CNC5軸機(jī)床發(fā)展與飛機(jī)零部件加工

回顧過(guò)去，從10多年前在中國(guó)舉辦的中國(guó)國(guó)際機(jī)床展(CIMT)來(lái)看，CIMT9時(shí)，中國(guó)第一次展出一臺(tái)國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床，在CIMT 2001就展出12臺(tái)(其中國(guó)產(chǎn)的4臺(tái)，占1/3)，CIMT 2003則展出了多達(dá)36臺(tái)(其中國(guó)產(chǎn)的18臺(tái)，占1/2)五軸加工機(jī)床。

相隔2年展出的五軸機(jī)床，增加了2倍多，其中國(guó)產(chǎn)的則增加了3.5倍。

從在美國(guó)舉辦的國(guó)際機(jī)床展(IMTS)來(lái)看，如果說(shuō)，IMTS2000給人的印象只是“五軸加工機(jī)床展出明顯增加了”的話，那么IMTS 2002給人的感覺(jué)則是“幾乎所有展出的加工中心和數(shù)控銑床都可以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)和五面加工”了。

歐洲EMO 2003機(jī)床展更是令人感到“五軸加工機(jī)床普及化，生產(chǎn)實(shí)用化”了，可見(jiàn)五軸加工機(jī)床發(fā)展之快，變化之大。


從銷售市場(chǎng)看，據(jù)日本機(jī)床工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，1992年日本數(shù)控系統(tǒng)出廠的臺(tái)數(shù)為35,895臺(tái)，其中裝在4~5軸以上復(fù)合加工機(jī)床的為8,117臺(tái)，占全部的22.6%，而2001年數(shù)控系統(tǒng)出廠的臺(tái)數(shù)為42,899臺(tái)，其中用在4~5軸以上加工機(jī)床的就有13,143臺(tái)，占總數(shù)的30.1%。

誠(chéng)然，上述數(shù)據(jù)都不是十分具體明確，也不是很全面，或許可能缺乏足夠的說(shuō)服力。但它們畢竟是與五軸加工機(jī)床的發(fā)展有關(guān)系，因此我們至少?gòu)闹行岬搅诉@樣一點(diǎn)味道：

即五軸加工機(jī)床正大步迅速發(fā)展！這是值得我們認(rèn)真關(guān)注的一個(gè)動(dòng)向！

步入這個(gè)時(shí)代，中國(guó)的飛機(jī)制造業(yè)面臨前所未有的歷史契機(jī)，至少讓我們捕捉到這樣一點(diǎn)信息，飛機(jī)的高效制造是歷史賦予這個(gè)時(shí)代中國(guó)航空人的使命。


飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件以其結(jié)構(gòu)尺寸大、大量采用整體薄壁結(jié)構(gòu)，精度要求高等特點(diǎn)，加工起來(lái)簡(jiǎn)言之，薄、易變形，難切削。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件主要結(jié)構(gòu)形式分長(zhǎng)板型和框形零件兩類。
長(zhǎng)板型零件，如梁筋和壁板類零件，長(zhǎng)寬比大，內(nèi)、外緣為空間曲面；框形零件，如異型肋、支架或接頭等。主要為框形結(jié)構(gòu)，加工量大，材料利用率低，這就意味著材料被切除高，其毛坯為板材、鍛件和擠壓型材，材料為鋁合金件，不銹鋼和鈦合金。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件主要是機(jī)匣和葉片。
機(jī)匣有三類：對(duì)開(kāi)環(huán)形結(jié)構(gòu)、整體環(huán)形、異形殼體。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣是耐高溫的高強(qiáng)度鈦合金材料，前機(jī)匣溫度200°C~300°C，而后機(jī)匣則要耐更高溫度，屬難加工材料。



一臺(tái)15000千克推力的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣直徑達(dá)800mm，加工時(shí)間長(zhǎng)，提高加工效率很重要，對(duì)CNC機(jī)床提出了很高的要求。

粗加工采用重切削，所以，機(jī)床要有足夠的強(qiáng)度，對(duì)機(jī)床的非移動(dòng)部件要求有強(qiáng)大的穩(wěn)定剛性 ；精加工采用高速切削，又要求機(jī)床的移動(dòng)部件靈活且具有一定的剛性來(lái)保持精度。


葉片類加工分為兩部分，即渦輪葉片和葉輪（即整體葉盤(pán)）。
葉片材料為耐高溫的鈦合金材料，需用五軸聯(lián)動(dòng)加工中心加工葉片形面，銑削加工量很大，也可用仿形銑開(kāi)粗，用CNC五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)精光的加工策略。

葉根榫頭在發(fā)動(dòng)機(jī)中處于安裝和定位的作用，要求有良好的穩(wěn)定精度，加工則用拉床和強(qiáng)力磨床。

鋁合金件加工采用高速切削，要求使用高速機(jī)床，主軸轉(zhuǎn)速12000r/min~24000r/min以上，加速度2g左右，定位精度0.003mm，加工精度0.005mm~0.01mm，全行程內(nèi)精度0.015mm。

加工鈦合金、鋁鋰合金件要求機(jī)床具有足夠的扭矩和功率，屬于大扭矩強(qiáng)力切削，要求主軸轉(zhuǎn)速8000r/min左右，應(yīng)配備A/B擺角銑頭或A/C擺角銑頭。A/B擺角銑頭的剛性好，A/C擺角銑頭的剛性相對(duì)差些，五軸聯(lián)動(dòng)時(shí)擺角正負(fù)35°，機(jī)床定位精度0.002mm。

基于5軸CNC可以加工其它機(jī)床無(wú)法加工的盲點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)航空零部件又具有難定位，形狀奇異，盡量減少二次裝夾保證加工精度的要求，可以如是說(shuō)，CNC5軸數(shù)控機(jī)床是為其應(yīng)運(yùn)而生，亦可認(rèn)為在航空部件的高效加工方面二者的命運(yùn)已緊緊地綁在一起了。

三軸機(jī)床加工復(fù)雜曲面時(shí)，多采用球頭銑刀，球頭銑刀是以點(diǎn)接觸成形，且刀具/工件位姿角在加工過(guò)程中不能調(diào)，一般就很難保證用球頭銑刀上的最佳切削點(diǎn)(即球頭上線速度最高點(diǎn))進(jìn)行切削，由于其刀具相對(duì)于工件的位姿角在加工過(guò)程中不能變，自由曲面時(shí)就有可能產(chǎn)生過(guò)切或欠切。

如采用五軸機(jī)床加工，由于刀具/工件位姿角隨時(shí)可調(diào)，可以用線接觸成形的螺旋立銑刀來(lái)代替點(diǎn)接觸成形的球頭銑刀，甚至還可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化刀具/工件的位姿角來(lái)進(jìn)行銑削。

采用不變位姿角銑削葉片的表面粗糙度要比采用優(yōu)化位姿角銑削葉片的表面粗糙度低一級(jí)，而所用的時(shí)間，前者還比後者多30%～130%

用五軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床加工時(shí)，則由于刀具/工件的位姿角在加工過(guò)程中隨時(shí)可調(diào)整，就可以一次裝夾完成全部加工。