中國工程院：航空航天及能源動力領域精密加工裝備技術發展戰略研究報告（217頁）.pdf

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1、 中國工程院咨詢研究項目 密級：編號：航空航天及能源動力領域精密加工裝備技術發展戰略研究報告 “航空航天及能源動力領域精密加工裝備技術發展戰略研究”項目組 二一三年十一月 中國工程院咨詢研究項目 密級：編號：航空航天及能源動力領域精密加工裝備技術發展戰略研究報告 項目組成員名單項目組成員名單 組 長：郭東明 副組長：賈振元 成員（姓氏拼音排序）：陳祥寶、戴一帆、丁漢、杜善義、段寶巖、段吉安、段正澄、馮培德、高航、鞏水利、何崴、黃瑞松、康仁科、雷明凱、李斌、李圣怡、梁迎春、劉廷毅、盧秉恒、王大森、王國慶、王立鼎、王玉明、熊有倫、徐性初、葉聲華、趙福令、鐘掘、周勤之、朱荻 “航空航天及能源動力領域

2、精密加工裝備技術發展戰略研究”項目組 二一三年十一月 I目 錄 摘 要.i 第一章 概述.1 一、課題研究的背景.1 二、航空航天及能源動力領域的現狀和發展趨勢.2 三、課題研究的必要性.9 四、課題研究的意義.12 五、本咨詢研究項目的內容和目標.13（一）內容.14（二）目標.16 第二章 航空航天及能源動力領域精密和超精密加工技術的發展趨勢及應用狀況.17 一、精密與超精密加工技術與裝備.17（一）研究內容.17（二）重要性.18（三）研究現狀與發展趨勢.22（四）幾種典型的超精密加工技術.26（五）基礎研究中的主要問題和差距.32（六）特種加工.39（七）復合加工.51 II二、大型低

3、剛度結構件精密加工裝備技術.60（一）多軸聯動與工藝復合化技術.60（二）測量加工一體化技術.71（三）加工變形的預測與補償技術.77（四）我國航空航天及能源動力領域典型零部件的加工技術和問題.85 三、大型復合材料構件精密加工技術與裝備.113（一）大型復合材料概況.113（二）復合材料機械加工特點.128（三）復合材料常規機械加工技術.130（四）復合材料特種機械加工技術.138 四、航空航天及能源動力精密測試技術與裝備.156（一）航空航天及能源動力精密測試技術概述.156（二）國外航空航天自動測試描述語言發展.162（三）在役航空航天復合材料結構的無損檢測技術.171（四）先進精密測試

4、檢測技術.177 第三章 總結與建議.188 一、發展配套體系建設.188（一）精密/超精密加工技術體系.188（二）航空航天及能源動力領域精密/超精密加工裝備配套體系.190 III二、我國航空航天及能源動力領域精密/超精密加工裝備技術發展的重要性及政策建議.193（一）精密與超精密加工技術對航空航天與能源動力領域的重要性.193（二）精密/超精密加工裝備技術發展的政策建議.194 三、我國航空航天及能源動力領域精密加工裝備產業發展政策建議.201（一）產業化要求.201（二）產業化中的問題.201（三）產業發展的建議.203 四、我國航空航天及能源動力領域精密加工裝備技術學科建設和人才培養

5、.204（一）學科建設和人才培養存在的問題.205（二）對學科建設和人才培養的建議.206 項目組成員名單.209 i摘 要 航空裝備、航天裝備和能源動力裝備是典型的高端裝備，其技術水平和制造能力是國防現代化水平、國家經濟安全和國家綜合實力的體現，在國防建設和國民經濟中有著舉足輕重、不可替代的地位和作用。十八屆三中全會通過的中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定中將國家安全放到突出的位置，這就賦予了我國航空航天及能源動力裝備制造業重要的歷史使命。航空航天及能源動力裝備的關鍵零部件的加工制造必需要使用精密加工裝備，從某種意義上說，航空航天及能源動力領域的精密加工裝備技術決定了該領域的技術水平

6、和制造能力?！肮び破涫?，必先利其器”，要想進一步提高我國航空航天及能源動力裝備的科技水平，必須重視相關的精密加工裝備技術，提升該領域的制造技術和能力。由于我國精密加工裝備研究基礎相對薄弱，長期以來，精密加工裝備的發展一直受制于人。盡快發展我國自主的航空航天及能源動力領域的精密加工裝備技術是我們面臨的艱巨而重要的任務。本咨詢項目動員了以機械與運載工程學部，信息與電子工程學部，化工、冶金與材料工程學部等交叉學科的專家力量，在調研和查閱國內外相關技術資料的基礎上，綜合分析了航空航天及能源動力領域的精密加工裝備技術的特點，國內外技術發展現狀和發展趨勢。為了研究工作的深入，本項目采用從典型到一般的方法

7、，選擇本領域典型的 4 類技術與裝備：（1）大型低剛度結構件的精密加工技術與裝備；（2）超精密加工技術與裝備；（3）大型復合材料構件精密加工技術與裝備；（4）精密測試技術與裝備等，進行分析、研究與綜合，凝練影響我國航空航天及能源 ii動力裝備制造關鍵技術問題。對我國航空航天及能源動力領域高端裝備所需的精密加工裝備產業發展政策、裝備技術發展政策、配套體系建設以及學科建設與人才培養提出了建議。建議：（1）國家針對我國航空航天及能源動力領域的精密/超精密加工裝備技術研究，加大“973”計劃、“863”計劃項目和國家重大專項的投入、管理和檢查力度，確保研究內容和目標的落實。加強基礎研究、應用基礎研究和

