航空航天零部件难切削材料智能制造技术

五轴加工技术在航天零部件制造中的发展

自由曲面技术(雕刻曲面)已广泛应用于现代工程设计中，以取代放样曲面技术，如汽车钣金模具、注塑模具、涡轮叶片、船舶螺旋桨、航空航天部件等。基于性能考虑，这些产品的特征是复杂的三维曲面。例如，用传统的三轴机床加工，不仅要克服原来效率和精度差的缺点，还要考虑重复定位和夹紧造成的误差。夹具设计和制造的成本。如果采用五轴加工技术，这些由于机床的自由度和刀具的选择所带来的限制就可以克服。

从理论上讲，多轴加工在制造上比传统的三轴加工有更多的优势，包括更高的生产率和更好的加工质量。但在实际操作中，多轴加工也存在许多缺点，如刀具在多轴机床中同时运动复杂、刀具与曲面干涉、碰撞等。多轴机床增加了两个旋转自由度，不仅提供了加工的灵活性，也带来了传统CAD/CAM系统无法充分支持的新问题。工具与相邻表面之间的凿痕和碰撞检测算法是相当困难的。由于多轴机床结构复杂，对机床的动态精度要求更加严格。对于多轴数控数据的处理，机床的控制器设计必须更加复杂，这样才能通过插补器对刀具轨迹进行处理，保证加工精度。

目前具有多轴加工能力的商用CAD/CAM软件仍相当昂贵，且在加工复杂曲面时，对刀具方向和刀轨分布的规定相当不灵活，一般需要多次尝试才能成功。传统上，刀具的取向在加工过程中通常保持不变。在刀具运动过程中，刀具的方向偏离曲面法向量有一定的角度，范围约为。虽然这种方法比三轴球铣刀效率更高，但过切的问题仍然存在，表面残留的材料需要人工研磨和清除。而当表面越复杂时，这些问题就会越严重。

1. 切割工艺规划:
   如今，产品曲面的设计变得越来越复杂。多轴机床提供的自由度具有避免干扰、减少重复定位误差、降低夹具成本等优点。在加工曲面时，可以使生产过程更加方便。弹性和自动化，以满足当今制造业竞争环境的要求。针对难切削材料(钛合金、镍基高温合金)的加工要求，基于精密零件的复杂表面和几何特征，建立了定位和多轴同步加工的制造工艺流程。需要考虑切削颤振和加工方式，规划和设计相应的夹具和机床。借助在线切削力分析，规划刀具路径以获得相等的切削力。以叶轮为例，采用摆线加工对叶片表面进行粗加工。这种方法的优点是等量切削延长了刀具寿命，并可通过较大的切削深度来缩短粗加工时间。叶轮表面精加工方式包括点接触加工和侧切工艺，其选择标准是表面扭转程度和表面公差。 If the curvature of the surface changes smoothly, the side-edge cutting technology is far superior to point contact cutting based on the cutting efficiency.
2. 五轴机床后处理程序开发技术:
   后处理是机械加工程序设计与制造之间的重要接口。一般来说，后处理程序将刀具位置数据转换为加工操作所需的数据，如程序原点设置、机床原点设置、主轴转速、刀具进给等。刀具坐标控制点，因此数控机床接受这些数据编码后即可进行数控加工。由于机床控制器厂家往往无法按照国际标准定义控制代码，后处理转换必须根据各种类型的控制器定义相关的控制代码，如果工厂有多台机床，控制器不同，则必须准备不同的后处理进行转换，因此后处理就变得更加重要。
   由于机床结构是由各种连杆关节组成的运动链，因此关节无非是滑动副或旋转副。因此，运动学运动学链关系可以有效地描述机床在空间上的运动轨迹，推导出的机床可以提供刀具的几何运动范围，从而决定机床的功能。后处理程序的推导就是基于这一概念，得到五轴机床的形状生成函数矩阵，然后利用逆运动学求解控制机床的各个轴的参数方程。因此，基于正运动学和逆运动学原理，推导了多轴机床的关节极限和后处理程序。利用齐次坐标变换矩阵描述多轴机床各轴与刀具的相对位置关系，然后使该矩阵等于规划的刀具位置矩阵来求解多轴机床。需要得到各轴的运动参数方程。
3. 实体切割验证及虚拟误差分析:
   为了避免五轴刀轨与曲面的干涉，必须通过实体切削仿真进行验证，而一般CAM软件中的仿真都是基于读取刀具位置文件进行的。不可能知道是否有干扰或碰撞。建立的五轴刀轨能否满足加工公差要求，只有通过数控程序切削仿真才能准确判断。在实体切削仿真软件的辅助下，进行了虚拟加工和误差分析。另一方面，要根据公差要求，验证规划的加工工艺、弦差、刀轨生成设置的间距是否满足要求。通过误差对比分析，可以进一步调整刀具轨迹设置条件。

