葉片作為實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵零部件，具有薄壁異形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料難加工、加工精度與表面質(zhì)量要求高等典型特點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)葉片的精密高效加工是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。通過(guò)對(duì)影響葉片加工精度關(guān)鍵因素的分析，全面總結(jié)了葉片精密加工工藝及裝備的研究現(xiàn)狀，并對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)做了展望。
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序言
在航空航天產(chǎn)業(yè)中，輕質(zhì)高強(qiáng)的薄壁零件被廣泛地使用，是實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)等重要裝備性能的關(guān)鍵零部件[1]。例如，大涵道比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金風(fēng)扇葉片（見圖1）長(zhǎng)度可達(dá)到1m，具有復(fù)雜的葉身型面和阻尼臺(tái)結(jié)構(gòu)，而最薄部位的厚度僅有1.2mm，屬于典型的大尺寸薄壁異形零件[2]。葉片作為典型的薄壁異形弱剛性零件，在加工過(guò)程中容易出現(xiàn)加工變形和振顫問題[3]，這些問題嚴(yán)重影響葉片的加工精度和表面質(zhì)量。
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發(fā)動(dòng)機(jī)的性能很大程度上取決于葉片的制造水平，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中葉片需要在高溫高壓等極端運(yùn)行環(huán)境下穩(wěn)定工作，這要求葉片材料必須具備良好的強(qiáng)度、疲勞抗力以及耐高溫腐蝕能力，并保證組織穩(wěn)定性[2]。通常，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片會(huì)使用鈦合金或者高溫合金材料。但是，鈦合金與高溫合金的切削加工性差，切削過(guò)程中切削力大、刀具磨損快，隨著刀具磨損程度加劇，切削力會(huì)進(jìn)一步增大，導(dǎo)致加工變形和振動(dòng)更加嚴(yán)重，造成零件加工的尺寸精度低、表面質(zhì)量差。為滿足極端工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的服役性能要求，葉片的加工精度和表面質(zhì)量要求極高。以國(guó)產(chǎn)某型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)使用的鈦合金風(fēng)扇葉片為例，葉片總長(zhǎng)度達(dá)到681mm，而厚度則＜6mm，型面輪廓度要求－0.12～+0.03mm，進(jìn)排氣邊尺寸精度要求－0.05～+0.06mm，葉身截面扭轉(zhuǎn)誤差±10′以內(nèi)，表面粗糙度值R a優(yōu)于0.4μm。這通常需要在五軸數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行精密加工。然而，由于葉片自身剛性弱、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且材料難加工，為了保證加工的精度與質(zhì)量，工藝人員不得不在加工過(guò)程中對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整，這嚴(yán)重限制了數(shù)控加工中心的性能發(fā)揮，造成了巨大的效率浪費(fèi)[4]。因此，在數(shù)控加工技術(shù)快速發(fā)展的今天，如何實(shí)現(xiàn)薄壁零件加工變形控制和振動(dòng)抑制，充分發(fā)揮數(shù)控加工中心的加工能力，已成為先進(jìn)制造企業(yè)的迫切需求。
對(duì)薄壁弱剛性零件變形控制技術(shù)的研究從很早就引起了工程師和研究者的關(guān)注。在早期的生產(chǎn)實(shí)踐中，人們常用在薄壁結(jié)構(gòu)兩側(cè)進(jìn)行交替銑削的水線策略[5]，這在一定程度上可以簡(jiǎn)便地減弱變形和振動(dòng)對(duì)尺寸精度帶來(lái)的不良影響。此外，還有通過(guò)設(shè)置加強(qiáng)筋等預(yù)制犧牲結(jié)構(gòu)的方式來(lái)提高加工剛度[6]。
