航空航天典型零件加工系列刀具設計應用（簡體書）

本書結合理論分析和實驗研究，在分析航空航天典型零件的種類、材料及加工特點的基礎上，闡述了航空航天零件材料切削加工性特點及評價方法。書中首先以現代航空發動機中壓氣機關鍵零件整體葉盤為對象，在對整體葉盤的結構特性進行分析研究的基礎上，探討了整體葉盤的各種加工技術，總結出數控複合銑削技術是製造整體葉盤的最優方法；然後對數控複合銑削技術中應用的盤銑、插銑和側銑系列刀具進行分析探討，在刀具結構設計、刀具幾何參數優化和工藝參數優化、刀具成型製造、刀具應用等技術方面開展研究，以保證難加工零件的表面質量，實現航空航天典型零件的高效加工；最後進行了相應的切削加工實驗研究，並基於理論研究成果進行了切削工藝參數優化，為實現航空航天典型零件的高效加工提供一定的理論基礎和技術支持。

前言
第1章航空航天典型零件分析1
1.1 航空航天工業發展背景及趨勢3
1.2 航空航天典型零件簡介5
1.2.1 發動機鼓筒類零件7
1.2.2 發動機機匣類零件8
1.2.3 發動機軸頸類零件11
1.2.4 發動機葉片12
1.2.5 發動機盤類零件13
1.2.6 發動機整體葉盤15
1.3 航空航天典型零件材料應用17
1.3.1 航空航天典型零件材料性能特點17
1.3.2 高溫合金簡介19
1.3.3 鈦合金簡介22
1.3.4 鋁合金簡介25
1.3.5 複合材料簡介27
1.4 航空航天類零件加工特點29
1.4.1 發動機鼓筒類零件加工特點29
1.4.2 發動機機匣類零件加工特點30
1.4.3 發動機軸頸類零件加工特點31
1.4.4 發動機葉片加工特點31
1.4.5 發動機盤類零件加工特點32
1.4.6 發動機整體葉盤加工特點32
1.5 本書主要內容33
參考文獻34
第2章航空航天零件典型材料切削加工性及其切削加工實驗研究36
2.1 材料切削加工性的概念及評定方法36
2.1.1 材料切削加工性概念36
2.1.2 材料切削加工性評定方法36
2.1.3 工件材料切削加工性的評定36
2.2 鈦合金切削加工性及其切削加工實驗研究37
2.2.1 鈦合金分類38
2.2.2 鈦合金加工刀具幾何參數優選實驗研究39
2.2.3 大進給與高速切削鈦合金實驗研究42
2.2.4 基於刀具壽命的鈦合金切削加工實驗研究46
2.3 高溫合金切削加工性及其切削加工實驗研究49
2.3.1 高溫合金分類50
2.3.2 高溫合金GH706切削加工實驗研究51
2.4 本章小結58
參考文獻59
第3章整體葉盤加工技術分析61
3.1 整體葉盤結構特性分析61
3.2 整體葉盤加工技術簡介62
3.2.1 整體葉盤電火花加工技術簡介62
3.2.2 整體葉盤電解加工技術簡介67
3.2.3 整體葉盤電子束焊接加工技術簡介71
3.2.4 整體葉盤線性摩擦焊加工技術簡介75
3.2.5 整體葉盤精密鑄造加工技術簡介80
3.2.6 整體葉盤數控銑削加工技術簡介83
3.3 整體葉盤加工刀具應用分析83
3.3.1 整體葉盤加工盤銑刀具技術簡介83
3.3.2 整體葉盤加工插銑刀具技術簡介84
3.3.3 整體葉盤加工側銑刀具技術簡介86
3.3.4 可轉位刀具的發展現狀87
3.4 本章小結88
參考文獻88
第4章盤銑刀具設計及其加工技術研究90
4.1 切槽銑刀的種類90
4.1.1 立銑刀90
4.1.2 三面刃銑刀90
4.1.3 鋸片銑刀91
4.2 常用切槽銑刀的選用方法91
4.3 盤銑切削特點及其加工方式92
4.3.1 三面刃銑刀的選用依據93
4.3.2 盤銑加工的相關參數94
4.3.3 盤銑刀開槽應用案例95
4.4 整體葉盤盤銑加工技術研究98
