削掉的材料占整体毛坯锻件的90%左右。当刀具直径小于φ8mm时,刀具系统刚性迅速减弱,进给降幅较大,加工中容易出现断刀现象,影响零件的表面质量。
       黎明发动机公司对高温合金材料的整体叶盘和机匣,采用电火花仿型铣工艺进行粗加工,取代数控铣削的方法去除流道部位大部分材料。以叶盘为例,粗开槽加工时,采用棒状电极,分别给叶盆和叶背预留一定余量。然后进行五坐标铣削,即将电火花加工后的叶片进行光整加工,使叶身各处余量均匀,给后续精铣加工奠定基础。同直径电极的造价远远低于硬质合金刀具,其价位还不到硬质合金刀具的十分之一。与加工中心相比,电火花机床小时折旧费用也低。
       复合加工工艺注意要点:(1)防止加工中出现干涉。由于车铣复合加工中心增加了铣削加工时的主轴刀具回转功能,使其不同于原来车床的滑枕加刀夹结构,显得较为庞大。在加工零件时,必须要考虑是否会与零件、夹具、机床工作台(或转盘)产生干涉与碰撞。解决的方法是,应用几何虚拟仿真技术,虚拟仿真软件环境建立零件、夹具、机床工作台(或转盘)和机床铣削主轴准确的三维数据模型,运行数控加工程序,检查刀具轨迹是否过切,判断铣削主轴是否与零件、夹具以及工作台干涉,并根据干涉具体情况采取有效措施予以调整,通过加长刀具刀杆的长度,加高夹具的高度,使铣削主轴有足够的运动行程空间。(2)工艺路线编排合理。车铣复合或铣车复合工序尽量安排在零件的精加工阶段,也即零件的最终成形加工阶段。粗加工或半精加工工序安排在常规设备上进行。这样既可以规避高端设备资源紧张的情况,又最大化的将车、铣、钻、镗等多个工艺集中,一次性加工完成工件大部分加工,提高零件的加工精度。
结束语
       复合加工技术为保证航空发动机复杂结构零件的加工质量、提高加工效率、降低生产成本、简化工艺流程、缩短新产品的研制周期,提供了一个可行的方法。但是复合加工,应综合考虑零件的精度、结构复杂性和加工成本的性价比,毕竟具有复合加工功能的机床目前仍属于高端设备,资源较少。展望国家航空业的发展前景,加快研制民用大飞机、大推比发动机步伐,实现航空发动机行业长期可持续发展,是企业追求的重要战略目标。在市场竞争日益激烈的今天,一个新产品研发周期的长短,是衡量企业综合实力的体现,因此复合加工技术具有广泛的应用前景。
saggi 发表于 2012-9-14 21:03 | 显示全部楼层
图7来自sandvik的刀具手册,CAPTO系列刀柄系统,性能非常不错,就是有点小贵。
 楼主| 暴力英雄 发表于 2012-9-14 21:42 | 显示全部楼层
saggi 发表于 2012-9-14 21:03
图7来自sandvik的刀具手册,CAPTO系列刀柄系统,性能非常不错,就是有点小贵。

还不错,已经不算贵了,为PW,R-R做的就是这类,我还有客户用了瑞士机床,结果配的是

                               
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 楼主| 暴力英雄 发表于 2012-9-27 03:24 | 显示全部楼层
这是WFL公司的G-35复合加工中心的一个示例,可以让大家对车铣复合有一个直观印象

http://v.youku.com/v_show/id_XNDU1MTIxMzc2.html
saggi 发表于 2012-9-28 23:16 | 显示全部楼层
暴力英雄 发表于 2012-9-14 21:42
还不错,已经不算贵了,为PW,R-R做的就是这类,我还有客户用了瑞士机床,结果配的是