本文將首先對(duì)葉片常用難加工材料的切削技術(shù)發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)述；其次，全面總結(jié)國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片精密加工工藝以及數(shù)控智能工藝裝備的相關(guān)研究成果；最后，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)做展望。
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難加工材料切削技術(shù)
為了滿足在高溫高壓環(huán)境下的穩(wěn)定服役要求，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片常用材料為鈦合金或高溫合金，近年來(lái)，鈦鋁金屬間化合物也成為一種極有應(yīng)用潛力的葉片材料。鈦合金具有導(dǎo)熱性低、塑性低、彈性模量低以及親合力強(qiáng)等特點(diǎn)，使其切削過(guò)程中出現(xiàn)切削力大、切削溫度高、加工硬化嚴(yán)重和刀具磨損大等問題，是典型的難加工材料（微觀組織形貌見圖2a）[7]。高溫合金的主要特點(diǎn)是塑性及強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性差，并且內(nèi)部含有大量致密的固溶體[8]。在切削過(guò)程中塑性變形使得晶格嚴(yán)重扭曲，變形抗力大，導(dǎo)致切削力大并伴隨嚴(yán)重的冷硬現(xiàn)象，也是典型的難加工材料（微觀組織形貌見圖2b）。因此，研發(fā)鈦合金與高溫合金等難加工材料的高效精密切削技術(shù)至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)難加工材料的高效精密加工，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從創(chuàng)新切削加工方法、優(yōu)選加工刀具材料以及優(yōu)化切削參數(shù)等方向進(jìn)行深入研究。
2.1 切削加工方法創(chuàng)新
在切削加工方法的創(chuàng)新研發(fā)方面，學(xué)者們通過(guò)引入激光加熱、低溫冷卻等輔助手段，改善材料的可加工性，實(shí)現(xiàn)高效切削加工。激光加熱輔助加工[9]（見圖3a）的工作原理是將高功率激光束聚焦到切削刃前的工件表面，通過(guò)光束局部加熱的方式軟化材料，降低材料的屈服強(qiáng)度，從而降低切削力和減小刀具磨損，提升切削加工的質(zhì)量和效率。
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低溫冷卻輔助加工[10]（見圖3b）則是使用液氮、高壓二氧化碳?xì)怏w等冷卻介質(zhì)噴涂到切削部位，對(duì)切削加工過(guò)程進(jìn)行冷卻，避免因?yàn)椴牧蠈?dǎo)熱性能差引起的局部切削溫度過(guò)高問題，還使得工件局部冷脆，增強(qiáng)斷屑效果。英國(guó)的Nuclear AMRC公司成功使用高壓二氧化碳?xì)怏w對(duì)鈦合金的加工過(guò)程進(jìn)行冷卻，與干切削狀態(tài)對(duì)比分析表明，低溫冷卻輔助加工不僅能夠降低切削力，提高切削加工表面的質(zhì)量，還能有效減小刀具磨損，增長(zhǎng)刀具的使用壽命。此外，超聲振動(dòng)輔助加工[11，12]（見圖3c）也是難加工材料高效切削加工的有效方法。通過(guò)在刀具上施加高頻、微小幅度的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中刀具與工件之間發(fā)生間斷性分離，改變了材料去除機(jī)理，增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)切削的穩(wěn)定性，有效避免刀具與已加工表面間的摩擦，降低切削溫度和切削力，降低表面粗糙度值，減小刀具磨損，其優(yōu)良的工藝效果已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注。
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2.2 刀具材料的選用
對(duì)于鈦合金等難加工材料，優(yōu)選刀具材料可以有效改善切削加工效果[8，13]。研究表明，對(duì)于鈦合金加工，根據(jù)加工速度可以選擇不同刀具進(jìn)行加工，低速切削采用高鈷高速鋼加工，中速切削采用帶有三氧化二鋁涂層的硬質(zhì)合金刀具，高速切削采用立方氮化硼（CBN）刀具；對(duì)于高溫合金加工，應(yīng)選用硬度高、耐磨性好的高釩高速鋼或YG硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工。
2.3 優(yōu)選切削參數(shù)