多轴加减复合加工技术(CNC + 3D打印):

再制造也被称为更换失效部件的最终形式。这个过程的能耗、成本和所需的材料只是新产品的一部分。一般机械部件的再制造必须依靠熟练的技术人员和一系列劳动密集型操作，往往需要在再制造商和外包商之间往返。然而，这种形式的再制造对于需要严格的质量控制和生产老化考虑的高价值部件来说是相当困难的。在修复过程中，采用高速金属切削或磨削去除工艺，在线扫描检测技术，以及熔覆/焊接技术，已具备自动化设备基础，但尚未整合到商用阶段。目前，一般叶轮的维修方法，很多制造工序仍依赖人力。随着数控设备的发展，包层前的磨削、包层、铣、磨、抛光逐渐被机床所取代。

• 将相关工序和检验安排在同一制造单元内，并通过机械臂串联起来。
• 将这些工序集成到一台机床上，就形成了一台智能复杂的数控机床(铣削+检测+激光熔覆+检测+激光热处理)。

基于低成本、快速、可靠的再制造应用，开发了完全集成的生产系统和软件，以最小的人工干预来修复高价值部件。

使用激光熔覆、检测和加工系统重新制造高价值产品:

• 高速扫描模块
• 快速激光熔覆
• 高效加工
• 自适应CAD/CAM系统
• 系统自动化
• 工作流程管理

该系统侧重于损坏部件的修复，新的金属部件的制造，过时部件的更新，以及标准件的更新。以航空涡轮叶片修复为例，包括零件对准、缺陷识别、缺陷去除、缺陷修复和精加工，该系统的本质是最大限度地灵活面对再制造环境中最多的变量。对于涡轮叶片和BLISK等高价值部件，AM/覆层复合工艺技术可以节省新产品制造和维修过程中的时间和成本。

旋转超声辅助加工技术:

脆性硬材料、复合材料等先进材料具有优越的性能，因此工程应用广泛应用于半导体、光电子、航空航天、医疗设备、能源、电动汽车、3C电子、精密机械等领域。然而，要将这种坚硬、坚韧、耐高温的先进材料成形或加工成正确的尺寸和几何形状相当困难，目前的技术和工艺要求较高的加工成本和时间，在应用上受到了限制。因此，为这些先进材料开发一种可靠且具有成本效益的工艺非常重要。与目前非传统加工工艺相比，旋转超声加工(RUM)成本相对低廉，环保，适合传统加工环境的基础要求。