8、工程化，提高制造技術水平和制造能力。（2）著手規劃和組建精密/超精密加工技術國家重點實驗室，加強基礎、應用基礎和重大工程項目研究。（3）建立多學科交叉的航空航天及能源動力領域的“系統完備、科學規范、運行有效”的精密加工裝備技術研究體系，研究新的加工理論、加工方法及相關支撐技術。（4）建立航空航天及能源動力領域的精密加工裝備科技創新平臺與產業聯盟，形成完整的產業鏈，保證持續的高水平研究，增強產業化能力，研發具有國際一流水平的精密與超精密裝備和測量儀器。（5）更加重視核心部件和功能性零部件的研制和國產化，對相關研究部門和企業給予資金和政策支持。（6）注重各個層次人才培養，包括科技創新型人才、新技術

9、工程化人才和高端裝備的操作人才。我們要在十八屆三中全會通過的 中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定精神激勵下，不失時機，加快發展航空航天及能源動力領域的精密加工裝備技術，為該領域技術進步和產業發展的提供技術支撐。1第一章 概述 一、課題研究的背景 航空航天及能源動力裝備是典型的高端裝備，其技術水平和制造能力是國防現代化水平、國家經濟安全和國家綜合實力的體現，在國防建設和國民經濟中有著舉足輕重、不可替代的地位和作用。十八屆三中全會通過的中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定中將國家安全放到突出的位置，這就賦予了我國航空航天及能源動力裝備制造業重要的歷史使命，同時也為我國航空航天及能源動

10、力領域提供了新的發展機遇。當前，國際及周邊形勢的發展給我國航空航天及能源動力裝備制造業造成巨大壓力，國防和經濟發展的迫切需要，對航空航天及能源動力裝備制造業提出了更多地研制和生產性能優異的新型號和新產品的要求。航空航天及能源動力裝備制造業必須不斷提高技術水平，增強制造實力，才能滿足國防建設和經濟發展的要求。航空航天及能源動力領域的高端裝備中的關鍵零部件需要精密加工裝備加工制造。因此，精密加工裝備技術對提升航空航天及能源動力領域的技術水平和制造能力十分重要。由于我國精密加工裝備研究基礎相對薄弱，長期以來，精密加工裝備中的高端產品依賴進口，關鍵技術受到封鎖，發展一直受制于人。因此，應該從精密加工裝

11、備的制造技術基礎研究著手，針對航空航天及能源動力領域高端裝備制造工藝規劃、精密加工裝備設計方法與制造技術、功能部件開發、專業化配套體系建立、物理量-幾何量測試等方面存在的問題，綜合分析，理清發展思路，制定相應的發展政策。航空航天及能源動力領域高端裝備制造所需的精密加工裝備的發展涉及信息檢測與處理、結構拓撲與優化、自動控制與機器人技術、精密測試儀器與設備、光電一體化裝備、計算機仿真 2等科學和技術的相互交叉與融合，需要不同學科及產業的配套支持。我們需要充分調動各學科研究力量，在這一薄弱領域，加大投入，制定正確的發展路線圖及科技和產業政策，以圖獲得跨越式發展。本咨詢項目動員了以機械與運載工程學部，

12、信息與電子工程學部，化工、冶金與材料工程學部等交叉學科的專家力量，先后調研了中國航天科技集團和中國航空工業集團的骨干企業、能源動力領域裝備制造的哈電集團、沈陽鼓風機集團、以及精密裝備制造領域的沈陽機床集團、大連機床集團等，查閱了國外精密加工裝備制造技術發展的相關資料，進行了分析與綜合，力圖得到一份比較明晰的發展思路與建議，為我國航空航天及能源動力領域高端裝備制造技術的發展提出有價值的發展建議。二、航空航天及能源動力領域的現狀和發展趨勢 當前，航空航天及能源動力領域技術飛速發展，形成了新的特點與趨勢。在航空航天領域，隨著航空航天工業的技術進步，航空設備性能的不斷提升，航天器結構日趨大型化、輕量化

13、和復雜化?，F代飛機還要滿足隱身、超聲速巡航、超常規驅動、高信息感知能力、長壽命、結構輕量化等方面的性能需求。為滿足上述需要，航空航天結構件呈現出如下幾個方面的發展趨勢：（1）結構大型化 相對于以往的小型結構件焊接/連接、組裝模式，采用大型整體結構件可大量減少結構件零件數量和裝配焊接/連接工序，并有效減輕飛機整機重量，提高零件強度和可靠性，使飛機的制造質量顯著提高，如 F-22 戰機后機身整體框毛坯尺寸達到4000mm2000mm。（2）結構復雜化 3飛機整體結構日趨復雜，其外形多數與飛機的氣動外形相關，周邊輪廓與其他零件還有復雜的裝配協調關系。同時，薄壁加筋的結構使得結構件剛性弱，筋頂結構復雜