切削參數(shù)同樣是影響加工效果的重要因素，對(duì)應(yīng)材料使用合適的切削參數(shù)加工能夠有效提高加工質(zhì)量與效率。以切削速度參數(shù)為例，切削速度低容易在材料表面形成積屑瘤區(qū)，降低表面加工精度；切削速度高容易發(fā)生熱量積聚，引起工件和刀具的燒傷。對(duì)此，哈爾濱理工大學(xué)翟元盛教授團(tuán)隊(duì)分析常用難加工材料的機(jī)械物理性質(zhì)，通過(guò)正交加工試驗(yàn)總結(jié)出難加工材料切削速度推薦表[14]（見表1），使用表中推薦的刀具和切削速度進(jìn)行加工能夠有效減小加工缺陷與刀具磨損，提高加工質(zhì)量。
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葉片復(fù)雜曲面的精密數(shù)控加工工藝
近年來(lái)，隨著航空產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，市場(chǎng)需求攀升，使得薄壁葉片的高效精密加工要求日益提高，對(duì)更高精度的變形控制技術(shù)的需求更加迫切。在智能制造技術(shù)背景下，結(jié)合現(xiàn)代電子信息技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工變形和振動(dòng)的智能控制，是許多研究人員的關(guān)注熱點(diǎn)。將智能數(shù)控系統(tǒng)引入葉片復(fù)雜曲面的精密加工工藝，基于智能數(shù)控系統(tǒng)對(duì)加工過(guò)程的誤差進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償，可有效抑制變形與振動(dòng)。
對(duì)于加工過(guò)程中的主動(dòng)誤差補(bǔ)償，為了實(shí)現(xiàn)刀具路徑等加工參數(shù)的優(yōu)化調(diào)控，需要首先得到工藝參數(shù)對(duì)加工變形和振動(dòng)的影響關(guān)系。常用的手段有兩種：一是通過(guò)在機(jī)測(cè)量及誤差分析對(duì)每次走刀的結(jié)果進(jìn)行分析和推理[15]；二是通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析[16]、有限元建模[17]、試驗(yàn)[18]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[19]等方法建立加工變形和振動(dòng)的預(yù)測(cè)模型（見圖4）。
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基于上述的預(yù)測(cè)模型或在機(jī)測(cè)量技術(shù)，人們能夠?qū)庸?shù)進(jìn)行優(yōu)化甚至是實(shí)時(shí)調(diào)控。主流的方向是通過(guò)刀具路徑的重新規(guī)劃來(lái)對(duì)變形和振動(dòng)造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。這一方向常用的方法是“鏡像補(bǔ)償法”[20]（見圖5），該方法通過(guò)對(duì)名義刀具軌跡進(jìn)行修正，補(bǔ)償單次切削的變形量。但是單次補(bǔ)償會(huì)產(chǎn)生新的加工變形，因此需要通過(guò)多次補(bǔ)償在切削力和加工變形之間建立迭代關(guān)系，逐次修正變形量。除了基于刀具路徑規(guī)劃進(jìn)行主動(dòng)誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ?，許多學(xué)者也在研究通過(guò)優(yōu)化調(diào)控切削參數(shù)、刀具參數(shù)等方式來(lái)控制變形和振動(dòng)。對(duì)于某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的切削加工，改變加工參數(shù)進(jìn)行多輪正交試驗(yàn)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析各切削參數(shù)、刀具參數(shù)對(duì)葉片加工變形、振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律[21-23]，建立經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，從而優(yōu)選加工參數(shù)，有效減小
加工變形、抑制切削振顫。