旋转超声加工是金刚石刀具材料去除机理与超声加工工艺相结合的一种复合加工工艺(非传统加工工艺)。在轴向刀具高频振动和高速旋转的双重运动下，形成了磨削与冲击损伤相结合的材料加工工艺。可轻松加工高硬度和脆性材料，并可将工具/研磨棒接触材料时产生的切削应力降低30-70%。结果，提高了刀具寿命和表面质量，材料去除率(MRR)优于金刚石磨削和超声加工。在旋转超声辅助切削应用中，包括钻孔、铣削和抛光工艺，加工效率、刀具磨损寿命和表面粗糙度是主要考虑因素。微钻的技术应用主要在高分子材料、复合材料、金属、非金属等方面。在钻削韧性材料时，会产生毛刺。但是，在钻削脆性材料和复合材料时，材料的边缘会出现裂纹和损坏。结果表明，超声振动能有效地改善钻孔中毛刺的产生。在旋转超声辅助铣削方面，陶瓷和蓝宝石脆性硬材料的表面加工主要关注材料去除率与工艺参数的关系，包括振幅、静力、转速、磨粒数、磨粒直径。 The polishing technology part mainly lies in the surface processing of sapphire brittle and hard materials.

复杂曲面在线切削特性分析及几何测量技术

基于难切削材料切削模型研究、大数据云端处理、协同机床智能操作、刀具寿命检测、刀具破损预测等需求，通过带传感器的刀架计算切削过程中的轴向力。、扭矩、X-Y方向的弯矩和温度，实时测量并输出到计算机，作为刀具寿命评估、刀具设计和开发、工艺改进和生产率提高的基础。实际切削试验评价所收集的切削特性信息可作为刀具选择的参考和刀具轨迹规划的依据。

过程测量是指对生产线进行测量的工作。当表面切割完成后，将机床的刀具换成探头，直接在机床上进行测量。在线测量可在不装卸工件的情况下初步检测尺寸。它结合了设计、制造和质量控制领域，可以使生产过程更加灵活和自动化。在制造集成系统领域，将数控机床切削与在线测量与CAD/CAM系统集成，可实现过程系统化、电脑化的目标，提升行业形象和竞争力。在线测量的重要考虑因素包括工件方向的设置、测量程序和路径规划、碰撞评估、误差估计以及误差补偿和修正。

为了减少报废，减少机器停机时间，提高生产率和小批量生产的灵活性，在预处理加工设置中，使用机床探头识别部件以选择正确的NC程序，并定位基准特征以创建工件坐标系。检查零件尺寸以确定加工余量和粗切削程序，测量零件方向(相对于机床轴)以进行坐标旋转。此外，利用对刀仪，可以测量刀具长度以建立刀具长度补偿值，检查刀具长度是否在设定的公差范围内，测量旋转刀具直径以建立刀具直径补偿值。在过程监控方面，采用刀具探测软件规划测量路径。目的是确认中间加工后的预留量和精加工后的表面精度，并评估是否有必要补偿刀轨以提高加工精度。提高流程效率。为避免测量路径程序出现误差或对曲面的干扰，在进行实际机床测量前，必须对虚拟机床的测量路径仿真进行验证。

航空航天零部件制造技术的前景:

无论是国防航天、精密机械，甚至是医疗设备，基于能效的考虑，产品表面的设计越来越复杂，轻质、坚硬、耐高温的先进材料将在未来得到广泛应用，传统的加工方法已不复存在。符合目前高产值、高精度、多样化、劳动力需求低的生产类型。五轴加工机与复合加工机的组合将最大限度地扩大单机的加工范围和类型。因为五轴复合数控加工技术在产品精度和成本效益方面对航空航天零件等高价值精密零件的制造有很大的帮助。因此，五轴机床、多轴车削、铣削复合加工、超声辅助切削、五轴加减复合加工技术是复合机床发展的重点。它结合了多种多轴加工工艺，不仅可以减少工艺更换时间和夹具材料支出，还提供了先进的材料加工技术，提高生产效率。这是一种高效、高质量的发展模式，降低了人工管理成本。

通过CAD/CAM系统、虚拟与现实集成技术、复合工艺技术、智能自动工艺控制技术的集成，航空航天零件难切削材料的工艺技术开发，不仅可以保证产品精度和交货时间，还可以收集和分析各种生产工艺。设备的实时生产信息和在线切割负荷，提供最佳制造条件，发现异常的根本原因，使制造更高效，更具竞争力。