14、，壁厚最薄部位不足 1mm。（3）輕量化及材料多元化 隨著新一代戰機性能的逐步提高，新型高性能材料不斷引入，高強度、難加工材料和低密度輕質材料成為航空結構件的兩大類主要材料，結構件材料逐漸由鋁合金為主轉變為鋁合金、鈦合金、復合材料并重的局面。（4）制造精確化 精確制造對結構件形位公差和尺寸公差都提出了更高的要求，以滿足精確裝配的需要，如腹板最高精度達到0.1mm，比前一代飛機提高一倍以上。除了大型的結構件以外，還有包括航空發動機相關零件、大型薄壁零件、葉片等在內的典型零件的加工精度以及復雜程度都日益提高，人造衛星姿態控制和遙測器件、光刻和硅片加工等各種高精度平面、曲面和復雜形狀零件的加工需求日

15、益迫切，這些都對加工制造裝備以及裝備技術提出了更高的需求。航空航天設備從使用要求來看，普遍存在工作環境惡劣、重量輕、可靠性好、成本低的特點。設計要求看，由于零件的結構形狀復雜，需要采用許多新技術、新材料和新結構，對高溫和承力構件而言，多采用整體結構。零件加工精度、表面粗糙度要求高，對零件的表面質量還有特殊要求等等，這就需要采用先進的制造工藝技術。為了完成如此高精度高質量的加工，就需要大力發展精密超精密加工技術以及超精密加工裝備技術。而機床則是超精密加工 4中最重要的機械制造裝備。目前我國機床產值居世界第三，消費金額占世界機床消費總額的 1/4，位居世界第一。雖然如此，我國仍然不是一個機床強國，

16、許多大型超精密加工裝備主要依賴全盤進口，機床業的發展主要依賴于用進口機床來代替原有機床。在國際競爭日趨激烈的今天，把握超精密機床發展趨勢，借鑒國內外先進制造技術，自主創新研發，對提高我國的超精密加工裝備水平，促進我國經濟社會的良性發展，具有重要的戰略意義。航空航天產品在近年有了長足的進步，其產品設計中的精度要求及復雜程度越來越高，重量越來越輕，應對傳統的生產設備及工藝方法，效率低下，穩定性差，因此應用數控設備結合新型精密制造工藝也勢在必行。航空航天產品從構成上可分為主機（或主體結構）、發動機、機（彈、箭、星）載設備或部件等組成部分，以上各部分的零部件中的大多數需要經過切削加工，數控加工技術和數

17、控加工設備已成為航空航天產品制造中的主要需求之一。發達國家數控機床約占機床總量的 40%，在航空航天制造企業中，數控機床的比例則要高許多，有的高達 80%以上。在航空航天產品制造過程中，對數控技術與裝備的需求呈現出以下六個特點：機械加工的數控化率要求高，幾乎對各種類的數控機床都有需求；對數控機床利用率及數控加工效率要求高；數控加工已成為 CAD/CAPP/CAM集成應用及“無圖紙制造”的基礎；高速高精度數控切削加工已成為必然趨勢；要求對不同材料和結構的零部件數控加工工藝及切削參數進行優化；部分數控技術與裝備具有專用性。在飛機主機（機體）制造過程中，對多坐標、高速、高剛性、大功率的數控龍門銑床、

18、立式銑床、立式加工中心以及專用高速蜂窩銑床和長桁緣條銑床等數控加工設備的需求量大，主要用于整體構件（如機身、機翼、尾翼上的大型整體壁板、框等）、鈦 5合金、復合材料結構件以及其它高強度合金鋼的梁、肋、接頭類復雜結構零件等的數控加工。在航天產品主體結構的制造過程中，對數控技術與裝備的需求集中在數控旋壓機床、多軸數控銑削、數控車削、數控車銑復合加工中心等，用于各種彈體、箭體、星體結構的數控成形與數控切削加工。航空發動機制造對數控立式車床和立式車削中心、立式銑削加工中心、立臥轉換加工中心、數控鏜銑床、高效專用葉片加工中心、榫齒成形磨床、數控電火花加工機床等需求量大，主要用于采用難加工材料（多為鈦合金

19、、高溫合金或復合材料）、結構復雜的整體機匣、整體葉輪和葉盤等結構件和各種復雜型面葉片的加工。航天產品的發動機制造中，推力室內外壁結構、閥門、活門、轉子葉片等的加工，對數控銑床、銑削中心、精密數控車床、數控鏜銑床等數控設備有較多的需求。航空機載設備的關鍵部件種類多、尺寸小、結構復雜、精度高，對精密數控鏜銑床和加工中心、精密數控車床和車削中心、精密數控萬能外圓磨床、數控電火花機床和線切割機床等數控設備有重要的需求，以滿足各種殼體、閥體、液壓偶件、液壓平板閥、光管、激光陀螺反射鏡、非球面光學零件等零部件的精密、超精密加工要求。航天產品的彈、箭、星載設備主要為控制、導引、探測部件等高精度的精密儀器與機

20、械，對數控技術與裝備的要求主要是：精密數控車床和車削中心、高精度萬能數控磨床、數控光學坐標磨床和成形磨床、高精度數控電火花加工機床等?？傮w來講，無論是從數量上、精度上、功能上以及加工尺寸范圍上，航空航天產品制造對數控技術與裝備的需求量是十分明確和迫切的，數控機床的數量、性能、精度、加工能力及應用水平，在一定意義上，已經成為航空航天產品制造中的瓶頸問題。航空航天裝備制造業的整個產業鏈，都具有高端裝備屬性，6其中航空裝備制造具有更大的市場空間，未來政策扶持超預期可能性大，“十二五”航空裝備制造業預計將發生四個重大變化，行業迎來良好投資機會。航空航天制造工程的技術狀況，是衡量一個國家科技發展綜合水平