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基于上述模型與方法，許多企業(yè)研發(fā)或改進(jìn)了數(shù)控加工中心的數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)薄壁零件加工參數(shù)的實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)控。以色列OMAT公司的優(yōu)銑系統(tǒng)[24]是這一領(lǐng)域的典型代表，主要是通過(guò)自適應(yīng)技術(shù)調(diào)整進(jìn)給速度，達(dá)到恒力銑削的目的，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品高效率高質(zhì)量加工。此外，北京精雕通過(guò)在機(jī)測(cè)量自適應(yīng)補(bǔ)償完成蛋殼表面圖案雕刻的經(jīng)典技術(shù)案例也應(yīng)用了類似的技術(shù)[25]。美國(guó)G E公司的THERRIEN[26]提出了加工過(guò)程中數(shù)控加工代碼實(shí)時(shí)修正方法，為復(fù)雜薄壁葉片的自適應(yīng)加工和實(shí)時(shí)調(diào)控提供了基礎(chǔ)技術(shù)手段。歐盟航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件自動(dòng)化修復(fù)系統(tǒng)（AROSATEC）在葉片進(jìn)行增材修復(fù)后實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)精密銑削加工，已應(yīng)用于德國(guó)MTU公司及愛爾蘭SIFCO公司的葉片修復(fù)生產(chǎn)[27]。
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基于智能工藝裝備的加工剛度提升
使用智能化工藝裝備提高工藝系統(tǒng)剛度、改善阻尼特性，同樣是抑制薄壁葉片加工變形振動(dòng)以及提高加工精度、改善表面質(zhì)量的有效方法。近幾年，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)各類葉片的加工工藝中，大量不同的工藝裝備得到應(yīng)用[28]。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片普遍具有薄壁異形的結(jié)構(gòu)特征，裝夾定位區(qū)域小，加工剛度低，在切削載荷作用下會(huì)出現(xiàn)局部變形，因此，葉片加工工藝裝備通常在滿足六點(diǎn)定位原理的基礎(chǔ)上對(duì)工件施加輔助支撐[29]，以優(yōu)化工藝系統(tǒng)剛性、抑制加工變形。薄壁異形曲面對(duì)工裝的定位與裝夾提出了兩點(diǎn)要求：一是工裝的夾緊力或接觸力應(yīng)在曲面上盡可能均勻分布，以避免工件在夾緊力作用下出現(xiàn)嚴(yán)重局部變形；二是工裝的定位、夾緊和輔助支撐元件需要較好地配合工件的復(fù)雜曲面，以在每個(gè)接觸部位產(chǎn)生均勻的面接觸力。針對(duì)這兩點(diǎn)要求，學(xué)者提出了柔性工裝系統(tǒng)。柔性工裝系統(tǒng)可以分為相變?nèi)嵝怨ぱb和自適應(yīng)柔性工裝。相變?nèi)嵝怨ぱb利用流體相變前后的剛度和阻尼變化：處于液態(tài)相或流動(dòng)相的流體剛度和阻尼較低，可以在低壓作用下適應(yīng)工件的復(fù)雜曲面，之后利用電/磁/熱等外界作用使流體轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)相或固結(jié)，剛度和阻尼大幅提高，從而為工件提供均勻柔順的支撐，起到抑制變形和振動(dòng)的作用。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片傳統(tǒng)加工工藝中的工藝裝備是使用低熔點(diǎn)合金等相變材料進(jìn)行填充輔助支撐，即對(duì)工件毛坯進(jìn)行六點(diǎn)定位夾持后，將工件的定位基準(zhǔn)通過(guò)低熔點(diǎn)合金澆注成為一個(gè)澆注塊，對(duì)工件進(jìn)行輔助支撐，并且把復(fù)雜的點(diǎn)定位轉(zhuǎn)換成規(guī)則的面定位，進(jìn)而進(jìn)行待加工部位的精密加工（見圖6）。這種工藝方法存在明顯的缺陷：定位基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致定位精度下降；生產(chǎn)準(zhǔn)備復(fù)雜、低熔點(diǎn)合金的澆注和融化也帶來(lái)了工件表面的殘留和清理問題，同時(shí)澆注和融化的工況也比較惡劣[30]。為了解決上述工藝缺陷，常用的方法是引入一種多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)與相變材料相結(jié)合[31]，支撐結(jié)構(gòu)上端與工件接觸進(jìn)行定位，下端浸入低熔點(diǎn)合金腔室中，基于低熔點(diǎn)合金的相變特性實(shí)現(xiàn)柔性輔助支撐。雖然引入支撐結(jié)構(gòu)能夠避免低熔點(diǎn)合金接觸葉片產(chǎn)生的表面缺陷，但是受到相變材料的性能限制，相變?nèi)嵝怨ぱb無(wú)法同時(shí)滿足高剛度和高響應(yīng)速度兩大需求，難以應(yīng)用于高效率自動(dòng)化生產(chǎn)當(dāng)中。
