航空航天零部件难切削材料智能制造技术

航空部件制造过程中五轴加工技术的发展

自由曲面技术(雕刻曲面)已广泛应用于现代工程设计，以取代放样表面技术，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表面。例如，使用传统的三轴机床进行加工，不仅要克服原有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，则可以克服机床的自由度和刀具选择的局限性。

理论上，多轴加工在制造中比传统的三轴加工具有更高的生产率和更好的加工质量等优势。但在实践中，多轴加工也存在许多缺点，如刀具在多轴机床中同时运动的复杂性、刀具与表面的干涉、碰撞等。随着两个旋转自由度的增加，多轴机床在提供加工灵活性的同时，也产生了传统CAD/CAM系统无法充分支持的新问题。刀具与相邻表面之间的凿击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为严格。对于多轴数控数据的处理，机床的控制器设计必须更为复杂，才能通过插补器对刀具轨迹进行加工，保证加工精度。

目前商用的具有多轴加工能力的CAD/CAM软件仍然相当昂贵，而且在加工复杂曲面时，在指定刀具方向和刀具轨迹分布方面相当不灵活，一般需要多次尝试才能成功。传统上，在加工过程中，刀具的方向通常保持不变。在刀具移动过程中，刀具的方向偏离表面法向量一定角度，范围从约。这种方法虽然比三轴球面铣刀效率更高，但仍然存在过切的问题，并且表面上残留的残余材料需要人工研磨和去除。当表面越复杂，这些问题就会越严重。

1. 切割工艺规划:
   目前，产品曲面的设计越来越复杂。多轴机床提供的自由度具有避免干涉、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，以满足当今竞争激烈的制造环境的要求。针对难切削材料(钛合金、镍基高温合金)的加工要求，根据精密零件复杂的表面和几何特征，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，规划设计相应的夹具和机床。借助在线切削力分析，规划出等量切削力的刀具路径。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，并且可以通过更大的切削深度来减少粗加工时间。叶轮表面精加工方式包括点接触加工和侧切加工两种技术，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
   后处理是连接加工程序设计和制造的重要接口。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，数控机床接受这些数据代码后，即可进行数控加工。由于机床控制器厂家往往不能按国际标准定义控制代码，因此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，而如果工厂有多台采用不同控制器的机床，则必须准备不同的后处理进行转换，因此后处理变得更加重要。
   由于机床结构是由各种连杆接头组成的运动链，因此这些接头无非是滑动副或旋转副。因此，运动学运动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，从而决定了机床的功能。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，然后利用运动学逆解求解控制机床的各轴的参数方程。因此，多轴机床的关节极限的推导和后处理程序是基于正运动学和逆运动学的原理。利用齐次坐标变换矩阵来描述多轴机床各轴与刀具之间的相对位置关系，然后使该矩阵等于规划的刀具位置矩阵来求解多轴机床。需要各轴的运动参数方程。
3. 实体切削验证与虚拟误差分析:
   为了避免五轴刀路与表面的干涉，必须通过实体切削仿真进行验证，而一般CAM软件的仿真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。所建立的五轴刀具轨迹能否满足加工公差要求，只能通过NC程序切削仿真来准确判断。通过实体切削仿真软件的辅助，进行了虚拟制造和误差分析。另一方面，根据公差要求，需要验证所规划的加工工艺、弦差、刀路生成所设定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。该工艺的能耗、成本和所需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，通常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、熔覆/焊接技术等，具有自动化设备基础，但尚未集成到商业化可用阶段。目前，一般叶轮的维修方法在许多制造工序中仍然依靠人力。随着数控设备的发展，包覆前的磨削、包覆、铣削、磨削、抛光等工序逐渐被机床所取代。

• 将相关工序和检验安排在同一生产单元，并通过机械臂串联起来。
• 将这些工序集成到一台机床上，形成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，开发了一个完全集成的生产系统和软件，以最少的人为干预修复高价值部件。

使用复合激光熔覆、检测和加工系统的高价值产品再制造:

• 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

该系统着重于损坏部件的修复、新金属部件的制造、过时部件的更新和标准件的更新。以航空涡轮叶片维修为例，包括部件对准、缺陷识别、缺陷去除、缺陷修复和精加工，该系统的实质是在再制造环境中以最大的灵活性面对最大的变量。对于涡轮叶片和BLISK等高价值部件，增材制造/包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:

脆硬材料和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、医疗器械、能源、电动汽车、3C电子、精密机械等领域。然而，将这种坚硬、坚韧、耐高温的先进材料形成或加工成正确的尺寸和几何形状是相当困难的，而且目前的技术和工艺需要很高的加工成本和时间，这在应用上受到限制。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。与目前的非传统加工工艺相比，旋转超声加工(RUM)相对便宜、环保，适合传统加工环境的基础要求。

旋转超声加工是将金刚石刀具的材料去除机理与超声加工(USM)工艺相结合的复合加工工艺(非传统加工工艺)。在轴向刀具的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材料相结合的加工工艺。可轻松加工高硬度、脆性材料，可将刀具/磨杆与材料接触时产生的切削应力降低30-70%。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。在旋转超声辅助切割应用中，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、非金属等领域。在钻削韧性材料时，会产生毛刺。但是，在钻孔脆性材料和复合材料时，材料的边缘会开裂和损坏。结果表明，利用超声振动可以改善钻孔毛刺的产生。在旋转超声辅助铣削方面，陶瓷和蓝宝石脆硬材料的表面加工主要关注材料去除率与振幅、静力、转速、磨粒数、磨粒直径等工艺参数的关系。 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、大数据云处理、协同机床智能运行、刀具寿命检测、刀具断裂预测等需求，通过带传感器的刀柄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、刀具设计开发、工艺改进和提高生产率的依据。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。当表面切削完成后，用探头代替机床的刀具，直接在机床上进行测量。在线测量可以在不装卸工件的情况下对尺寸进行初步检测。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，数控机床切削与在线测量与CAD/CAM系统的集成，可以实现加工过程的系统化、电脑化的目标，提升行业的形象和竞争力。在线测量过程中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校正。

为了减少废料，减少机器停机时间，提高小批量生产的生产率和灵活性，在预处理加工设置中，使用机床探头识别组件以选择正确的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程序，测量零件方向(相对于机床轴)以进行坐标旋转。另外，利用对刀仪，可以测量刀具长度，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，建立刀具直径补偿值。在过程监控方面，利用刀具探头软件规划测量路径。目的是确认中间加工后的预留量和精加工后的表面精度，并评估是否需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与曲面产生干扰，在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展望

无论是国防和航空航天、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，未来轻质、坚硬、耐高温的先进材料将得到广泛应用，传统的加工方法将不再适用。符合当前高产值、高精度、多样化、低劳动力需求的生产类型。五轴加工机与复合加工机的组合，将使单机的加工范围和种类最大化。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，还可以提供先进的材料加工技术，提高生产效率。这是一种高效率、高质量的发展模式，降低了人力管理成本。

通过CAD/CAM系统、虚实集成技术、复合工艺技术、智能自动过程控制技术的集成，航空航天零部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期，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削负荷提供了最佳的制造条件，发现了异常的根本原因，从而提高了制造效率和竞争力。