1 序言

航空航天制造業(yè)處于高性能加工技術(shù)的前沿領(lǐng)域，對機械零件的性能和精度提出了嚴格的要求，特別是在高溫、高壓等惡劣條件下使用的機械部件。這些部件的制造依賴(lài)于精確可靠的高性能加工技術(shù)，例如高速加工、多軸聯(lián)動(dòng)加工、微細加工和典型航空航天材料的加工。這些技術(shù)不僅提高了生產(chǎn)效率、降低了成本，而且保證了零件的質(zhì)量和性能。

在航空航天領(lǐng)域，關(guān)重件如葉輪、葉片、機匣和薄壁件等通常由高性能合金制造，其設計復雜，精度要求極高。此外，這些部件在加工時(shí)易變形，特別是薄壁件，因此高性能加工技術(shù)在制造這些關(guān)重件時(shí)十分重要。這些技術(shù)不僅能處理難加工材料，還能確保在極端工作環(huán)境和復雜設計要求下的產(chǎn)品質(zhì)量和性能，同時(shí)實(shí)現微米到納米級的加工精度，特別是在生產(chǎn)葉輪、葉片和機匣等關(guān)重件方面，展現了顯著(zhù)的優(yōu)勢。

綜上所述，高性能加工技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應用不僅提高了制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而且帶動(dòng)了新材料和創(chuàng )新設計的發(fā)展。這對于滿(mǎn)足航空航天制造業(yè)嚴格的標準和復雜的制造要求至關(guān)重要。

2 高性能加工技術(shù)內涵

高性能加工技術(shù)是一種工程技術(shù)，融合了高速加工技術(shù)（HSM）、多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)、微細加工技術(shù)和難加工材料工藝技術(shù)等關(guān)鍵要素，旨在提高材料加工效率、精度和性能，其框架如圖1所示。在航空航天領(lǐng)域，這些技術(shù)用于制造高要求零部件，以應對復雜性和可靠性要求，推動(dòng)著(zhù)該領(lǐng)域的制造技術(shù)不斷進(jìn)步。

圖1 高性能加工技術(shù)框架

2.1 高速加工技術(shù)

航空航天領(lǐng)域的高速加工技術(shù)在生產(chǎn)精密和復雜零件方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。其通過(guò)提高材料去除率和優(yōu)化加工路徑，縮短了生產(chǎn)周期，并提高了零件的表面質(zhì)量。高速銑削中，實(shí)心和可轉位球頭立銑刀在凸凹面及五軸數控銑床上加工復雜結構銑削操作如圖2所示，體現技術(shù)多樣性和復雜性。

圖2　不同工況下的銑削加工

2.2 多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)

在航空航天工業(yè)中，多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)，尤其是四軸和五軸數控機床的應用，顯著(zhù)提高了關(guān)重件生產(chǎn)效率和質(zhì)量，帶來(lái)了顯著(zhù)的革新。

在具體的應用研究方面，FAN等開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)門(mén)用于離心葉輪的五軸加工方法，該方法將葉輪分割成不同的區域，優(yōu)化刀具路徑以實(shí)現精確、高效的銑削。MHAMDI等開(kāi)發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機葉片Ti-6Al-4V多軸銑削動(dòng)態(tài)模型，在葉片制造中實(shí)現了更好的精度和表面質(zhì)量，解決了復雜的形狀和材料挑戰。陳凱航開(kāi)發(fā)了一種葉輪五軸聯(lián)動(dòng)數控加工的半實(shí)時(shí)速度規劃方法，有效提升了加工質(zhì)量和效率，滿(mǎn)足了工程實(shí)際需求。以半開(kāi)式整體葉輪為例，多軸聯(lián)動(dòng)加工現場(chǎng)及樣件如圖3所示。

圖3　多軸聯(lián)動(dòng)加工現場(chǎng)及樣件

此外，文豪等開(kāi)發(fā)了一種新方法，用于生成網(wǎng)格曲面加工的刀軸矢量，以提高多軸CNC切削加工的效率和精度。王博等開(kāi)發(fā)了一種多軸球頭銑削中切削刃微元點(diǎn)軌跡建模的方法。他們構建了一個(gè)集成刀具幾何特征的動(dòng)態(tài)模型，以準確預測銑削力。