為了解決相變?nèi)嵝怨ぱb存在的弊端，眾多學(xué)者將自適應(yīng)理念融入柔性工裝的研發(fā)設(shè)計(jì)中。自適應(yīng)柔性工裝能夠通過(guò)機(jī)電系統(tǒng)來(lái)自適應(yīng)匹配復(fù)雜葉身形狀和可能存在的形狀誤差。為保證接觸力在整個(gè)葉身均勻分布，工裝通常使用多點(diǎn)輔助支撐形成支撐矩陣。清華大學(xué)王輝團(tuán)隊(duì)提出了一種適用于近凈成形葉片加工的多點(diǎn)柔性輔助支撐工藝裝備[32，33]（見圖7）。該工裝采用多個(gè)柔性材料夾緊元件對(duì)近凈成形葉片的葉身曲面進(jìn)行輔助支撐，提高了每個(gè)接觸區(qū)域的接觸面積，保證夾緊力在每個(gè)接觸部位以及整個(gè)葉身上的均勻分布，從而提高工藝系統(tǒng)剛度，有效地防止葉片的局部變形。該工裝具有多個(gè)被動(dòng)自由度，在避免過(guò)定位的同時(shí)能夠自適應(yīng)匹配葉身形狀及其誤差。
除了通過(guò)柔性材料實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)支撐外，電磁感應(yīng)原理也應(yīng)用于自適應(yīng)柔性工裝的研發(fā)。北京航空航天大學(xué)楊毅青團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種基于電磁感應(yīng)原理的輔助支撐裝置[34]。該工裝使用由電磁信號(hào)激勵(lì)的柔性輔助支撐，能夠改變工藝系統(tǒng)阻尼特性。在裝夾過(guò)程中，輔助支撐在永磁鐵作用下自適應(yīng)匹配工件形狀。在加工過(guò)程中，工件產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)傳遞到輔助支撐上，根據(jù)電磁感應(yīng)原理激發(fā)反向電磁力，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁工件加工振動(dòng)的抑制。
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目前在工藝裝備設(shè)計(jì)過(guò)程中，普遍使用有限元分析、遺傳算法等手段來(lái)優(yōu)化多點(diǎn)輔助支撐的布局[35]，但是優(yōu)化的結(jié)果通常只能保證在一點(diǎn)上的加工變形量達(dá)到最小，而并不能保證在其他加工部位也能起到同等的抑制變形效果。在葉片加工過(guò)程中，通常在同一機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行一系列的走刀加工，但加工不同部位的裝夾需求是不同的，甚至可能是時(shí)變的。對(duì)于靜態(tài)多點(diǎn)支撐方法，如果通過(guò)增加輔助支撐的數(shù)量來(lái)提高工藝系統(tǒng)剛度，一方面會(huì)增大工裝的質(zhì)量和體積，另一方面也壓縮了刀具的運(yùn)動(dòng)空間。而如果在加工不同部位時(shí)重新設(shè)置輔助支撐的位置，則必然會(huì)中斷加工過(guò)程，降低加工效率。因此，根據(jù)加工過(guò)程自動(dòng)在線調(diào)節(jié)支撐布局和支撐力的隨動(dòng)工藝裝備[36-38]被提出。隨動(dòng)工藝裝備（見圖8）能夠在任一加工工序開始前，基于時(shí)變切削過(guò)程的刀具軌跡與工況轉(zhuǎn)變，通過(guò)刀具與工裝的協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)支撐：先將輔助支撐移動(dòng)到有助于抑制當(dāng)前加工變形的位置，使工件的加工區(qū)域受到積極支撐，而工件其他部位在盡可能少的接觸下保持定位不變，從而匹配加工過(guò)程中時(shí)變的裝夾需求。
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為了進(jìn)一步提升工藝裝備的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)支撐能力，匹配加工過(guò)程中更復(fù)雜的裝夾需求，提高葉片加工生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，將隨動(dòng)輔助支撐拓展為多個(gè)動(dòng)態(tài)輔助支撐形成的群，要求各個(gè)動(dòng)態(tài)輔助支撐協(xié)調(diào)行動(dòng)，根據(jù)制造過(guò)程的時(shí)變要求，自動(dòng)快速重構(gòu)支撐群與工件的接觸，并且重構(gòu)過(guò)程不干擾整個(gè)工件的定位、不引起局部位移或振動(dòng)，基于這一概念的工藝裝備稱為自重構(gòu)群夾具[39]，具有靈活性、可重構(gòu)性和自主性的優(yōu)點(diǎn)。