4.4.1 整體葉盤材料切削加工性分析99
4.4.2 加工整體葉盤刀具材料的選用102
4.4.3 切削鈦合金刀具設計研究現狀103
4.4.4 盤銑切削過程中刀具的失效形式104
4.5 整體葉盤盤銑加工區域工藝規劃105
4.5.1 整體葉盤流道可加工性分析105
4.5.2 盤銑加工區域規劃107
4.5.3 盤銑刀切削運動圓環面軌跡模型建立108
4.6 盤銑刀優化設計113
4.6.1 盤銑刀結構類型優選113
4.6.2 可轉位刀片的設計115
4.6.3 盤銑刀主要結構設計116
4.6.4 盤銑刀幾何參數優化121
4.6.5 盤銑刀結構強度分析128
4.6.6 盤銑刀結構模態分析131
4.7 盤銑刀製備方法研究133
4.8 本章小結138
參考文獻139
第5章插銑刀具設計及其加工技術研究142
5.1 插銑加工特點及應用142
5.1.1 插銑加工特點142
5.1.2 插銑加工應用143
5.2 插銑加工軌跡及動態切削力模型143
5.2.1 插銑加工軌跡143
5.2.2 插銑過程時域模型144
5.2.3 動態切削力模型147
5.3 插銑刀參數化系統設計148
5.3.1 參數化設計149
5.3.2 UG中參數化設計方法149
5.3.3 基於圖形模板的參數化設計149
5.3.4 基於程序的參數化設計150
5.3.5 參數化系統設計153
5.4 插銑刀切削仿真分析及幾何角度優化155
5.4.1 有限元仿真模型建立155
5.4.2 插銑加工仿真分析157
5.4.3 插銑刀強度分析162
5.5 插銑刀製備165
5.5.1 刀體材料的選用165
5.5.2 刀片材料的選用166
5.5.3 插銑刀加工製備167
5.6 本章小結168
參考文獻168
第6章側銑刀具設計及其加工技術研究170
6.1 側銑加工特點分析及動態切削力模型的建立170
6.1.1 側銑加工特點分析170
6.1.2 側銑切削層參數分析與建模171
6.1.3 球頭銑刀刃形及切削力建模173
6.2 球頭銑刀結構設計分析178
6.2.1 截面形線分析178
6.2.2 週刃螺旋線分析180
6.2.3 球刃螺旋線分析182
6.2.4 退刀槽曲線分析182
6.3 球頭銑刀參數化建模183
6.3.1 刀具特徵變量設定183
6.3.2 週刃螺旋槽建模184
6.3.3 球刃螺旋槽建模185
6.3.4 退刀槽建模186
6.4 球頭銑刀幾何角度優化及切削仿真分析187
6.4.1 有限元仿真的理論簡介187
6.4.2 球頭銑刀幾何參數優化仿真方案188
6.4.3 仿真結果分析及幾何角度優化190
6.4.4 球頭銑刀結構強度分析193
6.4.5 整體葉盤側銑加工仿真研究195
6.5 球頭銑刀的製備與強化處理196
6.5.1 球頭銑刀材料優選196
6.5.2 球頭銑刀的磨製197
6.5.3 球頭銑刀的檢測202
6.5.4 球頭銑刀刃口強化處理203
6.6 本章小結205
參考文獻205
第7章鈦合金盤銑加工實驗研究207
7.1 實驗設計207
7.2 實驗結果與討論209
7.3 切削參數的優化210
7.4 本章小結214
參考文獻214
第8章鈦合金插銑加工實驗研究215
8.1 實驗條件215
8.2 插銑實驗方案215
8.3 實驗數據分析216
8.4 切削力預測模型的建立217
8.4.1 預測模型的建立217
8.4.2 切削力預測模型檢驗及驗證218
8.4.3 切削力預測模型討論220
8.5 切削參數優化研究221
8.5.1 切削參數優化方法的選擇221
8.5.2 模糊綜合評價優化分析222
8.6 本章小結226
