CNC5轴机床发展与飞机零部件加工

回顾过去，从10多年前在中国举办的中国国际机床展(CIMT)来看，CIMT9时，中国第一次展出一台国产五轴联动加工机床，在CIMT 2001就展出12台(其中国产的4台，占1/3)，CIMT 2003则展出了多达36台(其中国产的18台，占1/2)五轴加工机床。

相隔2年展出的五轴机床，增加了2倍多，其中国产的则增加了3.5倍。

从在美国举办的国际机床展(IMTS)来看，如果说，IMTS2000给人的印象只是“五轴加工机床展出明显增加了”的话，那么IMTS 2002给人的感觉则是“几乎所有展出的加工中心和数控铣床都可以实现五轴联动和五面加工”了。

欧洲EMO 2003机床展更是令人感到“五轴加工机床普及化，生产实用化”了，可见五轴加工机床发展之快，变化之大。


从销售市场看，据日本机床工业协会统计，1992年日本数控系统出厂的台数为35,895台，其中装在4~5轴以上复合加工机床的为8,117台，占全部的22.6%，而2001年数控系统出厂的台数为42,899台，其中用在4~5轴以上加工机床的就有13,143台，占总数的30.1%。

诚然，上述数据都不是十分具体明确，也不是很全面，或许可能缺乏足够的说服力。但它们毕竟是与五轴加工机床的发展有关系，因此我们至少从中嗅到了这样一点味道：

即五轴加工机床正大步迅速发展！这是值得我们认真关注的一个动向！

步入这个时代，中国的飞机制造业面临前所未有的历史契机，至少让我们捕捉到这样一点信息，飞机的高效制造是历史赋予这个时代中国航空人的使命。


飞机结构零件以其结构尺寸大、大量采用整体薄壁结构，精度要求高等特点，加工起来简言之，薄、易变形，难切削。

飞机结构零件主要结构形式分长板型和框形零件两类。
长板型零件，如梁筋和壁板类零件，长宽比大，内、外缘为空间曲面；框形零件，如异型肋、支架或接头等。主要为框形结构，加工量大，材料利用率低，这就意味着材料被切除高，其毛坯为板材、锻件和挤压型材，材料为铝合金件，不锈钢和钛合金。

航空发动机关键件主要是机匣和叶片。
机匣有三类：对开环形结构、整体环形、异形壳体。

航空发动机机匣是耐高温的高强度钛合金材料，前机匣温度200°C~300°C，而后机匣则要耐更高温度，属难加工材料。



一台15000千克推力的发动机机匣直径达800mm，加工时间长，提高加工效率很重要，对CNC机床提出了很高的要求。

粗加工采用重切削，所以，机床要有足够的强度，对机床的非移动部件要求有强大的稳定刚性 ；精加工采用高速切削，又要求机床的移动部件灵活且具有一定的刚性来保持精度。


叶片类加工分为两部分，即涡轮叶片和叶轮（即整体叶盘）。
叶片材料为耐高温的钛合金材料，需用五轴联动加工中心加工叶片形面，铣削加工量很大，也可用仿形铣开粗，用CNC五轴联动机精光的加工策略。

叶根榫头在发动机中处于安装和定位的作用，要求有良好的稳定精度，加工则用拉床和强力磨床。

铝合金件加工采用高速切削，要求使用高速机床，主轴转速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，全行程内精度0.015mm。

加工钛合金、铝锂合金件要求机床具有足够的扭矩和功率，属于大扭矩强力切削，要求主轴转速8000r/min左右，应配备A/B摆角铣头或A/C摆角铣头。A/B摆角铣头的刚性好，A/C摆角铣头的刚性相对差些，五轴联动时摆角正负35°，机床定位精度0.002mm。

基于5轴CNC可以加工其它机床无法加工的盲点优势，同时航空零部件又具有难定位，形状奇异，尽量减少二次装夹保证加工精度的要求，可以如是说，CNC5轴数控机床是为其应运而生，亦可认为在航空部件的高效加工方面二者的命运已紧紧地绑在一起了。

三轴机床加工复杂曲面时，多采用球头铣刀，球头铣刀是以点接触成形，且刀具/工件位姿角在加工过程中不能调，一般就很难保证用球头铣刀上的最佳切削点(即球头上线速度最高点)进行切削，由于其刀具相对于工件的位姿角在加工过程中不能变，自由曲面时就有可能产生过切或欠切。

如采用五轴机床加工，由于刀具/工件位姿角随时可调，可以用线接触成形的螺旋立铣刀来代替点接触成形的球头铣刀，甚至还可以通过进一步优化刀具/工件的位姿角来进行铣削。

采用不变位姿角铣削叶片的表面粗糙度要比采用优化位姿角铣削叶片的表面粗糙度低一级，而所用的时间，前者还比後者多30%～130%

用五轴联动的机床加工时，则由于刀具/工件的位姿角在加工过程中随时可调整，就可以一次装夹完成全部加工。