自重構(gòu)群夾具能夠根據(jù)制造過(guò)程的需求將多個(gè)輔助支撐分配到待支撐表面的不同位置，能夠適應(yīng)較大面積的復(fù)雜形狀工件，在保證足夠剛度的同時(shí)消除冗余支撐。夾具的工作方法是控制器按照編定的程序發(fā)送指令，移動(dòng)基座按照指令將支撐元件帶到目標(biāo)位置，支撐元件自適應(yīng)工件局部幾何形狀實(shí)現(xiàn)順應(yīng)支撐。單個(gè)支撐元件與工件局部的接觸區(qū)域的動(dòng)力學(xué)特性（剛度和阻尼）可通過(guò)改變支撐元件的參數(shù)進(jìn)行控制（例如，對(duì)液壓支撐元件通?？筛淖冚斎氲囊簤毫亩淖兘佑|特性）。工藝系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性由多個(gè)支撐元件與工件的接觸區(qū)域的動(dòng)力學(xué)特性耦合而成，與每個(gè)支撐元件的參數(shù)、支撐元件群的布局有關(guān)。
對(duì)于自重構(gòu)群夾具的多點(diǎn)支撐重構(gòu)的方案設(shè)計(jì)需要考慮以下三個(gè)問題：適應(yīng)工件的幾何形狀、支撐元件快速重新定位、多點(diǎn)支撐協(xié)調(diào)配合[40]。因此，自重構(gòu)群夾具在使用時(shí)，需要以工件形狀、載荷特性及固有邊界條件為輸入，求解不同加工狀態(tài)下的多點(diǎn)支撐布局與支撐參數(shù)，規(guī)劃多點(diǎn)支撐移動(dòng)路徑，將求解結(jié)果生成控制代碼，導(dǎo)入控制器。
目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均在自重構(gòu)群夾具方面進(jìn)行了一些研究與嘗試。國(guó)外方面，歐盟項(xiàng)目SwarmItFIX開發(fā)了一種新的高度適應(yīng)性自重構(gòu)夾具系統(tǒng)[41]，該系統(tǒng)使用一組移動(dòng)輔助支撐在工作臺(tái)上自由移動(dòng)并實(shí)時(shí)重新定位，以更好地支撐加工零件。SwarmItFIX系統(tǒng)的原型已在該項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)（見圖9a），并在一家意大利飛機(jī)制造商的場(chǎng)地上進(jìn)行了測(cè)試。國(guó)內(nèi)則是有清華大學(xué)王輝團(tuán)隊(duì)制作了一種可與機(jī)床協(xié)同控制的四點(diǎn)裝夾支撐工作臺(tái)[42]（見圖9b），可以在渦輪葉片榫根的精加工過(guò)程中對(duì)處于懸臂狀態(tài)的榫根進(jìn)行支撐以及自動(dòng)刀具避讓。在加工過(guò)程中，四點(diǎn)輔助支撐與數(shù)控加工中心協(xié)同配合，根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)位置重構(gòu)四點(diǎn)接觸狀態(tài)，既避免了刀具與輔助支撐相互干涉，又保證了支撐效果。
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未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)討論
5.1 新型材料
隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比設(shè)計(jì)要求的不斷提高，零件數(shù)量逐漸減少，零件的應(yīng)力水平越來(lái)越高，傳統(tǒng)的兩種主要高溫結(jié)構(gòu)材料的使用性能已經(jīng)到了其極限水平。近幾年，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片新型材料發(fā)展迅速，越來(lái)越多性能優(yōu)良的材料被用來(lái)制作薄壁葉片，其中γ-TiAl合金[43]具備比強(qiáng)度高、耐高溫和抗氧化性好等優(yōu)良性能的同時(shí)，密度是3.9g/cm3，僅為高溫合金的一半，未來(lái)作為700～800℃承溫區(qū)間的葉片很有潛力。盡管γ-TiAl合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能，但是其硬度大、熱導(dǎo)率低、斷裂韌度低以及脆性大等特征，導(dǎo)致γ-TiAl合金材料切削加工表面完整性差，精度低，嚴(yán)重影響零件的使用壽命，因此γ-TiAl合金的加工研究具有重要的理論意義與價(jià)值，是當(dāng)前葉片加工技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。
