CNC5軸機床發(fā)展與飛機零部件加工

回顧過去，從10多年前在中國舉辦的中國國際機床展(CIMT)來看，CIMT9時，中國第一次展出一臺國產五軸聯(lián)動加工機床，在CIMT 2001就展出12臺(其中國產的4臺，占1/3)，CIMT 2003則展出了多達36臺(其中國產的18臺，占1/2)五軸加工機床。

相隔2年展出的五軸機床，增加了2倍多，其中國產的則增加了3.5倍。

從在美國舉辦的國際機床展(IMTS)來看，如果說，IMTS2000給人的印象只是“五軸加工機床展出明顯增加了”的話，那么IMTS 2002給人的感覺則是“幾乎所有展出的加工中心和數控銑床都可以實現五軸聯(lián)動和五面加工”了。

歐洲EMO 2003機床展更是令人感到“五軸加工機床普及化，生產實用化”了，可見五軸加工機床發(fā)展之快，變化之大。


從銷售市場看，據日本機床工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，1992年日本數控系統(tǒng)出廠的臺數為35,895臺，其中裝在4~5軸以上復合加工機床的為8,117臺，占全部的22.6%，而2001年數控系統(tǒng)出廠的臺數為42,899臺，其中用在4~5軸以上加工機床的就有13,143臺，占總數的30.1%。

誠然，上述數據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服力。但它們畢竟是與五軸加工機床的發(fā)展有關系，因此我們至少從中嗅到了這樣一點味道：

即五軸加工機床正大步迅速發(fā)展！這是值得我們認真關注的一個動向！

步入這個時代，中國的飛機制造業(yè)面臨前所未有的歷史契機，至少讓我們捕捉到這樣一點信息，飛機的高效制造是歷史賦予這個時代中國航空人的使命。


飛機結構零件以其結構尺寸大、大量采用整體薄壁結構，精度要求高等特點，加工起來簡言之，薄、易變形，難切削。

飛機結構零件主要結構形式分長板型和框形零件兩類。
長板型零件，如梁筋和壁板類零件，長寬比大，內、外緣為空間曲面；框形零件，如異型肋、支架或接頭等。主要為框形結構，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)動機關鍵件主要是機匣和葉片。
機匣有三類：對開環(huán)形結構、整體環(huán)形、異形殼體。

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



一臺15000千克推力的發(fā)動機機匣直徑達800mm，加工時間長，提高加工效率很重要，對CNC機床提出了很高的要求。

粗加工采用重切削，所以，機床要有足夠的強度，對機床的非移動部件要求有強大的穩(wěn)定剛性 ；精加工采用高速切削，又要求機床的移動部件靈活且具有一定的剛性來保持精度。


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

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

鋁合金件加工采用高速切削，要求使用高速機床，主軸轉速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，全行程內精度0.015mm。

加工鈦合金、鋁鋰合金件要求機床具有足夠的扭矩和功率，屬于大扭矩強力切削，要求主軸轉速8000r/min左右，應配備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差些，五軸聯(lián)動時擺角正負35°，機床定位精度0.002mm。

基于5軸CNC可以加工其它機床無法加工的盲點優(yōu)勢，同時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，CNC5軸數控機床是為其應運而生，亦可認為在航空部件的高效加工方面二者的命運已緊緊地綁在一起了。

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

如采用五軸機床加工，由于刀具/工件位姿角隨時可調，可以用線接觸成形的螺旋立銑刀來代替點接觸成形的球頭銑刀，甚至還可以通過進一步優(yōu)化刀具/工件的位姿角來進行銑削。

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，而所用的時間，前者還比後者多30%～130%

用五軸聯(lián)動的機床加工時，則由于刀具/工件的位姿角在加工過程中隨時可調整，就可以一次裝夾完成全部加工。