現(xiàn)代飛機(jī)的發(fā)動機(jī)材料和機(jī)體結(jié)構(gòu)材料已發(fā)生了非常大的變化，如先進(jìn)發(fā)動機(jī)用硬脆熱解石墨、單晶合金材料等，以及為了減重而采用的大量薄壁件等，這些材料的機(jī)械加工，急需替代性新技術(shù)、新工藝。這些材料的物理和機(jī)械性能與常規(guī)金屬材料差別極大，加工過程中結(jié)構(gòu)易變形，常規(guī)的工藝?yán)碚摵筒呗砸呀?jīng)無法完成這些先進(jìn)材料和結(jié)構(gòu)的加工工藝和工藝策略的研究，并且要求加工精度高。另外，在高精度機(jī)床上進(jìn)行先進(jìn)航空材料加工工藝的研究，可以簡化加工工藝性的研制難度，方便地把工藝策略、工藝參數(shù)、刀具參數(shù)對加工質(zhì)量的影響與機(jī)床的性能分開，從而使得工藝性的研究方法更加科學(xué)、有序，可以大大提高先進(jìn)航空材料加工工藝性的研究速度。因此，研制可用多種加工方法實(shí)現(xiàn)加工多種先進(jìn)材料的精密/超精密加工的模塊式復(fù)合精密/超精密加工機(jī)床對于加快我國航空制造業(yè)的跨越式發(fā)展、提高我國綜合國力具有重要的意義。

　　超精密加工機(jī)床的研究現(xiàn)狀

　　我國從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展精密和超精密機(jī)床，1987年北京機(jī)床研究所研制成功空氣軸承主軸的加工球面的超精密車床?！笆濉逼陂g我國超精密機(jī)床獲得了較大的發(fā)展，但和工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還有較大的差距。第二次世界大戰(zhàn)后的20世紀(jì)50年代后期，美國首先開始進(jìn)行超精密加工機(jī)床方面的研究，目前，美國比較有名的從事超精密加工制造的公司、企業(yè)至少有30家，其中最具代表性并取得重大成果的是美國勞倫斯·里佛摩爾國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrene Livermore National Laboratory，LLL國家實(shí)驗(yàn)室）。超精密加工技術(shù)的發(fā)展使美國在航空、航天、核能等方面取得了重大的成就，如LLL國家實(shí)驗(yàn)室的大型光學(xué)金剛石車床LODTM和大型金剛石車床DTM-3是現(xiàn)在世界公認(rèn)的水平最高、達(dá)到當(dāng)前技術(shù)最前沿的超精密車床。由于美國超精密機(jī)床水平較高，商品生產(chǎn)不僅國內(nèi)使用，還有相當(dāng)多的出口，比較著名的有Moore公司的M-18AG型超精密非球曲面車床和Pneumo公司的MSG-325型超精密非球面車床等。

　　日本研究超精密加工技術(shù)和超精密加工機(jī)床起步較晚，20世紀(jì)70年代中期才開始，而且是根據(jù)電子和光學(xué)等民用需要開始研究的。但是，由于得到有關(guān)方面的重視，投入大量的人力、物力去開發(fā)，有計(jì)劃地引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)并深入剖析，從而使研制的產(chǎn)品很快達(dá)到甚至超過引進(jìn)產(chǎn)品的水平，因此在發(fā)展速度上追上美國，而且在技術(shù)上可以與美國抗衡，并且民用工業(yè)上的應(yīng)用也向精密化發(fā)展。日本東芝公司1991年研制了一臺超精密CNC機(jī)床?？杉庸ぶ睆?50mm、軸向尺寸250mm的非球面鏡片。主軸采用空氣軸承，轉(zhuǎn)速范圍3000～30000r/min，剛度達(dá)到200N/μm。X、Z向激光干涉反饋系統(tǒng)分辨率2.5nm。日本豐田工機(jī)研制的AHN60-3D是一臺CNC三維截形磨削和車削機(jī)床，它能在X、Y和Z三軸控制下磨削和車削軸向?qū)ΨQ形狀的光學(xué)零件，可以在X、Y和Z軸二個半軸控制下磨削和車削非軸對稱光學(xué)零件，加工工件的面形精度為0.35μm，表面粗糙度Ra達(dá)0.016μm。