氧化性好等優(yōu)良性能的同時(shí)，密度是3.9g/cm3，僅為高溫合金的一半，未來(lái)作為700～800℃承溫區(qū)間的葉片很有潛力。盡管γ-TiAl合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能，但是其硬度大、熱導(dǎo)率低、斷裂韌度低以及脆性大等特征，導(dǎo)致γ-TiAl合金材料切削加工表面完整性差，精度低，嚴(yán)重影響零件的使用壽命，因此γ-TiAl合金的加工研究具有重要的理論意義與價(jià)值，是當(dāng)前葉片加工技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。
5.2 時(shí)變自適應(yīng)加工
航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片曲面復(fù)雜并且形狀精度要求高，其精密加工目前主要采用基于路徑規(guī)劃、模型重構(gòu)的幾何自適應(yīng)加工方法，該方法能有效減小定位、裝夾等產(chǎn)生的誤差對(duì)葉片加工精度的影響。但是，由于模鍛葉片毛坯的余量厚度不均勻，導(dǎo)致刀具在按照規(guī)劃路徑進(jìn)行切削加工的過(guò)程中，不同區(qū)域的切削深度不同，為切削加工帶來(lái)不確定因素，影響加工穩(wěn)定性。未來(lái)，在數(shù)控自適應(yīng)加工過(guò)程中，應(yīng)該更好地跟蹤實(shí)際加工的狀態(tài)變化[44]，從而顯著改進(jìn)復(fù)雜曲面的加工精度，形成基于實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)調(diào)整切削參數(shù)的時(shí)變調(diào)控自適應(yīng)加工方法。
5.3 智能化工藝裝備
葉片作為發(fā)動(dòng)機(jī)中數(shù)量最大的一類零件，其制造效率直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體的制造效率，而葉片的制造品質(zhì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與壽命。因此，葉片智能化精密加工已成為當(dāng)今世界發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造的發(fā)展方向。機(jī)床與工藝裝備的研發(fā)是實(shí)現(xiàn)葉片加工智能化的關(guān)鍵。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的智能化水平迅速提高，加工生產(chǎn)能力大幅增強(qiáng)。因此，智能工藝裝備的研發(fā)創(chuàng)新是薄壁葉片高效精密加工的重要發(fā)展方向。高度智能化的數(shù)控機(jī)床與工藝裝備結(jié)合，形成葉片智能化加工系統(tǒng)（見圖10），實(shí)現(xiàn)薄壁葉片的高精度、高效率和自適應(yīng)數(shù)控加工。
圖片
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結(jié)束語(yǔ)
葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域長(zhǎng)期的重大需求，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的難點(diǎn)之一，也是一個(gè)國(guó)家先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展水平的重要體現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)葉片的高效率高質(zhì)量加工，眾多學(xué)者在精密加工工藝創(chuàng)新和智能工藝裝備研發(fā)等方面開展研究，取得了突破性進(jìn)展。未來(lái)，以時(shí)變調(diào)控為核心的自適應(yīng)加工工藝與智能化數(shù)控工藝裝備是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片精密加工的重要研究方向。應(yīng)圍繞國(guó)家航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)制造重大戰(zhàn)略需求，深入探究葉片加工工藝的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片先進(jìn)加工技術(shù)的跨越發(fā)展。
編輯：藝匠精密加工http://xdfxg.com/
原文來(lái)源：
王輝1，鄭洋2，吳動(dòng)波2
1. 北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院
2. 清華大學(xué)機(jī)械工程系