MBM镗刀?
 楼主| 暴力英雄 发表于 2012-10-17 01:54 | 显示全部楼层
                                      沈阳黎明发动机公司利用德马吉铣车复合加工中心加工薄壁机匣
       随着航空制造技术的发展,新一代飞机发动机的机动性、灵敏性、可靠性大幅提高,美国已经投入使用的第四代飞机发动机F119 推重比达到10 的量级,具有超声速巡航、隐身、高机动性、良好的敏捷性和可靠性等特点。高性能飞机发动机大量采用了整体、薄壁复杂结构及难加工材料零件,复杂整体薄壁结构的采用,减轻了发动机零部件的重量,有利于提高发动机推重比,但同时也增加了加工难度。航空发动机复杂结构薄壁机匣外型面及安装座需要五轴联动铣削加工、内腔表面及前后安装边需要数控车削加工,前后安装边上的定位孔、连接孔需要钻、扩、镗、铰的加工,在薄壁机匣加工及不同工序的周转过程中存在变形现象,因此造成后续加工工序装夹、找正困难,严重影响了机匣的加工质量和效率。德马吉五坐标铣车复合加工中心具有钻、镗、铣、车等功能,配置了40 刀位的刀库,具备自动换刀加工功能,并配置了雷尼绍红外测头和在线测量系统,能够实现机匣件多工序复合加工,避免薄壁机匣加工过程二次装夹、找正带来的误差,提高加工自动化程度。
       在航空发动机机匣加工领域,国外对铣车复合加工技术进行了大范围的应用,大大地提高了生产效率,减少了加工工艺流程,缩短了加工周期,节省了引进其他设备厂地,降低了不同设备等待和撞车的几率,同时还提高了零件加工质量,保证铣、车、钻孔的一致性,刀具的成本也随之降低。黎明公司以德马吉五坐标铣车复合加工中心和整体环形薄壁机匣为载体,应用铣车复合加工航空发动机薄壁机匣加工,本文包括德马吉五坐标铣车复合加工中心介绍、整体环形薄壁机匣工艺分析、铣车复合加工技术的工艺路线的规划、铣车复合加工数控程序的编制及虚拟仿真加工验证过程等内容。
整体环形薄壁机匣加工工艺分析
1 零件结构
       外机匣是飞机发动机高压压气机壳体的组成部分,属于典型的整体薄壁环形机匣。它的内表面为回转体,由车加工完成;外表面有不等均布的凸台岛屿,由铣加工完成;该机匣前后和径向表面分布着安装边和径向孔,该机匣的结构完全符合铣车复合加工技术的要求。零件的主要尺寸是,最大外径φ 468.1mm,最小内径φ 433.4mm,高度69.75mm,最小壁厚(1+0.2)mm,端面平面度0.03mm,端面及径向孔最小的位置度φ 0.03mm,见图1。

未命名4.JPG
2 零件材料
       根据设计图纸的要求,材料的牌号为1Cr11Ni2W2MoV,该材料属于奥氏体的不锈钢,设计要求硬度为HB311~352,其强度可以根据工艺热处理予以调整,但耐热性和抗腐蚀疲劳优于其他不锈钢。
3 加工难点分析
       外机匣最小壁厚仅1mm,端面孔相对于端面及止口的位置度仅为φ 0.03mm,属于典型的整体环形薄壁机匣,该零件的加工难点在于如何保证设计图要求的φ 0.03mm 位置度,如果零件加工后产生变形,零件端面及止口跳动超过0.015mm,通过二次装夹找正加工的定位孔位置度难以保证。
整体环形机匣铣车复合加工工艺方案
1 总体方案
       外机匣工艺分析发现,由于该机匣壁厚较薄,属于典型的整体环形机匣,在车加工后会产生一定程度的变形,通常机匣件车加工后,再安排前后安装边及径向安装座孔的加工,这样会造成零件二次装夹找正的困难,二次装夹找正的误差会影响精密定位孔加工的位置度,很难保证加工质量。
       铣车复合技术的加工理念是“一次装夹,高效加工,完成零件所有表面及孔加工”,即在1 台机床上完成1 个零件上内表面车加工和外表面铣加工及零件表面上孔加工,可保证零件高精度装配的要求。因此,针对该整体薄壁环形机匣结构特点和技术要求,制定了外机匣铣车复合加工方案,使端面孔与端面基准及止口表面通过一道工序、一次装夹找正完成加工,避免二次装夹找正产生的误差,缩短工艺路线,提高加工效率,保证加工质量。
2 铣车复合加工工艺路线
       铣车加工工艺的编制原则:尽量在一次装夹下完成零件多个方向工位的加工。按照上述的铣车复合工艺编制方法与原则, 将该零件的工艺路线定为:0 毛料图表— 5 车超声波一面— 10 车超声波另一面— 15超声波检查— 20 粗车后端— 25 粗车前端— 30 钻镗前端角向孔— 35粗铣凸台— 40 去毛刺— 45 稳定处理— 50 修前端基准— 55 半精车后端— 60 半精车前端及精镗角向孔—65 精车后端、铣凸台及钻镗端面孔— 70 精车前端及钻镗端面孔— 75去毛刺及钳修表面— 80 标印— 83中间检验—85 清洗—90 荧光检查—95 清洗— 100 最终检查。
       从工艺路线上来看,该零件的粗加工是在数控立车上加工,考虑到铣车工作台上没有四爪卡盘的定位槽,不能实现在铣车加工中心进行粗加工,出于机床精度考虑,粗加工也不能在铣车设备上进行。从30 工序开始,其余的机加工序全都在铣车加工中心进行,共7 次周转实现零件粗铣、半精加工、精加工。
实施过程
1 铣车复合加工设备的选择
       外机匣加工设备选用了德马吉五坐标铣车复合加工中心,该机床采用45°角的电主轴头,直线电机驱动,伺服驱动系统执行元件精度高、可靠性好、响应速度快,有足够的静态、动态刚度,保证系统具有良好的动态品质及热稳定性。该设备应具有高精度、高效、高可靠性,同时具有以太网接口,可与计算机及其他设备联网,实现数控加工程序、各种工艺参数和机床状态信息的传输,能适应高温合金、钛合金等难加工材料的加工,能在一次装夹下完成铣、车、钻、扩、铰、镗、等多种加工,可用于航空零件上的精密定位孔以及外表面的半精加工和精加工。该设备铣加工功能强大,配备SHOPMILL铣加工功能软件,工作台能够实现动平衡及分析平衡作用点,辅助车削功能,具有在线检测功能,能够实现车、铣加工在线仿真,该机床主要技术参数如下:轴行程: ≥ 1250mm;Y 轴行程: ≥ 1000 mm;Z 轴行程: ≥ 1000 mm;工作台尺寸: ≥φ 1250mm;最大车削直径: ≥φ 1400mm;工作台承重: ≥ 2000 kg。C 轴(工作台)回转范围: ≥±360°,定位精度:≤ 7″,重复定位精度:≤ 4″。工作台铣削最高转速:≥ 20r/min,车削最高转速:≥ 500r/min,最大回转扭矩(S1): ≥ 5400N•m,车削最大功率(S1): ≥ 35kW。