參考文獻226
第9章鈦合金側銑加工實驗研究228
9.1 球頭銑刀側銑實驗設計228
9.1.1 實驗條件228
9.1.2 側銑實驗方案229
9.2 實驗結果分析229
9.2.1 切削力的極差分析229
9.2.2 切削參數對切削力影響分析231
9.3 切削力預測模型的建立及驗證232
9.3.1 預測模型的建立233
9.3.2 切削力預測模型驗證233
9.4 切削參數優化研究234
9.4.1 切削參數優化條件的確定234
9.4.2 基於MATLAB的切削參數優化235
9.4.3 切削參數優化結果235
9.5 本章小結236
參考文獻236

第1章航空航天典型零件分析
航空航天工業作為國家戰略性產業，是國防現代化的重要物質和技術基礎，是國家先進製造業的重要組成部分和國家科技創新體系的重要力量。我國航空航天轉型升級以推進航空航天工業技術結構升級和產業結構升級為目標指向，以體制機制轉型、科技發展轉型、建設模式轉型、增長模式轉型為基本內容，通過轉變發展理念、重新定位戰略目標、重新選擇發展模式、有效整合要素資源、全面優化策略方法，破解體制機制困局，強化自主創新能力，夯實國防產業基礎，推進產業集約發展，建設裝備基於能力、能力寓於產業的新型航空航天工業，加快轉變戰鬥力生成模式，提高我國航空航天工業跨越發展的綜合能力[1]。
航空是指飛行器在地球大氣層內的航行活動，航天是指飛行器在大氣層外宇宙空間的航行活動，圖1.1為航空航天飛行器。航空航天製造業是一個國家工業實力的體現，在全球“工業4.0”和“中國製造2025”的驅動下，毋庸置疑地成為國家工業製造的核心產業。“中國航空航天製造業作為我國的戰略產業，在經過數十年的不懈努力下，已經建立起較為完善的技術體系。”中國航空航天工具協會副秘書長范軍先生介紹說，“但隨著以高新技術為引領的高端技術和裝備在航空航天製造業的應用，中國航空航天製造業也迫切需要學習、交流和引進更優秀的先進技術和設備。”
圖1.1 航空航天飛行器
20世紀以來，航空航天工業是發展*快的新興工業。全世界從事航空航天工業的科技人員和工人，總數達幾千萬。在一些發達國家，航空航天工業已經成為國民經濟中重要的產業部門。航空航天工業是典型的知識和技術密集型工業，其發達程度已經成為衡量一個國家科學技術、國防建設和國民經濟現代化水平的重要標誌之一。圖1.2為幾種典型的航空航天零件。
（a）半開式葉輪（b）發動機葉片（c）發動機機匣環形件
圖1.2 幾種典型的航空航天零件
例如，在對鈦合金整體葉盤數控銑削加工過程中，採用複合銑削的加工方法，即盤銑開槽，插銑擴槽，*後側銑除棱清根，該方法的提出對提高鈦合金整體葉盤加工效率起著重要作用，各加工工藝如圖1.3所示。
（a）盤銑開槽（b）插銑擴槽（c）側銑除棱清根
圖1.3 複合銑削加工方法
因此，本書綜合考慮航空航天典型零件結構特點、難加工材料特性以及金屬材料切削加工性能，針對航空航天難加工材料零件特點進行盤銑、插銑及側銑加工刀具分析以及優化設計，以保證難加工零件的表面質量，實現航空航天典型零件的高效加工。
1.1 航空航天工業發展背景及趨勢
中國是世界文明古國。古籍中記載了關於飛行的神話、傳說和繪畫，“嫦娥奔月”是人類*古老的登月幻想。魯班製作木鳥、西漢時期的滑翔嘗試和列子御風的想像，說明古代中國人民已想到利用空氣浮力和空氣動力升空飛行。
在近代，中國人民也為航空航天的發展做出了自己的貢獻。世界上第一架飛機誕生之後，中國許多仁人誌士為振興中華而熱心發展航空事業。一些傑出的中國科學家在空氣動力、火箭技術、燃燒理論等方面所做的卓有成效的研究，推動了有關學科領域的發展，為國家爭得了榮譽。
