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航空發動機難加工材料關鍵數控技術及裝備

閱讀:1419          發布時間:2011-11-17

 

航空發動機難加工材料關鍵數控技術及裝備
  新型航空發動機零件的特點
  新型航空發動機關重零件越來越多地采用整體結構設計,并大量采用鈦合金、高溫合金等難加工材料。這些零件大多采用基于鍛造毛坯的整體式加工方式,零件數控加工過程呈現出加工精度要求高、切削過程材料去除量大、加工變形控制難度大等特點,對加工質量、變形控制和加工效率提出了很高的要求。
  新型航空發動機零件的特點突出體現在以下幾個方面:
  (1)零件的結構特點。
  隨著新型航空發動機推重比的提高,航空發動機產品的結構越來越復雜,技術要求越來越高,零件的壁厚設計得越來越薄。機匣、壓氣機風扇、整體葉盤等作為現代航空發動機的關鍵零件,越來越多地采用整體結構設計,零件的外廓尺寸也越來越大。
  (2)零件的材料特點。
  航空發動機機匣、盤軸等關重件大量采用鈦合金、高溫合金等難加工材料,材料變形屈服極限高,切削變形抗力大,導致切削力大、切削功率高,需要機床主軸有更大的扭矩和功率。
  (3)零件的毛坯特點。
  航空發動機機匣、壓氣機風扇、整體葉盤等關鍵零件毛坯均為整體模鍛件,由于零件外表面形狀復雜、結構特征較多,使得零件外輪廓極其復雜,目前的鍛造技術還無法達到小余量精化料的水平,造成鍛造毛坯余量大,而且余量分布極不均勻,材料切除率高達60%以上。
  (4)零件的加工特點。
  為滿足航空發動機長壽命、高可靠性要求,產品精度和表面質量控制要求極為嚴格。
  機匣、壓氣機風扇、整體葉盤等航空發動機關重件均采取了基于鍛造毛坯的整體式加工方式,加之設計精度和表面質量要求很高,導致加工周期較長。零件材料多為高溫合金、鈦合金等難加工材料,銑削后零件表面殘余應力較大,加工變形較為嚴重,對數控機床的精度和使用壽命影響極大。目前采取的數控加工方式大量占用關鍵數控設備,生產周期長,而且加工成本非常高。
  面向航空難加工材料的數控加工技術及裝備
  數控設備是生產工具,講究實用和經濟效益,機床的剛性、穩定性決定著機床的精度、持久性和可靠性等綜合技術指標,也決定著數控設備的適用范圍。從某種意義上講,基體不穩固、受環境因素影響較大的數控設備的精度不會維持太長的時間,尤其是加工航空難加工材料,數控設備精度的穩定性、可靠性和剛性極為重要。面向難加工材料的數控設備的主要要求如下:
  (1)多軸聯動。
  多軸聯動通常指的是四軸以上的機床運動方式,引入復合旋轉軸,即A軸、B軸和C軸。雙雙組合的多軸聯動可方便地解決復雜結構和型面的加工問題,如復雜空間曲面、復雜結構型腔以及多面體等的加工;在多軸聯動基礎上實現的復合數控加工可以大大縮短工件定位裝夾等輔助工作時間,能夠有效提高產品的加工效率,多軸聯動和復合加工在航空發動機整體葉盤、機匣、盤環等關重件生產中得到了廣泛應用。
  (2)大扭矩電主軸。
  近年來,高速切削機床在航空制造領域的應用越來越廣泛。電主軸的特點在于隨著轉速的提高,電主軸的扭矩和功率逐漸增大,直到達到zui大扭矩值和zui大功率,當轉速達到極限值后,主軸扭矩和功率反而開始下降;總地來說,高速范圍內的電主軸扭矩和主軸功率較大。對航空難加工材料來說,由于材料切削性能較差,切削抗力較大,目前切削速度一直處于低速水平,切削線速度通常介于20~80m/min之間,在這個范圍內,電主軸的扭矩遠遠小于機械主軸,電主軸沒有任何優勢。為突破在中低速范圍內高速電主軸功率和扭矩稍顯不足這一技術難題,德馬吉公司研制開發了專門面向難加工材料的航空大扭矩電主軸,配合高性能刀具系統,可以實現難加工材料高速切削加工,使得高速切削技術在航空難加工材料領域得到了有效突破。
  (3)高剛度。
  主軸系統、進給系統和機床結構應具有良好的靜態剛度、動態剛度和熱穩定性。足夠高的靜態剛度可以抵抗由于機床零部件重力和零件加工時的切削力引起的機床變形,保證刀具與工件在切削過程中的靜態位移;優良的動態特性可防止和減小切削過程中由于動態切削過程產生的強迫振動和自激振動,以滿足刀具與工件在切削過程中的動態位移要求;良好的熱穩定性使機床在加工過程中受到切削熱、環境溫度變化等作用時,熱變形盡量小。機床的高靜動態剛度和熱穩定性技術指標確保零件加工能夠獲得更好的表面質量和較高的材料去除率。