21、的重要標志。由先進制造技術支撐的航空航天工業被譽為工業之花，它集中代表了一個國家的最高制造業水平和技術實力。航空航天制造工程的發展水平，對飛機、火箭、導彈和航天器的可靠性和使用壽命的提高，綜合技術性能的改善，研制和生產成本的降低，甚至總體設計思想能否得到具體實現均起著決定性作用。迄今，航空航天制造工程又成為市場競爭的重要基礎。要發展航空航天工業并有效地占領市場，不僅要不斷地更新設計、開發新產品，更重要的是具備一個現代化的航空航天制造工程系統。很多新工藝、新材料、新設備、新技術都是在航空航天制造工程中率先使用的?？v觀世界航空航天裝備制造業局勢，世界共有上百個國家和地區建立了與航空有關的工業，但只

22、有大約 50 個國家和地區擁有與航空直接有關的產業集群，主要分布在美國西雅圖、法國圖盧茲、加拿大蒙特爾等。19992009 年，我國航天航空裝備的國際市場占有率逐年增加，美國為航空航天裝備出口大國，國際市場占有率年均值到達 35.66，其次是法國、加拿大、德國，中國航空航天裝備國際市場占有率小，不到 1（見表 1-1）。表1-1 19992009年主要國家航空航天裝備的IMS年均值（）國家 中國 美國 法國 加拿大 德國 IMS 年均值 0.57 35.66 17.62 6.11 15.42 排名 5 1 2 4 3 資料來源：http：/unstats.un.org./unsd/comtra

23、de/網站所查數據。7通過計算可以看出（見表 1-2），19992009 年，我國的 RCA指數和 TC 指數都是最低的。從 RCA 指數分析，中國 RCA 值遠遠低于 0.8，出口沒有顯示性比較優勢，且近幾年處于穩定狀態，競爭力未得到提升。美國、法國、加拿大 RCA 值均大于 1.25，且逐年增大；其中美國和法國均大于 2.5，具有較強的貿易競爭力，加拿大和法國次之。從 TC 指數分析，中國 TC 值小于 0，出口不具有競爭優勢。美國、法國、加拿大和德國均大于 0，美國 Tc 指數最高，且數值接近于 1，法國其次，近幾年一直處于穩定狀態。加拿大在 2003 年達到最高值后處于下降趨勢，200

24、9年有所回升。德國 TC 指數波動較大，趨勢不明顯?？傮w來說，中國的航空航天設備貿易競爭力弱，整體發展滯后。同時，美國實施“再工業化”戰略一方面將對我國的工業化產生巨大的影響，另一方面也將為我國高端裝備制造業的發展提供寶貴的借鑒意義。在此背景下，我國必須采取積極的應對措施，抓住國際產業轉移的機遇，提高先進制造業的自主創新能力，加大新興產業的投入，加快創新型國家的建設，重視航空航天領域高端裝備的科研和發展以應對航空航天領域新戰略帶來的挑戰。8表 1-2 1999-2009 年主要國家航空航天裝備的 RCA 和 TC 指數 資料來源：http：/unstats.un.org./unsd/comtr

25、ade/網站所查數據。9 在能源動力系統研究領域中，研究內容主要取決于世界能源發展與結構變化的趨勢和能源科學本身研究的發展。其研究可分為 3 代：第一代的研究以熱力學第一定律為基礎，一般通過提高循環熱力參數與部件內效率來求得較高的熱效率；第二代的特點是基于熱力學第二定律，注重能的品位差別與梯級利用以及不同循環有機結合，提出總能系統；第三代的研究突出可持續發展概念，注重總能系統與高效潔凈利用、優化經濟效果結合和能源與環境綜合滲透。國內外都對能源發展趨勢進行了大量研究，許多學者預測：世界能源結構將從以化石燃料為主的能源體系轉向化石燃料、核能、可再生能源等不斷變化的多元化結構，最終將建立以太陽能和核

26、聚變能為主的可持續發展能源系統。目前，能源動力科學的研究，正是在這樣的大背景下展開的。航空航天及能源動力技術的發展對精密加工技術提出更高的要求，其中某些關鍵零部件加工的復雜性已達到或超越了目前精密加工技術能達到的極限。以美國為首的發達國家正在投入巨資從事制造技術的研究，研究精密、超精密加工技術的新原理、新方法、新工藝和新裝備，以適應航空航天及能源動力領域技術發展的要求。三、課題研究的必要性 世界航空需求持續增長，特別是在亞洲，未來 20 年的乘客需求增長約為百分之五左右，預計到 2025 年將達到目前的兩倍。因此，未來的航空航天制造必須加強安全，并大大降低成本，相應的技術發展將會加速。隨著航空

27、裝備的導航、制導和控制精度的提高，要求制造出材料特殊（如高硬脆性、高強度、高彈性、高熔點等）、結構復雜、體積小、尺寸和形狀精度高于 1.0m 表面粗糙度小于0.01-0.02m 的機載設備零件。為了適應上述要求，美、英、日 10等到發達國家在高速數控加工技術、亞微米級超精密加工和復合超精密加工技術、納米級超精密加工技術，以及高強度、高硬度、高脆性材料加工技術等方面進行了大量的研究工作，很多成果已用于生產。微米級坐標鏜床已進入生產線，0.1m 超精密加工機床和各種超精密加工方法已廣泛應用于機載關鍵零件的批生產。單刃金剛石車削技術已用于激光晶體材料的加工，表面粗糙度可達 0.01m。用金剛石和立方

