现代机械制造工艺与精密加工技术

机械制造是工业部门中的支柱性产业，可决定经济发展速度、质量、转型程度，包括了毛坯制造、切削加工、冷挤压加工、选材加工、调试装配等一系列加工方式，制造工艺水平是影响制造行业发展的主要因素。现代制造工艺融合了集成化技术、电子信息技术、网络技术等高科技技术，广泛融合、博采众长，具有系统化与智能化特点，高速度、高精度、自动化精密加工技术为制造工艺的发展提供了新的契机，有助于发展高品质、网络化、数字化、批量化、规模化、低成本制造业。本文分析了航空航天紧固件领域的机械制造与精密加工技术，以促使产品结构变得多样化、标准化，实现敏捷制造。
1 航空航天紧固件领域的机械制造与精    密加工技术
1． 1 制造工艺
相对于传统制造工艺，现代制造工艺精度更高、加工效率更高、加工工艺更先进集中，基本特征包括并行化、敏捷化、CIMS 集成化、虚拟化及柔性化，航空航天紧固件领域中的现代制造工艺主要体现在以下几个方面。制造发动机时可采用低温阀门、涡轮特种加工、自动化喷管焊接等制造技术，轴承是发动机的重要构件，目前已制造出寿命长、耐热、摩擦系数低、强度高的陶瓷轴承，陶瓷轴承可应用于航机、直升机、地面燃机等，磁浮轴承是轴承制造工艺领域中的制高点，工作温度可达510℃。
现代轴承制造工艺以强化材料表面为发展方向，应用二次淬硬工艺能增强轴承表面硬度与优化残余应力的分布状态，可承受较高应力，寿命比真空冶炼钢高13 倍左右，加工轴承时较为重视控制表面应力、组织分布、锻造流线。制造发动机中的机匣构件时，现代制造工艺重在优化形位偏差、空间尺寸加工工序，反复找正与车修基准，经过压紧处理的工件径跳、端跳找正依据为技术条件与加工尺寸要求精度标准的1 /3，压紧压实机匣构件时应避免悬空压紧毛坯件，可在基准面与压紧位置之间压入塞尺，压紧力以5N/m 左右为宜。编制构件制造工艺时需预留0． 2mm 左右的余量，以降低残余应力的影响。制造传感器时多采用微机械工艺，密封与穿线是最为关键的传感器制造工艺，穿线时可将多晶硅作为外引线，随后在1100℃高温下处理外引线，利用流动的磷硅玻璃填平表面，之后在沉积的钝化层与多晶硅中开出引线孔，完成静电密封。制造传感器时要求垂直壁腐蚀深度＞10um，当前多采用等离子垂直刻蚀或X紫外线聚酰亚胺工艺，制作机械结构时需电镀金属结构，将硅片作为多晶硅层的衬底。此外，制造航天运载火箭可采用磁脉冲、搅拌摩擦或自动化低温贮箱焊接、常温贮箱焊接工艺，制造工艺发展方向为高可靠、高安全、绿色环保、快速化、数字化、结构化与大型化。
1． 2 精密加工
复合材料SiCp /Al 耐疲劳、耐磨、导热性与稳定性良好、膨胀系数低、比刚度与比强度高，在航天航空领域中得到广泛应用。但SiCp /Al 材料切削性能差，常规加工技术难以满足制造要求，采用集磨、研及抛工序于一体的精密磨削ELID 技术可精密磨削SiCp /Al 材料，提高加工表面的精度，目前已开发出ELID 专用磨削机床，可在1 次装卡中精密磨削螺纹、沟槽、端面、内孔等结合面，确保零件表面、位置及尺寸精度达到要求。应用ELID 技术对SiCp /Al 材质卫星输出轴进行精密加工时，如复合材料体积比为48%，占空比为60%，电解电流为10A，进给速度为0． 9m/min，进给量为0． 25um，砂轮转速1500r /min，可有效改善磨削质量，圆柱度可达0. 85um，粗糙度为0． 096um 左右。精密成形工艺也是航空航天紧固件领域常用的加工技术，包括SPF/DB、熔模铸造、精密旋压、等温锻造及激光成形等技术。激光成形可用于快速加工高温合金构件，如涡轮叶片、涡轮盘、飞机机身的钛合金构件等。