　　英國Rank Pneumo公司于1980年向市場推出了利用激光反饋控制的兩軸聯(lián)動加工機(jī)床，該機(jī)床可加工直徑為350mm的非球面金屬反射鏡，加工工件形狀精度達(dá) 0.25～0.5μm，表面粗糙度 Ra在0.01～0.025μm。隨后又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機(jī)床，該公司又在上述機(jī)床的基礎(chǔ)上，于1990年開發(fā)出 Nanoform600，該機(jī)床能加工直徑為600mm的非球面反射鏡，加工工件的形狀精度優(yōu)于0.1μm，表面粗糙度優(yōu)于0.01μm。

　　英國Rank Pneumo公司1988年開發(fā)了改進(jìn)型的ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300機(jī)床，這些機(jī)床不僅能夠進(jìn)行切削加工，而且也可以用金剛石砂輪進(jìn)行磨削，能加工直徑為300mm的非球面金屬反射鏡，加工工件的形狀精度為0.3～0.16μm，表面粗糙度Ra達(dá)0.01μm。

　　進(jìn)入新世紀(jì)，世界各發(fā)達(dá)國家研制的具有代表性的超精密加工設(shè)備很少，但是總的來說超精密加工設(shè)備將向著多軸聯(lián)動和復(fù)合加工或模塊化方向發(fā)展。

超精密復(fù)合加工機(jī)床的設(shè)計(jì)

1總體設(shè)計(jì)

　　項(xiàng)目的研究目標(biāo)是研制一臺可以分別實(shí)現(xiàn)密封環(huán)、鼓筒、作動筒等發(fā)動機(jī)零件的車、銑/磨加工的超精密加工樣機(jī)?？傮w方案是主軸部件和導(dǎo)軌部件采用氣體靜壓小孔節(jié)流方式，絲杠螺母副采用德國零級精度的滾珠絲杠；為縮短研制周期，確保質(zhì)量，集中精力進(jìn)行精密銑/磨削工藝的研究，故高速銑/磨頭采用英國進(jìn)口的氣動和電動2種高速主軸；控制系統(tǒng)采用目前國內(nèi)外廣為采用的性能可靠、功能齊全的日本FUNAC18i數(shù)控系統(tǒng)；為保證樣機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定，床身下設(shè)置空氣彈簧及床身自動調(diào)平裝置進(jìn)行減隔振。

　　考慮到加工精度及承載情況，床身采用T形布局，機(jī)床采用Z、X運(yùn)動分離的結(jié)構(gòu)，Z、X向運(yùn)動導(dǎo)軌都放在機(jī)床的床身（采用花崗巖）上，形成T形布局，2條導(dǎo)軌在同一高度上。T形總體布局結(jié)構(gòu)有利于提高導(dǎo)軌的制造精度和運(yùn)動精度，并且用于檢測Z、X向運(yùn)動位置的光柵尺測量系統(tǒng)可以裝在固定不動的床身上，僅將測量位置用的部分安在Z、X方向的移動部件上。這樣不僅使測量系統(tǒng)的安裝要簡單得多，而且可大大提高測量精度。安裝有刀架和銑/磨頭的B軸安裝在X軸上。

2 高精度、高剛度流體靜壓主軸部件的設(shè)計(jì)

　　機(jī)床的主軸部件是超精密加工機(jī)床最為重要的部件，其精度指標(biāo)是機(jī)床精度的標(biāo)志。超精密機(jī)床的主軸要求達(dá)到很高的回轉(zhuǎn)精度，關(guān)鍵在于所用的軸承。目前，要想獲得高回轉(zhuǎn)精度的主軸部件均采用流體(液體或氣體)靜壓技術(shù)。根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整加工零件的精度要求和加工效率，主軸徑向剛度在800N/μm左右，軸向剛度在500N/μm左右。為此，對小孔節(jié)流氣體靜壓軸承進(jìn)行了工程計(jì)算。在此，僅僅介紹徑向軸承的工程設(shè)計(jì)過程。在小孔節(jié)流徑向軸承結(jié)構(gòu)系數(shù)求解過程中，主要求解小孔節(jié)流徑向軸承與主軸之間的間隙，以保證主軸系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能。首先求出軸承的最佳間隙，然后求出在該間隙下的承載能力和靜態(tài)剛度。