28、氮化硼砂輪的高速緩進強力磨削，可對難加工功能材料進行高精密（微米級精度 0.01m級表面粗糙度）無毛刺加工，能獲得復雜幾何形狀和極佳的表面完整性。工藝在美國已成批制造出各種功能材料的機載設備零件。如紅外線或紫外光學系統、激光陀螺系統、微波管光纖器件中的零件。近年又研制出激光微細加工中心。其視覺系統能提供加工過程的連續影像，并自動尋找、對準、測量和修正加工對象和加工精度可達百分之幾微米以內。該激光微細加工中心還適用于硬脆材料（如氧化鋁、碳化硅）加工。蝕刻線寬度 0.25m打孔直徑小于 75m 還可對各種材料的裸芯電纜和光纖進行焊接。在此背景下，我國更要加強航空航天領域的裝備技術發展戰略的研究。超

29、精密加工是尖端技術產品發展中不可缺少的關鍵加工手段。不管是軍事工業，還是民用工業都需要這種先進的加工技術。例如，關系到現代飛機、潛艇、導彈性能和命中率的慣性導航儀器儀表中的精密陀螺、激光核聚變用的反射鏡、大型天體望遠鏡的反射鏡和多面棱鏡、大規模集成電路的硅片、計算機磁盤及復印機的磁鼓等都需要超精密加工。超精密加工技術的發展也促進了機械、液壓、電子、半導體、光學、傳感器和測量技術以及材料科學的發展。從某種意義上說，超精密加工擔負著支持最新科學技術進步的重要使命，也是衡量一個國家科學技術水平的重要標志。因此，各國政府和軍方都對超精密加工技術十分重視，并 11投入大量資金和人力來開發這項新技術。航空

30、航天制造業是軍工制造業最為重要的組成部分，其技術水平和生產能力是國家制造業實力和國防科技工業現代化水平的綜合體現，在國民經濟和國防現代化中有著舉足輕重、不可替代的地位和作用?！笆濉逼陂g，我國航空制造業以發展支線飛機為重點，重視發展通用飛機、民用直升機和轉包生產，將初步實現民用飛機產業化。航天制造業以發展載人航天與探月工程、新一代運載火箭、大容量通信衛星、高分辨率對地觀測系統為重點。航空航天產品的性能將大幅提升，產品升級和更新換代速度顯著加快，零部件朝著高性能、輕量化、整體化、大型化、精密化方向發展。隨著航空航天產品制造技術的發展和進步，更加需要開發新技術、新型制造裝備以應對時代發展所帶來的

31、新需求：（1）對于航空器的設計制造來說，一個先進的設計方案，必須有相應的制造技術才能實現。因為現代飛機要求強度高、剛性大、重量輕、耐腐能力強、可靠性高、壽命長，結構又愈來愈復雜，因此對制造技術的要求也愈來愈高。有許多結構需要特殊設備和新工藝方法，這就充分說明了制造技術在航空發展中的基礎作用，必須使制造技術的預研與設計技術的預研同步發展，并與新機研制有一個相適應的超前量。（2）飛行器構件多，形狀復雜，制造困難大。例如，整體薄壁結構多、復雜面形多，需要大量工藝裝備和精度高的多坐標數控機床加工；承力構件多用輕型焊接結構，需要采用真空電子束焊、激光焊接、摩擦焊和高效弧焊等先進焊接技術；動力裝置各種小孔

32、多，其形狀、尺寸精度以及表面質量要求高，需采用激光、電子束、電火花和電解等特種加工技術；盤類零件輻板、軸的深孔加工，由于形狀復雜，須采用先進機械加工技術和新的工藝方法。零部件配合關系復雜，裝配精度高，要求加工精度也高。12（3）零件的加工技術要求高，表面粗糙度值小。需采用精密、超精密加工和檢測技術，如高精度數控坐標鏜床、高精度多坐標加工中心、高速拉削、數控車削、數控磨削加工技術以及三坐標數控測量機和激光檢測技術等。（4）零件表面質量的特殊要求，如耐磨、防腐蝕、抗疲勞等，需采用表面強化、噴涂、噴丸、滲、鍍等表面處理技術。（5）新材料、新結構的采用，需要應用新工藝。如以高能束流加工為代表的特種加工

33、技術。包括激光加工、電加工、磨粒流加工、高壓水切割、3D 打印技術等，以及新的表面技術和計算機集成技術等等。此外，能源危機，環境危機，可持續發展直接將新能源問題推到了一個新高點。中國的高速發展，使得能源需求巨大，國內能源供不應求，需從國外購買的越來越多；在 2009 年 12 月召開的哥本哈根會議上，中國承諾，到 2020 年，二氧化碳排放比 2005年下降 40%-45%，非化石能源占一次能源消費的比重達到 15%左右；溫家寶總理在 2012 年兩會所作的政府工作報告中明確提出，要積極發展新能源和可再生能源。所以，積極發展能源動力領域的技術就成為必然。當前，我國的高端裝備制造技術與能力與以美