中國航空事業的蓬勃發展是從中華人民共和國成立之後開始的。1951年成立了航空工業局，隨後組建了飛機、發動機和材料工藝等研究機構。1954年製造出第一架教練機（初教5），1956年試製成功第一架噴氣式殲擊機（殲5），1958年小型多用途運輸機（運5）投入使用，同年又自行設計了初級教練機（初教6），1959年第一架超聲速噴氣式殲擊機（殲6）飛上了藍天，實現了從修理到製造，從生產螺旋槳飛機到噴氣式飛機，從仿製到自行研製的轉變。1960年建立的中國航空研究院，從事飛機、發動機、儀表、電器、附件、電子設備和航空武器的設計研究，開展了空氣動力、結構強度、燃氣渦輪、風洞技術、生命保障、材料工藝、導航和控制以及飛行實驗等方面的應用研究[1]。
中國航天事業是在20世紀50年代中期開始的，1956年中國製定了十二年科學技術發展遠景規劃，把火箭和噴氣技術列為重點發展項目。同年建立了第一個導彈、火箭研究機構，1958年把發射人造地球衛星列入國家科學規劃，組建機構開展空間物理學研究和探空火箭研製工作，並開展星際航行的學術活動和實驗設備的籌建工作。1960年2月發射成功第一枚探空實驗火箭，1964年6月發射成功自行研製的第一枚運載火箭，在60年代後期又研製成功中程和中遠程運載火箭，為中國航天事業的發展奠定了基礎。中國於60年代中期制定了研製和發射人造地球衛星的空間計劃。1968年組建了中國空間技術研究院。1970年4月24日，中國第一顆人造地球衛星“東方紅”1號發射成功，使中國成為繼蘇聯、美國、法國、日本之後世界上第五個用自製運載火箭成功發射衛星的國家。1971年3月3日發射成功的第二顆人造地球衛星向地面發回了各項科學實驗數據，正常工作了8年。1975年11月26日首次發射成功返回型人造地球衛星，成為繼美國、蘇聯之後世界上第三個掌握衛星返回技術的國家。1980年5月，向南太平洋發射大型運？4？航空航天典型零件加工系列刀具設計應用載火箭取得成功，1981年9月20日首次用一枚大型運載火箭把三顆空間物理探測衛星送入地球軌道，1982年10月從水下潛艇發射運載火箭成功。1984年4月8日，發射了一顆對地靜止軌道實驗通信衛星“東方紅”2號，4月16日衛星定點於東經125°赤道上空。到1985年10月，中國依靠自己的力量共發射了17顆不同類型的人造地球衛星，這些衛星為地質、測繪、地震、海洋、農林、環境保護等國民經濟部門和空間科學研究提供了十分有價值的資料[2]。
航空航天現代製造業已經不是傳統意義上的機械製造業，即機械加工。它是當今高科技的綜合利用，是集機械、電子、光學、信息科學、材料科學、生物科學、激光學、管理學等*新成就於一體的一個新技術與新興工業的綜合體。航空航天現代製造業正向以下幾個方面發展[3-5]。
1.數控技術
數控設備是以數控系統為代表的新技術對傳統機械製造業滲透而形成的機電一體化產品，已成為現代航空航天製造業的主流製造設備，一般佔設備總數的40%以上。數控技術覆蓋了機械製造技術，信息處理、加工、傳輸技術，自動控制技術，伺服驅動技術，傳感器技術，軟件技術等領域。數控技術的發展趨勢是向智能化、網絡化、集成化、數字化的方向發展。
2.高速加工技術
為快速響應全球化市場變化和顧客多元化與個性化需求，製造業不僅需要產品零件的高質量，同時需要提高生產率、降低生產成本。高速加工技術作為*有發展前途和極具革命性的技術已成為機械加工技術發展的主流方向。正是因為高速加工（HSM）技術能在保證產品零件精度和質量的前提下提高生產率、降低製造成本，所以在航空航天製造業中得到廣泛應用。採用框中框結構和對稱結構設計的大型龍門五坐標高速銑床，在航空航天製造業中得到廣泛的應用，已成為航空航天器整體結構件的關鍵加工設備。由高速加工中心構成的柔性加工單元取代了以往的專用生產線，實現對航空航天器整體結構件的高速高效加工，如更多采用五坐標聯動高速加工中心進行整體結構件加工，實現高速切削和空間曲面控制能力的綜合優勢。