  (4)智能化。
  智能化是新一代數控機床的重要特征。智能化主要表現在兩個方面,一方面是機床控制的智能化,如在機床軸運動控制中引入前饋控制、預測控制、約束控制等*控制策略,在加工過程控制中引入自適應控制、學習控制等。另一方面是將專家系統、自動檢測及自動補償功能等嵌入數控系統,例如在數控系統中配備自動編程與仿真、機床狀態監測、故障診斷、刀具自動管理及補償、機床熱變形/振動監測與補償等功能,使數控機床具有更多的“智能”。
  (5)自適應技術。
  自適應技術已經逐漸用于數控機床,使得數控機床具備一定的智能性。具體表現就是,當切削余量大時,進給速度會自動減慢;當切削余量小時,進給速度會自動增快;帶來的好處是,不僅提質增效,而且保護機床。原理其實很簡單,在主軸電機上安裝電流偵測傳感器,將偵測信號實時反饋給數控系統,由數控系統依據電流狀況實時決定驅動軸速度的快慢。
  近年來,各數控系統制造商推出的系統都具有較好的刀具監控功能。如在西門子810/840D系統內就可以集成以色列OMAT公司的ACM自適應監控系統或德國的Artis自適應系統,能夠實時采樣機床主軸負載變化,記錄主軸切削負載,進給率變化、刀具磨損量等加工參數,并輸出數據、圖形至Windows用戶圖形界面。
  面向航空難加工材料的數控特種加工技術及裝備
  航空發動機機匣、壓氣機風扇、整體葉盤等關鍵零件大量采用粘性大、硬度高的高溫合金和鈦合金材料,往往需要去除較多的余量,由于金屬切削機床加工這些材料難度很大,效率低,刀具消耗大,設備昂貴,加工成本大,成為難加工材料制造中的“瓶頸”問題。如高溫合金整體機匣,加工余量多達幾十公斤,刀具費用高達數萬元,而且需占用價值上千萬的加工中心長達數十小時,生產周期長,制造成本高。
  隨著數控技術和特種加工技術的有機結合,多軸聯動數控電火花成型加工技術和電弧放電加工技術取得了重大突破,特種加工技術在航空制造業中凸顯出明顯的優勢。
  特種加工技術能夠解決一些采用金切機床等其他傳統加工方法難以加工的技術難題。如電加工無切削力,可以進行微細加工,可對硬度高、韌性大、粘性大的材料進行加工,如高溫耐熱合金、鈦合金等航空難加工材料,還可進行復雜型面的加工等。
  (1)多軸聯動數控電火花成型加工技術和電弧放電加工技術。
航空航天制造領域的很多零件加工不僅需要解決難加工材料的加工問題,而且要求能夠完成空間復雜結構和復雜型面的加工。
  多軸聯動數控電弧放電加工技術采用簡單的管狀電極,可以對難加工材料進行放電數控銑削加工。這種技術大大降低了難加工材料的加工成本,與刀具費用相比,損耗的電極費用只需幾十分之一。如某零件采用加工中心加工,刀具費用要3萬元左右,而采用該種放電銑加工,電極費用只需500~600元。多軸聯動數控電火花成型加工技術采用成型電極對零件加工盲區進行精細放電銑削加工,完成零件復雜型腔和復雜曲面的加工,解決機械加工無法完成的技術難題。
  (2)精細電解技術。
  數控電解加工技術綜合了計算機數控和電解加工兩者的技術優勢,具有多軸聯動數控加工的優點,適用加工范圍廣,可用于加工各類復雜結構、多品種、小批量、甚至單件試制產品的生產。精細電解作為一門嶄新的技術,加工原理有別于傳統的電化學加工技術。精細電解過程是增強型的ECM技術,通過減少工件和電極之間的距離和精密控制工件和電極之間的間距尺寸,有效提高了電極定位的準確性。為了保持電解質在狹窄的空隙中不斷更新流動,電極不斷顫動,電流以時鐘頻率計。與電解技術相比,材料去除率明顯減少,具有其他加工工藝*的技術優勢。
  精細電解技術的特點是,與電極加工相比具有非常小的加工尺寸偏差,能更大限度地去除材料。這樣在使被加工工件的形狀與陰極形狀保持一致性的同時也提高了加工精度。精細電解加工過程中不產生任何磨損電極的現象,由于間隙空間狹窄,必須保證交換電解質只提供電極,隨著同步振蕩運動,直流電脈沖即材料去除脈沖是疊加的,能夠去除零件表面材質zui細微的余量。精細電解的另一突出特點是電解去除量很少,并通過電解液循環處理器解決了電解液的污染問題,在難加工材料精細加工領域具有非常廣泛的應用前景。
  面向航空難加工材料的*制造技術
  (1)虛擬加工技術。