34、國、德國和日本等為代表的發達國家仍有較大差距，高端精密加工裝備 80%以上依賴進口，尚未形成較完整的精密加工裝備制造技術體系。面對嚴峻的國際形勢和國內經濟發展的需求，著力發展我國獨立自主的高端精密加工裝備技術是我們不二的選擇。四、課題研究的意義 項目研究工作著眼于我國精密加工裝備技術的全面提高，從而提高我國航空航天及能源動力領域高端裝備的制造能力與水 13平，突破美、德、日等發達國家的技術壟斷和封鎖，實現“以我為主”的國際合作發展模式，促進我國航空航天及能源動力事業的跨越式發展。其意義主要體現在：（1）航空裝備、航天裝備及能源裝備是典型的高端裝備，其技術水平和制造能力是國防現代化水平、國家經濟

35、安全和國家綜合實力的體現，在國防建設和國民經濟中有著舉足輕重、不可替代的地位和作用。（2）航空航天及能源動力領域高端裝備難加工、輕量化、精密化、高效化、自動化、可靠性和經濟性的制造特點，對加工裝備提出了更高的要求，迫切要求傳統加工裝備向精密方向發展。面向航空航天及能源動力領域裝備的高端制造需求，開展高端裝備的制造技術、裝配技術及檢測技術的研究對航空航天及能源動力領域裝備制造業走向高端具有重大意義。（3）航空航天及能源動力領域中的精密加工裝備一直是各國機械制造業發展的制高點。我國精密加工裝備目前存在自主開發能力薄弱，專業化的配套體系尚未形成，相關功能部件發展滯后，產品自動化水平低，可靠性、精度保

36、持性差等狀況。精密加工裝備制造的國產化并沒有實質性的突破，基本還是依賴進口，其中關鍵加工裝備國外嚴格限制我國進口。為了滿足航空航天及能源動力領域裝備制造對精密加工裝備的迫切需求，必須自主研發航空航天及能源動力領域裝備制造所需的精密加工技術與裝備，突破精密加工裝備制造國產化的瓶頸，形成具有自主知識產權的精密加工裝備生產能力。五、本咨詢研究項目的內容和目標 我國由于精密加工裝備研究基礎相對薄弱，長期以來，精密加工裝備的發展一直受制于人。因此，應該從精密加工裝備的制造技術基礎研究著手，圍繞航空航天及能源動力領域高端裝備制 14造工藝規劃、精密加工裝備設計方法與制造技術、功能部件開發、專業化配套體系建

37、立、物理量-幾何量測試等多角度出發，綜合分析，理清發展思路，制定這一重要領域的發展政策。航空航天及能源動力領域高端裝備制造所需的精密加工裝備的發展涉及信息檢測與處理、結構拓撲與優化、自動控制與機器人技術、精密測試儀器與設備、激光電一體化裝備、計算機仿真等科學和技術的相互交叉與融合，需要不同學科及產業的配套支持。我們需要充分調動各學科研究力量，在這一薄弱領域，加大投入，制定正確的發展路線圖及科技和產業政策，以圖獲得跨越式發展。本咨詢項目動員了以機械與運載工程學部，信息與電子工程學部，化工、冶金與材料工程學部等交叉學科的專家力量，調研了國內航空航天及能源動力領域具有代表性的企業和機床制造龍頭企業，

38、查閱了國內外該領域的現狀和發展趨勢，經過認真地討論、分析與綜合，形成了本咨詢研究報告，力圖得到一份比較明晰的發展思路與建議，為我國航空航天及能源動力領域高端裝備制造技術的發展提出有價值的發展建議。（一）內容 航空航天及能源動力領域高端裝備制造所需的精密加工技術與裝備主要包括：（1）難加工材料（如復合材料、鈦合金、高溫合金等）制造技術與裝備；（2）適于復雜結構及薄壁結構加工的高速加工技術與裝備；（3）機載零件及能源動力關鍵零件亞微米級超精密制造技術與裝備、復合超精密制造技術與裝備及納米級超精密制造技術與裝備；（4）多軸聯動與工藝復合化的制造技術與裝備；（5）適于超大規格零件加工的大型、超大型制造

39、裝備；（6）高性能特種加工技術與裝備及專用數控加工裝備；（7）關鍵零件性能測試及加工一體化制造技術與裝備；15（8）物理量、幾何量精密測試技術與裝備。上述 8 種技術與裝備在航空航天及能源動力裝備的大多數關鍵零部件加工制造中都有應用。為了研究工作的深入，本項目采用從典型到一般的方法，選擇本領域典型的 4 種技術與裝備進行分析、研究與綜合，凝練影響我國航空航天及能源動力裝備制造關鍵技術問題，提出相應解決辦法，為制造技術的發展提出意見和建議。1、航空航天及能源動力領域典型關鍵零件的精密和超精密加工裝備技術的發展趨勢及應用狀況 著重對航空航天及能源動力領域典型關鍵零件的精密和超精密加工裝備技術進行如

40、下 4 個方向的研究：1）超精密加工技術與裝備 超精密加工技術與裝備包括：難加工材料零件、特別是機載零件及能源動力關鍵零件亞微米級超精密加工技術與裝備、復合超精密加工技術與裝備及納米級超精密加工技術與裝備、高性能特種加工技術與裝備及專用數控加工裝備等。2）大型低剛度結構件的精密加工技術與裝備 大型低剛度結構件的精密加工技術與裝備包括多軸聯動與工藝復合化的加工技術、加工軌跡規劃、測量加工一體化技術、加工變形的預測與補償加工技術等，加工對象如火箭儲箱、各類飛行器艙段、高溫合金和鈦合金整體葉輪和渦輪、葉片等。3）大型復合材料構件精密加工技術與裝備 大型復合材料構件精密加工技術與裝備包括大型碳纖維樹脂