                               
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2 铣车工艺的夹具设计
       铣车复合加工技术要实现一次装夹完成大部分尺寸的加工,工装夹具启到至关重要的作用,否则就得多次装夹,势必降低加工效率。铣车复合加工技术特点是内表面一般采用车削加工,外表面包括车削和镗铣加工,端面或径向孔采用钻、镗、铰加工。因此铣车复合加工需设计一种夹具,内外都可以定位和夹紧的结构,同时可以快速拆卸。外机匣铣车复合加工夹具采用了内外压板结构(如图所示),通过倒压板的方式实现内外型面一次装夹、车铣复合一体化加工。


                               
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3 铣车复合加工刀具的选择

       德马吉五坐标铣车复合加工中心配置了40 把刀位的ATC 刀库,主轴锥孔规格为HSK-A100,为了充分发挥加工中心自动换刀功能,外机匣加工中采用了伊斯卡模块结构机夹刀具(如图4 所示),结合德马吉五坐标铣车复合加工中心主轴头的旋转功能,改变车刀的方位姿态,实现了一把刀具加工内外表面不同位置,节省了刀具数量,降低了刀具成本。

                               
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4 铣车复合程序的编制
       根据铣车复合加工中心数控编程的特点分为铣加工和车加工两种模式,铣加工模式为DM_MILL,车加工模式为DM_TURN。在编制五轴联动铣加工程序时,需要激活五轴加工刀尖跟踪功能,数控加工路径前瞻功能G64 和加工轴同步协调功能FGROUP。在编制数控车加工程序时,需要使用德马吉五坐标加工中心的平衡功能,在机床屏幕指示的配重位置,按系统提示的重量配置相同重量的配重块,保证车削系统平衡。
       在编制铣车程序过程中,通过西门子系统铣车复合加工后置处理开发,应用西门子840D 高级语言指令和机床特有功能,例如,TRAORI (1)、CYCLE800、CYCLE81-CYCLE86、极坐标,实现了机床车、铣、钻、镗、攻丝等多种方式集中于一体的加工。
       采用铣车复合加工技术,实现了车、铣、钻、镗多工序合并加工。在车铣复合加工过程中,需保证整体刚性足够的条件下,去除余量不均匀部位,使铣、车余量一致;根据零件结构和刚性,选择铣加工保证壁厚还是车加工保证壁厚;基准面留余量,在所有尺寸加工完成后,测量基准面技术条件,再修基准面;在所有车、铣加工完成后,进行钻镗孔、攻丝。
       针对该零件,安排数控工艺的路线是:粗铣外型(留0.3mm 余量)—粗车内外表面(留0.3mm 余量)—精车内外表面(基准面留0.1mm 余量)—精铣外型—精车基准面—钻镗径向孔及铣螺纹—钻镗端面孔。
5 铣车复合过程在线测量
       德马吉五坐标铣车复合加工中心配置了雷尼绍测头和红外线接收装置,具有在线测量功能。在外机匣铣车复合加工过程中,应用了在线测量功能,使用雷尼绍测头完成了零件自动找正,自动设置加工坐标系,实现了在线测量、铣车复合一体化加工(如图5 所示)。外机匣在线测量自动找正程序如下:
CYCLE800
TRAFOOF
DM_MILL
T999
M6