多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應用日益廣泛，其對生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量的提升不可忽視。此技術(shù)的發(fā)展和應用為未來(lái)航空航天制造業(yè)的進(jìn)一步革新開(kāi)拓了新的道路。

2.3 微細加工技術(shù)

在航空航天領(lǐng)域，微細加工技術(shù)，尤其是微銑削、微電放電加工、激光微加工和超聲波加工，扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色。這些技術(shù)對于制造具有復雜形狀和高精度要求的微型部件具有關(guān)鍵性作用。

微銑削技術(shù)在制造高精度和復雜幾何形狀的微型部件中展現出優(yōu)勢。田璐等在最小切削厚度和切削力優(yōu)化方面取得了進(jìn)展，而LI等開(kāi)發(fā)了一種用于微銑刀的新型微納米復合陶瓷刀具材料Ti（C，N）/WC/ZrO₂，有效地提高了切削刀具的彎曲強度、韌性和硬度。此外，張欣欣等優(yōu)化鈦合金和不銹鋼等堅韌材料的高速微銑削切削參數，提高了這些難加工材料的表面質(zhì)量和加工效率。

激光微加工技術(shù)的發(fā)展顯著(zhù)提升了多種材料的局部加工性能，如CHAVOSHI的研究所示，通過(guò)高能激光束對多種材料進(jìn)行局部加工，提升了加工性能。肖強等利用飛秒激光加工成功制造了微納米結構。SUN等使用μCT檢測激光增材制造的Ti-6Al-4V中的空洞缺陷，為航空航天質(zhì)量保證提供了重要信息。

同時(shí)，超聲波加工技術(shù)也取得了重要進(jìn)展。彭振龍等開(kāi)發(fā)的高速超聲波動(dòng)式切削技術(shù)提高了難加工材料的切削速度和效率，而ZHAO等利用自行研制的基于工件振動(dòng)的RUVAG裝置，進(jìn)行了單CBN晶粒磨削試驗，旨在揭示徑向超聲振動(dòng)對CBN晶粒的材料去除機理和磨損性能。LIU等提出的超聲波輔助啄鉆（UPD）方法有效提高了CFRP/Ti層壓材料鉆孔效率和質(zhì)量。

微細加工切削技術(shù)的綜合應用不僅展現了各自獨特的優(yōu)勢，而且在高精度和復雜設計的微型部件制造中展現出巨大潛力。隨著(zhù)微細切削技術(shù)的不斷發(fā)展，其將繼續推動(dòng)航空航天領(lǐng)域及其他精密制造行業(yè)的進(jìn)步。

3 高性能加工技術(shù)應用案例

3.1 葉輪葉片多軸加工

以某航空整體葉輪五軸加工為例，預先考慮整體葉輪葉片的復雜表面幾何形狀的銑削方法，采用點(diǎn)銑法和側銑法。而后，考慮相鄰葉片精加工時(shí)刀具的選擇，避免過(guò)切和欠切，選用錐柄銑刀并結合CAD的距離分析功能進(jìn)行分析。接著(zhù)，通過(guò)PowerMill軟件的“葉盤(pán)”模式設計刀位軌跡。最后，為了保證五軸加工的安全可靠，通過(guò)仿真軟件VERICUT進(jìn)行整體葉輪加工仿真，確保加工安全可靠，滿(mǎn)足尺寸和精度要求。其關(guān)鍵問(wèn)題及方法總結如下。

1）保證整體葉輪加工效率和精度是加工技術(shù)的關(guān)鍵。在銑削加工時(shí)采用點(diǎn)銑法和側銑法，通過(guò)點(diǎn)接觸以及線(xiàn)接觸的接觸方式，沿葉片流線(xiàn)方向逐步走刀加工出葉片曲面。采用此加工方法后保證了加工效率和表面質(zhì)量。