AeroMet 公司已应用激光成形技术为Northrop Grumman、波音等公司加工钛合金整体筋板机翼接头、发动机框等产品。等温锻造工艺可用于加工截面突变、窄筋、薄腹板等形状复杂的结构件，如战斗机钛合金支撑座、机框、涡轮盘及IMI34 钛合金运载火箭气瓶、球形贮箱、叶片、压缩机盘等，也可用于加工TC4 或TA15 钛合金气瓶、翼芯等外形精确、表面光洁的航天精密锻件。熔模铸造工艺可用于加工高温合金涡轮盘及叶片、钛合金机体或机翼、铝合金喷嘴及发动机等，加工高温合金涡轮盘时合格率＞ 90%，铝合金设备浇筑加工厚度约为3mm，尺寸可达1500mm 左右，无余量结构件铸造尺寸为( 1316 ± 0． 8) mm。SPF/DB 与精密旋压工艺可用于加工TiAl1MolV、TB2钛合金叶片、内蒙皮、筒形件、薄壁半圆件、导向罩、叶片罩、火箭外壳等，结合强旋技术与普旋技术可加工圆柱形或半球形TC4、TC3 钛合金储箱壳体。此外，航空航天紧固件领域中应用的精密加工技术还包括去毛刺技术、电解技术、电火花技术、铣削技术、光整技术、车削技术、镗削技术等。
2 技术应用
某航天精工专注于研发制造中高端紧固件、橡胶件，塑料制品、表面处理等生产线完整，检测手段完备、精密设备、检测仪器先进，产品质量通过GJB9001B、AS9100B 认证，特种工艺通过NADCAP、ISO17025 认证，钛合金及高温合金等产品被广泛应用在飞船、导弹、火箭、卫星及飞机等航天工程领域，同时为摩托车、汽车、电子等机械产品提供橡胶制品、紧固件。加工钛合金材料紧固件时需保证经过热处理的紧固件抗拉强度达到1100MPa，抗剪强度达到660MPa，依据AMS4967 标准对紧固件进行精密加工，严格控制紧固件的机械性能、外观、金相、尺寸、公差、耐腐蚀性。制造产品时采用了镗削、铣削、车削等精密加工工艺。采用M155 数控机床进行精密铣削，进给速度7． 6m/min，进给力最大值2500N，X 轴步进电机定位精度0． 003mm，Y 轴0． 003mm，Z 轴0． 04mm; 工件尺寸25mm × 35mm ×110mm，采用三刃YG8 硬质合金铣刀，刀具共10 把，刀具后角15°、螺旋角30°～ 60°、前角5° ～ 15°，切削宽度0． 1mm，每齿进给0． 043mm/z，切削速度28. 600m/min。铣削加工以大进给、小切深为原则，以提高铣削效率及防止紧固件发生应力变形问题，适当缩小主偏角，降低径向压力及防止损坏切削刃，确保刀刃处于稳定、持续切削状态，消除刀具轨迹中的尖角，转弯处圆角半径应比刀具直径大15% 左右。在五轴数控车床上完成精密镗削及车削加工，避免因频繁转换工位而造成误差积累，提高加工精度。车床进刀量为0． 3mm/次、走刀量为0． 2mm/r、车床转速为300r /min。进行精密切削时采用天然金刚石材质的刀具，刃倾角为－ 1°，后角为5°，前角为15°。加工时需注意精确模拟及调整紧固件装夹姿态，避免装夹不稳或剧烈震颤，保证加工过程力学稳定。经过精密镗削、铣削及车削加工后紧固件粗糙度Ｒa≤0． 2，达到精密加工要求。
3 结语
综上，机械制造过程中的热处理、冲压、锻压铸造成型、切削焊接、表面处理等多个环节、多种工艺互相交叉、影响，复杂多变，制造工艺是连接机械产品设计与成品的桥梁，可决定机械制造成本、效率。制造机械产品时应提高设计水平与智能化制造技术处理层面，严格控制及管理加工过程，保证制造工艺与加工技术具有系统化、综合化、全程化、清洁优质、灵活、高效益及低消耗特性。进行精密加工时需控制好工艺参数，相互融合自动化控制技术、管理技术、信息技术、传感技术及计算机网络技术，提高产品性能、质量品质，减少故障。