;______ 单点测量Z 轴零点位
置,设定坐标框架G54 中_______
_TUL=1 _TLL=-1
_PRNUM=1 _NMSP=1 _VMS=0
_TSA=20 _FA=15 _KNUM=1
_MVAR=100 _MA=3
_SETVAL=0
CYCLE978
G54
;____ 单点测量Z 轴零点位置,
设定坐标框架G54 中_________
G0 X0 Y0
Z-2
;____ 单点测量X 、Y 轴零点位
置,设定坐标框架G54 中_________
_TUL=1 _TLL=-1
_PRNUM=1 _NMSP=1 _VMS=0
_TSA=20 _FA=15 _KNUM=1
_MVAR=101 _MA=3
_SETVAL=433 _STA1=0
_INCA=90 _CPA=0 _CPO=0
_KNUM=1
CYCLE979
G54
;____ 单点测量X 、Y 轴零点位
置,设定坐标框架G54 中_________
M28
G0 Z500
M02

未命名.JPG
6 铣车复合程序的仿真与验证
       VERICUT 是一种功能强大的加工仿真软件,通过仿真可对数控程序进行分析,能够发现在加工中是否存在过切、残留等现象,防止干涉、碰撞现象发生,验证数控加工程序的正确性、合理性。尤其是在进行新件研制的过程中,它可以通过加工仿真来验证程序是否正确,这样既可以节省昂贵的试件费用,又可以节省不必要的加工时间,对新件研制发挥着非常重要的作用。为了验证铣车程序编制的准确性,采用VERICUT7.0 软件构建了DMU125FD 铣车五坐标加工中心仿真环境,完成了外机匣铣车复合加工程序的虚拟仿真加工验证,保证了程序的正确性,仿真机床结构如图6 所示。

未命名2.JPG
结果分析
       常规方法路线存在的问题:
(1) 车、铣、钻、镗工序过于分散,生产准备时间和工序间周转的等待时间长,占用多台加工设备,影响加工效率和交付进度;
(2) 某些尺寸实际值接近理论极限值,若不控制,可能导致部分尺寸超差;
(3) 数控程序和加工参数有待优化和细化;
(4) 刀具消耗过大。
       通过现场的试验件与真实零件的加工,根据精益工程理念的应用,采用工序数量、加工周期、质量状态和加工成本等多项指标来分析新技术方法带来的效益,数据分析对比见表1。

未命名3.JPG
       通过试验数据的对比分析,验证了铣车复合加工技术有利于提高航空发动机机匣加工效率,节省工装夹具,降低加工成本,避免薄壁机匣变形带来的二次装夹找正误差,保证薄壁机匣加工质量。
结论
       通过铣车复合加工技术在航空薄壁机匣加工中的应用,更进一步认识到铣车复合加工中心设备功能的重要性,掌握了在线测量自动找正、铣车复合自动换刀加工、铣车复合虚拟仿真加工等加工技术,形成了整体环形薄壁机匣铣车复合加工典型工艺路线。采用铣车复合加工技术进行工艺改进,充分地发挥机床的功能,缩短了工艺路线,采用在线测量、车铣复合、虚拟仿真等加工技术,保证了加工过程的可靠性,能够大幅提高加工效率、降低加工成本,保证加工质量。
langge945 发表于 2013-11-1 20:38 | 显示全部楼层
中航突破一款航空科技领先产品试制(图)


2013年11月01日  来源:中国航空报 





      迎难而上敢担当——中航工业吉发热表处理车间主任兼党支部书记潘建全(之二)
  在中航工业吉发“十一五”规划收官之年,为抓住深化改革这条主线,潘建全经常放弃节假日休息,深入钛合金航空标准件试制现场,掌握第一手试制技术参数,带领从未接触过钛合金脉冲阳极氧化操作的技术人员和岗位工人,面对陌生的技术条件,主动实践,做了大量深入有效的工作,经过无数次的试验操作,冒着氧化槽直流80~200多伏高压电的危险,记录了大量的宝贵实践数据。
  由于钛合金航空标准件产品属航空科技领先产品,对各项技术参数和精度的要求非常高,这也增加了试制工作的难度。但潘建全从不退缩,细心研究试制方法,认真谨慎进行试制,保证数据的准确性,为公司的后续批量生产提供了有力的技术支持。经过对失败样件上百次的总结,脉冲阳极氧化的钛合金航空标准件终于取得成功。
  经中航工业沈阳所、综合所等5个单位18名专家组鉴定,公司8个项目11个品种的钛合金航空标准样件膜层厚度、样件颜色均符合相关技术标准的要求,并可以向沈飞小批量供货,此项工作为公司后续发展奠定了坚实的基础。(李丹枫)



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