41、基、金屬基、陶瓷基等復合材料構件的高表面完整性精密加工技術和裝備，如各類飛行器復合材料艙段、器件、支架、大飛機復合材料結構件的精密加工與裝配技術等。164）精密測試技術與裝備 1.精密測試技術與裝備包括關鍵零部件性能、物理量及幾何量測試技術與裝備等。2.我國航空航天及能源動力領域高端裝備所需的精密加工裝備產業發展政策建議。3.我國航空航天及能源動力領域精密加工裝備技術發展政策建議。4.我國航空航天及能源動力領域精密加工裝備配套體系建設。5.航空航天及能源動力領域精密加工裝備學科建設與人才培養。（二）目標 通過本咨詢項目的實施，從精密加工裝備的制造技術基礎研究著手，圍繞航空航天及能源動力領域高端

42、裝備制造工藝規劃、精密加工裝備設計方法與制造技術、核心部件與功能部件開發、專業化配套體系建立、物理量-幾何量測試等多角度出發，為航空航天及能源動力領域精密加工裝備技術的發展提出建議；同時，通過不同學科及產業交叉研究，對制定正確的發展路線圖及科技和產業政策提出建議。17第二章 航空航天及能源動力領域精密和超精密加工技術的發展趨勢及應用狀況 本項目選擇航空航天及能源動力領域裝備制造中 4 類主要的精密加工裝備技術，它們基本上代表了該領域精密加工技術的特點，通過對它們的分析、研究與綜合，可以找出影響我國航空航天及能源動力裝備制造關鍵技術問題。分析與綜合 4 種主要的精密加工裝備技術的發展現狀、發展趨

43、勢和我國目前存在問題，可以為今后的發展提出意見和建議。一、精密與超精密加工技術與裝備 精密與超精密加工技術指加工精度達到某一量級的所有制造技術的總稱。在當今科學技術條件下，精密加工技術是指加工的尺寸、形狀精度在 0.11m，表面粗糙度 Ra30nm 的所有加工技術總稱。超精密加工技術是指加工的尺寸、形狀精度在 0.1100nm，表面粗糙度 Ra10nm 的所有加工技術總稱。精密與超精密加工不但要有特殊的加工設備和環境條件，同時還要有高精度的在線檢測及補償控制技術的支持。因此，精密與超精密加工既與加工尺寸、形狀精度及表面質量的具體指標有關，又與在一定技術條件下實現這一指標的難易程度相關。精密與超

44、精密加工技術利用愈來愈多的最新科技成果，所涉及學科領域也愈來愈廣，成為一個復雜的系統，已不僅是一個專門的工藝技術，而成為包含當代最新科技成果的一個復雜系統工程。精密與超精密加工裝備是將精密與超精密加工技術研究成果工程化的工具與手段，它必須以精密與超精密加工技術研究為先導。（一）研究內容 如果以加工工具來劃分，精密與超精密加工技術與裝備的研究內容包括：18（1）精密/超精密切削加工技術與裝備 采用超硬刀具進行切削加工的技術，通常有車削、銑削以及相應的復合加工（如超聲波鏡面車削加工）。（2）精密/超精密磨料加工技術與裝備 采用固定磨料或游離磨料作為工具進行加工的技術，通常有磨削，研磨，拋光及相應的

45、復合加工（如 ELID 磨削，磁流變拋光）。（3）精密/超精密特種加工技術與裝備 采用特殊工具進行加工的技術，通常指用光、粒子束、電子束等高能束來進行加工的技術（如光刻、離子束拋光）。（二）重要性 精密與超精密加工技術是因應宇航技術和軍事技術的發展需要，于 20 世紀 60 年代初在美國形成和發展起來的。由于其在軍事技術和高技術領域的重要作用，被美國列為國家關鍵技術予以重點資助和發展。日本在 20 世紀 80 年代因重視超精密加工技術基礎研究，并將其應用于高技術產業，使得日本在微電子產業競爭中，取得了世界領先的優勢。超精密加工技術不僅成為各國重點發展的技術，而且成為衡量一個國家制造水平的標志。

46、在航空航天及能源動力領域，精密與超精密加工是不可或缺的技術，超精密加工技術和裝備在制導、控制與信息技術中起著十分關鍵的作用。航空航天慣性制導和導航中的陀螺和加速度儀表；飛機、導彈和航天器的液壓舵機、飛航控制伺服機構、姿控發動機飛機；軍用衛星的偵察與操瞄系統、精確制導導引頭、對地對空觀測照像機，相控陣雷達、相關電子器件設備及平臺構件等的制造也都離不開超精密加工。如美國民兵、型洲際導彈、北極星 MX 導彈、阿波羅飛船、波音飛機、國際空間站、洲際彈道導彈等使用了以液、氣、磁懸浮的技術為基礎的第三代陀螺（TGG），對制造精度提出更高要求，使陀螺的導航精度獲 19得了更高的精度。陀螺漂移僅 0.0001