3 小孔節(jié)流流體靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)

　　縱、橫導(dǎo)軌油腔的形狀都選定為矩形，并在油腔周圍開有卸荷槽，以緩和從封油邊噴出液壓油的壓力，在此僅僅介紹橫導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。矩形油腔的優(yōu)點(diǎn)是油壓的作用面積大而具有較大的初始推力，缺點(diǎn)是無油時只靠周圍的封油邊承載，單位接觸面積上壓力大，易在突然事件中磨損。

　　在計(jì)算中，當(dāng)液體壓力選用1.5MPa時，橫導(dǎo)軌的液體靜壓剛度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此是符合設(shè)計(jì)要求的。同理，可以求得縱導(dǎo)軌的液體靜壓剛度。

4 高速靜壓銑/磨頭的研制

　　高速靜壓銑/磨頭主軸系統(tǒng)采用英國Loadpoint公司的B03196氣動主軸，主軸最高轉(zhuǎn)速80000 r/min，軸向負(fù)載能力155N，徑向負(fù)載能力60N。采用英國Loadpoint公司B01020-AC交流驅(qū)動電主軸，主軸最高轉(zhuǎn)速90000r/min，軸向負(fù)載能力151N，徑向負(fù)載能力45N，軸向剛度5.8N/μm，徑向剛度1.3N/μm。

應(yīng)用前景分析

　　現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)為了減重而大量使用薄壁結(jié)構(gòu)，如高性能轉(zhuǎn)子零件廣泛采用復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)，其精度要求越來越高。航空發(fā)動機(jī)核心零件如尾噴管作動筒、鼓筒、整體葉盤、壓氣機(jī)風(fēng)扇葉片等是典型的復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)零件且廣泛采用高強(qiáng)比材料，以達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率的目的。在航空發(fā)動機(jī)制造中各類葉片所占比重約30%，從切削加工角度看，此類薄壁零件具有外形復(fù)雜、葉型厚度薄、剛性差，加工刀具切削力較大的特點(diǎn)。這意味著強(qiáng)切削力作用下工件變形是影響加工精度的主要原因。此外，工件表層殘余應(yīng)力可能引起相當(dāng)大的扭曲變形，對加工精度具有不容忽視的影響作用，特別對航空薄壁結(jié)構(gòu)件的影響更大。加工的復(fù)雜薄壁零件達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，加工的零件就不是合格零件。如果用這種零件做試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果就不能反映設(shè)計(jì)性能要求。同樣如果將這種零件安裝到發(fā)動機(jī)上，工作性能也無法滿足設(shè)計(jì)要求。如何準(zhǔn)確預(yù)測、控制工件表層的殘余應(yīng)力和扭曲變形，改善加工表面的完整性，提高數(shù)控加工精度，一直是精密、超精密切削領(lǐng)域重要的研究課題。國外運(yùn)用超精密無殘余應(yīng)力加工實(shí)現(xiàn)這些薄壁零件的加工，而我國為了加工出合格復(fù)雜薄壁零件必須對復(fù)雜薄壁零件的受力變形量進(jìn)行精確計(jì)算和預(yù)先補(bǔ)償消除。

　　實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)表明，在高精度機(jī)床上進(jìn)行先進(jìn)航空材料加工工藝的研究，可以簡化加工工藝性的研制難度，方便地把工藝策略、工藝參數(shù)、刀具參數(shù)對加工質(zhì)量的影響與機(jī)床的性能分開，從而使得工藝性的研究方法更加科學(xué)、有序，可以大大提高先進(jìn)航空材料加工工藝性的研究速度，縮短整機(jī)研制周期，提高發(fā)動的質(zhì)量和性能。

結(jié)束語

　　超精密復(fù)合加工機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)車、銑、磨削加工，可在保證一定效率的前提下，大大提高加工精度，并減小薄壁件的變形。該機(jī)床的研制成功，將很好地滿足我國航空發(fā)動機(jī)等研制對加工設(shè)備的要求，對于推動航空工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。