3.複合加工技術
複合加工技術就是盡可能地將零件的各項加工工序集中在一台機床上，實現“全部加工”，縮短加工週期，提高加工效率和加工精度。複合加工技術是數控機第1章航空航天典型零件分析？5？床技術重要發展趨勢之一，包括跨加工類別的複合加工和多面多軸聯動複合加工等形式。
4.精密、超精密加工技術
為了提高產品的性能、質量和可靠性，提高裝配效率，實現裝配自動化，航空航天製造業對加工精度和加工表面質量的要求越來越高。精密、超精密加工技術及機床不斷湧現。超精密加工技術已經進入納米加工技術領域，其在向更高精度發展的同時，也呈現以下發展趨勢：高效率和大型化、廣泛採用軟件補償技術提高加工精度、加工測量一體化、模塊化、廉價化、超精密加工工藝方法的多樣化。
5.採用先進製造模式
隨著航空航天製造業經濟全球化、消費多樣化和個性化的發展，其產品生命週期日益縮短。信息技術飛速發展並得到廣泛應用，傳統的高生產率、低柔性、大產量製造模式已不能適應這種多變市場的實際需求。工業化國家在航空航天工業中紛紛採用各種先進生產模式如計算機集成製造系統、敏捷製造、精益生產、虛擬製造、綠色製造等。它們具有並行性、集成性、柔性、智能性、快速反應性、動態適應性、人機一體性的特點。
1.2 航空航天典型零件簡介
航空發動機是飛機的動力裝置，為其提供飛行推力，被譽為飛機的“心臟”。隨著航空動力技術的發展和國防建設的要求，航空發動機必須滿足高速、高空、長航時、遠航程、大推重比等新一代機種的需求。因此，航空發動機的結構越來越複雜，精度要求越來越高，精密複雜的零部件大幅增加，而綜合性能先進的噴氣式發動機是航空動力裝備的發展方向，其典型噴氣式發動機結構如圖1.4所示。
圖1.4 典型噴氣式發動機結構
通常噴氣式發動機一般由進氣裝置、壓氣機、燃燒室、渦輪和噴管等部件組成，其中壓氣機、燃燒室、渦輪組成發動機的核心機。噴氣式發動機的主要工作流程都是在核心機中完成的，包括空氣的壓縮、燃燒、渦輪做功等。空氣經進氣道進入發動機後，首先經過壓氣機，加壓後進入燃燒室，與燃料摻混，點火燃燒，形成高溫氣體，高溫氣體膨脹驅動渦輪工作，經過渦輪後的燃氣通過噴管排出進而產生反向推力，噴氣式發動機工作原理如圖1.5所示。
圖1.5 噴氣式發動機工作原理圖
1-吸入；2-低壓壓縮；3-高壓壓縮；4-燃燒；5-排氣；6-熱區域；7-渦輪機；8-燃燒室；9-冷區域；10-進氣口
壓氣機的作用是提高進入發動機燃燒室的空氣壓力，主要參數是增壓比和壓氣機效率。增壓比是指空氣在壓氣機出口和進口處壓力的比值，壓氣機效率是指理論上所需要的壓縮功與實際消耗的機械功的比值。壓氣機有離心式和軸流式兩種，軸流式壓氣機增壓比和效率較高，因而採用更為廣泛。
燃燒室主要由燃料噴嘴、渦流器、火焰筒和燃燒室外套組成，是燃料與高壓空氣混合燃燒的地方，燃料的化學能在這裡轉化為熱能。噴氣式發動機對燃燒室性能的主要要求是點火可靠、燃燒穩定、燃燒完全等。
渦輪的作用是將燃燒室出來的氣體熱能轉化為機械能。渦輪在高溫高壓氣體的衝擊下高速旋轉，大部分燃氣能量轉化為機械能用來驅動壓氣機等附件，剩餘能量產生推力。渦輪的功率與渦輪進口溫度以及渦輪前後壓力比成正比。渦輪中一個主要的零部件為渦輪葉片，通常分為工作葉片（又稱動葉）和導向葉片（又稱導葉），如圖1.6所示。燃燒室中產生的高溫高壓燃氣首先經過導向葉片，此時會被整流並通過在收斂管道中將部分壓力能轉化為動能而加速，*後被賦予一定的角度進而更有效地衝擊渦輪工作葉片，部分內能在渦輪中膨脹轉化為機械能，驅動渦輪旋轉。由於高壓渦輪與壓氣機裝在同一軸上，所以也驅動壓氣機旋轉，從...