  在實際零件加工之前,在虛擬環境中考慮機床運動學、動力學、數控系統、空間精度、切削力、主軸轉矩/功率、加工誤差等,實現對加工過程的仿真和優化,從而可以正確、經濟和地加工出*合格零件。虛擬加工的本質可以認為是對數控加工過程進行幾何仿真和力學仿真,并在兩個仿真的基礎上優化數控加工切削參數和過程。CAM 仿真軟件、虛擬機床和切削過程動力學是虛擬加工的重要支持工具。
  采用CAM仿真軟件對NC程序進行走刀軌跡仿真校驗、干涉校驗等的幾何仿真軟件已商品化,并在國內制造企業大量應用。當前,虛擬數控加工研究的重點是對切削過程中“機床+工件+工藝(切削過程)”系統中的力學仿真問題。
  (2)高速切削技術。
  高速切削(HSM或HSC)是20世紀90年代迅速走向實際應用的*加工技術。高速銑削一般采用高的切削速度、適當的進給量、小的徑向和軸向銑削深度,銑削時大量的銑削熱被切屑帶走,因此,工件的表面溫度較低。隨著銑削速度的提高,銑削力略有下降,表面質量提高,加工生產率隨之增加。但在高速加工范圍內,銑削速度的提高會加劇刀具的磨損。
  從理論上講,高速切削技術可用于鈦合金、高溫合金等航空難加工材料,但由于難加工材料的切削抗力遠遠大于其他材料,常規意義上的高速切削技術到目前為止還很難在難加工材料領域得到普及。國外采用韌性好的刀具,通過消除加工硬化現象的加工工藝有效地解決這一難題。隨著這一全新切削方法的出現,通過系統地改進刀具、加工工藝和機床的性能,可以有效解決難加工材料高速切削應用的技術瓶頸。
  (3)插銑工藝。
  插銑是實現高切除率金屬切削zui有效的加工方法之一,插銑加工的進給速度相對較低。對于航空難加工材料零件的曲面加工、深槽加工,以及由于結構復雜刀具懸伸較長的零件加工,插銑法的加工效率要遠遠高于常規的銑削方法,采用插銑法可使加工時間至少縮短一半以上。
  (4)擺線加工工藝。
  在高速設備上采用擺線加工是一種很好的方法,尤其對于難加工材料的航空產品,擺線加工有著其他工藝方法無法替代的優勢。擺線加工的優點表現在以下幾個方面:
  •能夠大范圍地去除毛坯材料,大大縮短粗加工用時,提高機床切削效率;
  •經過圓角化處理的整個刀軌變成一條一階導數光滑連續的曲線;
  •對于高硬材料的窄槽和型腔加工,有較大優勢。
  采用擺線式的高速加工過程,刀具始終處于動態的切削狀態,刀體沿周邊受力均勻,因此,刀具疲勞破壞的可能性就非常小;刀具向前切削材料的同時也伴隨著向后的空走刀,這樣刀具有充分的時間冷卻,同時,還能自動帶走切屑,從而大大改善切削條件,提高刀具壽命。
  (5)高性能刀具。
  航空航天及軍工產品類零件廣泛采用難加工材料,在過去的幾年中,隨著航空材料的價格飛漲,使得材料成本在“利-損”方程中占據越來越大比例。為降低成本并保持競爭力,必須更快速地切削那些難加工材料以加快生產速度,這樣就意味著除了加工設備的高速化、工藝的優化以外還需要更為耐用和更為適合加工難加工材料的刀具。如刀具采用變螺旋角設計來打破加工中產生的諧振現象,刀具表面采用特殊涂層來分散熱量;使用該刀具結合仿形銑加工和薄化切削減輕切削刃與工件的接觸獲得了較大的切削深度,突破了高溫合金材料切削速度無法突破中低速的限制,進給速率達到了800~1000m/min,刀具耐用度遠遠優于其他相同規格的硬質合金刀具。
  (6)智能化網絡控制技術。
  智能化網絡控制技術,提供了基礎的數據和數據傳輸通道,加上專門開發的軟件,對各個加工設備實時動態數據的收集和分析,為管理者提供了科學準確的決策依據,從而對生產過程中的設備、人員、刀夾具、程序和計劃等要素進行實時調度和控制,同時發現和解決生產中的各種問題。當生產線中的設備出現問題的時候,管理人員可以通過網絡*時間得到設備故障信息,迅速準確地處理問題。采集加工過程中與切削有關的各種參數,建立切削參數數據庫,方便共享經驗資源。
  結束語
  隨著航空發動機的材料性能不斷提高,加工技術及裝備的改進和提升是必然的趨勢,難加工材料數控加工技術及其裝備已成為航空發動機制造業廣為關注的問題。關注難加工材料數控加工技術及其裝備的發展,不僅是航空發動機制造業發展戰略的需要,更是航空發動機制造業技術能力快速提升的關鍵。

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