2）防止在相鄰葉片精加工時(shí)刀具過(guò)切或欠切，結合錐柄立銑刀和CAD軟件分析，確定葉片最小間距，預留加工余量和刀軸擺動(dòng)角度，既提升了加工效率，又增強了刀具剛性。

3）合理設計刀位軌跡是多軸加工中的最重要的一步。使用PowerMill軟件的“葉盤(pán)”模塊，通過(guò)參數化設置和策略設計，構建輔助面，進(jìn)行碰撞和過(guò)切檢查等，從而制定出高效合理的刀位軌跡，并在后續實(shí)際加工中取得良好效果。

4）為確保五軸加工的安全性和可靠性，采用VERICUT仿真軟件模擬實(shí)際加工環(huán)境和工藝工裝，結合數控程序中的刀具軌跡，驗證加工整體葉輪的可行性。

3.2 發(fā)動(dòng)機機匣高硬度薄壁環(huán)形件加工

針對航空發(fā)動(dòng)機機匣薄壁異形結構安裝環(huán)在加工中易發(fā)生的變形、振動(dòng)和表面質(zhì)量問(wèn)題，采取多項措施預防變形。首先，增加粗銑工序以提前釋放加工應力。其次，運用彈性膜片結構的脹緊式工裝和擺線(xiàn)車(chē)加工方法，有效避免零件變形。最后，通過(guò)車(chē)削代替磨削來(lái)確保涂層的表面質(zhì)量和尺寸，從而解決加工中的關(guān)鍵問(wèn)題。其關(guān)鍵性問(wèn)題及方法總結如下。

1）減少后續加工過(guò)程中的應力和變形，提高整個(gè)制造過(guò)程的效率和質(zhì)量是關(guān)鍵。通過(guò)粗銑工序去除端面多余材料以釋放加工應力，減少變形，同時(shí)留下必要余量以便精加工。這一工序既提高了加工效率，又通過(guò)去應力退火降低了內應力，保證了零件的精度和質(zhì)量。

2）為了解決零件在加工過(guò)程中的嚴重變形問(wèn)題。通過(guò)設計特殊工裝和采用高效車(chē)削工藝（見(jiàn)圖4），有效控制加工過(guò)程中的變形，保障了加工精度和零件質(zhì)量。這種方法適用于類(lèi)似高硬度薄壁異形零件的加工，能夠提高加工效率，減少刀具磨損，同時(shí)確保涂層的表面質(zhì)量和尺寸。

圖4　夾具及擺線(xiàn)車(chē)削加工

3）為應對磨削工藝產(chǎn)生較大振動(dòng)導致涂層表面出現振動(dòng)痕跡，難以滿(mǎn)足表面粗糙度要求的問(wèn)題，改為采用車(chē)削工藝，利用專(zhuān)用車(chē)刀和合理加工參數進(jìn)行加工。相比砂輪磨削，車(chē)削涂層接觸面積更小，有效減少了振動(dòng)，提高了涂層的表面質(zhì)量和尺寸精度，滿(mǎn)足了制造要求。

4 結束語(yǔ)

本文對航空航天領(lǐng)域中的高性能加工技術(shù)進(jìn)行了全面的綜述，突出了這些技術(shù)在航空航天制造業(yè)中的重要作用。強調了高性能加工技術(shù)在提升關(guān)重件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量、保證極端條件下性能等方面的重要性，然后通過(guò)介紹具體的應用實(shí)例，展示了這些技術(shù)在提高加工精度、減少變形和振動(dòng)方面的顯著(zhù)優(yōu)勢。但在飛快發(fā)展的航空航天領(lǐng)域中，高性能加工技術(shù)仍面臨著(zhù)多重挑戰。未來(lái)的航空航天制造業(yè)將集中于整合創(chuàng )新技術(shù)，如數字孿生和智能制造，同時(shí)注重環(huán)境可持續性，推動(dòng)更環(huán)保的材料和工藝發(fā)展，更高效、智能和環(huán)保的技術(shù)將驅動(dòng)新時(shí)代的到來(lái)。