現代飛機的發(fā)動機材料和機體結構材料已發(fā)生了非常大的變化，如先進發(fā)動機用硬脆熱解石墨、單晶合金材料等，以及為了減重而采用的大量薄壁件等，這些材料的機械加工，急需替代性新技術、新工藝。這些材料的物理和機械性能與常規(guī)金屬材料差別極大，加工過程中結構易變形，常規(guī)的工藝理論和策略已經無法完成這些先進材料和結構的加工工藝和工藝策略的研究，并且要求加工精度高。另外，在高精度機床上進行先進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、刀具參數對加工質量的影響與機床的性能分開，從而使得工藝性的研究方法更加科學、有序，可以大大提高先進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現加工多種先進材料的精密/超精密加工的模塊式復合精密/超精密加工機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。

　　超精密加工機床的研究現狀

　　我國從20世紀60年代開始發(fā)展精密和超精密機床，1987年北京機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我國超精密機床獲得了較大的發(fā)展，但和工業(yè)發(fā)達國家相比還有較大的差距。第二次世界大戰(zhàn)后的20世紀50年代后期，美國首先開始進行超精密加工機床方面的研究，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·里佛摩爾國家實驗室（Lawrene Livermore National Laboratory，LLL國家實驗室）。超精密加工技術的發(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國家實驗室的大型光學金剛石車床LODTM和大型金剛石車床DTM-3是現在世界公認的水平最高、達到當前技術最前沿的超精密車床。由于美國超精密機床水平較高，商品生產不僅國內使用，還有相當多的出口，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和超精密加工機床起步較晚，20世紀70年代中期才開始，而且是根據電子和光學等民用需要開始研究的。但是，由于得到有關方面的重視，投入大量的人力、物力去開發(fā)，有計劃地引進先進技術并深入剖析，從而使研制的產品很快達到甚至超過引進產品的水平，因此在發(fā)展速度上追上美國，而且在技術上可以與美國抗衡，并且民用工業(yè)上的應用也向精密化發(fā)展。日本東芝公司1991年研制了一臺超精密CNC機床。可加工直徑650mm、軸向尺寸250mm的非球面鏡片。主軸采用空氣軸承，轉速范圍3000～30000r/min，剛度達到200N/μm。X、Z向激光干涉反饋系統(tǒng)分辨率2.5nm。日本豐田工機研制的AHN60-3D是一臺CNC三維截形磨削和車削機床，它能在X、Y和Z三軸控制下磨削和車削軸向對稱形狀的光學零件，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零件，加工工件的面形精度為0.35μm，表面粗糙度Ra達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)動加工機床，該機床可加工直徑為350mm的非球面金屬反射鏡，加工工件形狀精度達 0.25～0.5μm，表面粗糙度 Ra在0.01～0.025μm。隨后又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機床，該公司又在上述機床的基礎上，于1990年開發(fā)出 Nanoform600，該機床能加工直徑為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)了改進型的ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300機床，這些機床不僅能夠進行切削加工，而且也可以用金剛石砂輪進行磨削，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0.01μm。

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

超精密復合加工機床的設計

1總體設計

　　項目的研究目標是研制一臺可以分別實現密封環(huán)、鼓筒、作動筒等發(fā)動機零件的車、銑/磨加工的超精密加工樣機。總體方案是主軸部件和導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，確保質量，集中精力進行精密銑/磨削工藝的研究，故高速銑/磨頭采用英國進口的氣動和電動2種高速主軸；控制系統(tǒng)采用目前國內外廣為采用的性能可靠、功能齊全的日本FUNAC18i數控系統(tǒng)；為保證樣機的運行穩(wěn)定，床身下設置空氣彈簧及床身自動調平裝置進行減隔振。

　　考慮到加工精度及承載情況，床身采用T形布局，機床采用Z、X運動分離的結構，Z、X向運動導軌都放在機床的床身（采用花崗巖）上，形成T形布局，2條導軌在同一高度上。T形總體布局結構有利于提高導軌的制造精度和運動精度，并且用于檢測Z、X向運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計

　　機床的主軸部件是超精密加工機床最為重要的部件，其精度指標是機床精度的標志。超精密機床的主軸要求達到很高的回轉精度，關鍵在于所用的軸承。目前，要想獲得高回轉精度的主軸部件均采用流體(液體或氣體)靜壓技術。根據實際需要調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)流氣體靜壓軸承進行了工程計算。在此，僅僅介紹徑向軸承的工程設計過程。在小孔節(jié)流徑向軸承結構系數求解過程中，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)流流體靜壓導軌的設計

　　縱、橫導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，在此僅僅介紹橫導軌的設計。矩形油腔的優(yōu)點是油壓的作用面積大而具有較大的初始推力，缺點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。

　　在計算中，當液體壓力選用1.5MPa時，橫導軌的液體靜壓剛度滿足設計指標。因此是符合設計要求的。同理，可以求得縱導軌的液體靜壓剛度。

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，主軸最高轉速80000 r/min，軸向負載能力155N，徑向負載能力60N。采用英國Loadpoint公司B01020-AC交流驅動電主軸，主軸最高轉速90000r/min，軸向負載能力151N，徑向負載能力45N，軸向剛度5.8N/μm，徑向剛度1.3N/μm。

應用前景分析

　　現代先進飛機為了減重而大量使用薄壁結構，如高性能轉子零件廣泛采用復雜薄壁結構，其精度要求越來越高。航空發(fā)動機核心零件如尾噴管作動筒、鼓筒、整體葉盤、壓氣機風扇葉片等是典型的復雜薄壁結構零件且廣泛采用高強比材料，以達到減輕結構重量、提高結構效率的目的。在航空發(fā)動機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雜、葉型厚度薄、剛性差，加工刀具切削力較大的特點。這意味著強切削力作用下工件變形是影響加工精度的主要原因。此外，工件表層殘余應力可能引起相當大的扭曲變形，對加工精度具有不容忽視的影響作用，特別對航空薄壁結構件的影響更大。加工的復雜薄壁零件達不到設計要求，加工的零件就不是合格零件。如果用這種零件做試驗，試驗結果就不能反映設計性能要求。同樣如果將這種零件安裝到發(fā)動機上，工作性能也無法滿足設計要求。如何準確預測、控制工件表層的殘余應力和扭曲變形，改善加工表面的完整性，提高數控加工精度，一直是精密、超精密切削領域重要的研究課題。國外運用超精密無殘余應力加工實現這些薄壁零件的加工，而我國為了加工出合格復雜薄壁零件必須對復雜薄壁零件的受力變形量進行精確計算和預先補償消除。

　　實際應用試驗表明，在高精度機床上進行先進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、刀具參數對加工質量的影響與機床的性能分開，從而使得工藝性的研究方法更加科學、有序，可以大大提高先進航空材料加工工藝性的研究速度，縮短整機研制周期，提高發(fā)動的質量和性能。

結束語

　　超精密復合加工機床可以實現車、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。該機床的研制成功，將很好地滿足我國航空發(fā)動機等研制對加工設備的要求，對于推動航空工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。