47、5/h。鈹材料制成的慣性陀螺儀，給制造帶來了新的挑戰，使陀螺的精度和可靠性大大提高，重量、體積和廢品率也大大減小。例如美國土星運載火箭第一個全鈹平臺 ST-124M，性能提高了 10 倍，重量由原來的 54Kg 減低到 34Kg，鈹制液浮陀螺儀 G8 的平均故障時間間隔達到了28000h。在突破了超精密光學加工等關鍵技術后，激光陀螺技術進展迅速，目前最高水平的激光陀螺漂移小于 0.001/h，形成了二頻機抖、空間三軸、四頻差動等系列化產品，廣泛運用了航空航天中。國外光纖陀螺產品精度范圍覆蓋了從戰術級、慣性級到戰略級的各種精度，中等精度的光纖陀螺已經產品化，以用無人航空器和巡航導彈中。高精度光纖

48、陀螺目前在已經形成了一個新的研究熱點，在衛星定向、潛艇導航和導彈慣性制導等方面具有明確的應用背景。半球諧振陀螺運用于星衛，空間站上，運行時間超過 15 年。美國等先進技術國家的精密超精密加工技術已經形成產業，可以穩定地實現亞微米級加工精度，如靜電陀螺真球度可達到 0.03m，球形動壓馬達零件的真球度可達到 0.1m，激光陀螺光學反射鏡的型面精度達到 0.03 m，加工表面粗糙度達到0.5，可實現低成本、大批量生產，并且已經形成了精密超精密測量技術、儀器裝備和校準規范及溯源體系。超精密車、銑、鏜、磨削加工技術和機床用于航空航天的紅外探測元件和特殊功能元件的加工。超精密切削用于軟金屬，如無氧銅、電

49、解鎳和鋁。還可以超精密切削軟脆晶體材料，如，鍺、多晶硅、硫化鋅、砸化鋅、氯化納、氯化鉀、氯化鍶、氟化鎂、氟化鈣、鍺基硫族化合物玻璃、鈮酸鋰和磷酸二氫鉀（KDP）晶體等，這些功能材料廣泛用于紅外探測、電子和光學非線性轉換元件。超精密切削加工平面和球面反射鏡，表面粗糙度 210nm rms?？斓端欧吐端欧囅骷加瓤杉庸せ剞D非對稱、異形、20非球和自由曲面等，車削的非球反射鏡加工精度達/10/15RMS（=632.8nm），表面粗糙度優于 Ra 5nm，高低溫沖擊變形小于/5PV。照相偵察衛星是現代化高科技軍用裝備，大約占美蘇發射衛星總數的 90都是這類衛星。除了軍事偵察、空間制導與對抗、搜索、

50、跟蹤、監視和預警等軍事用途外，高分辨率對地觀測衛星還可進行國土資源普查。如：探礦、估產、地質地貌地圖測繪，天氣與災害預報，氣象、海洋觀測等民用目的。例如美國現役的“鎖眼”光學成像偵察衛星 KH-12，估計光學系統主鏡口徑約 34m，對地分辨率：可見光 0.10.15m，紅外 0.61m。著名的哈勃空間望遠鏡，其主次鏡均為雙曲面，口徑分別為 2.4m 和 0.3m?？梢杂^測到 120 億光年內的星系。NASA 正在研究下一代空間望遠鏡，計劃在 2015 年發射 James Webb 天文望遠鏡，其主反射鏡主鏡對角線長 6.5m，面積為 25m2(由 18 塊六邊形子鏡拼接而成)。增大空間相機光學

51、系統的有效口徑是提高光學系統分辨能力的基本途徑。鏡體輕量化要求使用 SiC 材料，鏡面面形越來越復雜，如離軸非球面、多鏡共面和自由曲面。鏡面面形精度越來越高，如優于/50 RMS，表面粗糙度優于 2nm。這些都對納米精度級的超精密光學制造提出了更髙要求。需要對超精密及納米精度研拋技術的新原理新方法進行研究，來實現光學反射鏡的超光滑表面研拋，非球面鏡和光學自由曲面零件的確定性研拋。這些技術有：計算機控制小磨頭拋光、磁流變拋光、離子束拋光技術、彈性發射，微磨粒射流和流體動壓拋光，機械化學拋光等。精密與超精密加工技術與裝備的重要性可歸納為如下幾點：（1）現代高技術戰爭的重要支撐技術 現代高技術武器裝

52、備，如精確打擊武器（導彈、制導炸彈），信息戰設備（衛星、21雷達、操瞄與探測設備、超小型計算機，等等），其關鍵部件制造都需要精密和超精密加工技術支撐。隨著武器型號的輕型化、精密化、微型化、集成化、自動化，對精密超精密加工技術的需求與依賴也越來越大。在超精密技術與裝備領域，工業發達國家至今仍對中國進行嚴密封鎖與禁運。（2）現代高技術產業的基礎 現代高技術產業建立在超精密加工技術基礎之上。中國因為超精密加工技術落后，造成高新技術產品的制造裝備和關鍵技術依賴進口的被動局面。因此“中國中長期科技發展規劃”將精密超精密加工技術列為制造科學與技術規劃研究的主要內容之一。（3）現代科學技術發展的基礎 現代科

53、學技術的發展建立在理論探索和科學實驗的基礎之上，現代科學技術研究所用實驗儀器與設備，幾乎無一不需要精密超精密加工技術支撐。先進工業國都將超精密技術看成技術和經濟的命脈。日本機械系統振興協會的調查研究報告科學技術用超精密技術認為超精密技術成果幾乎在所有產業中都將發揮作用，建議超精密技術放在振興基礎科學的重要位置。（4）制造科學發展的前沿 現代制造科學與技術發展有兩個主要方向，一是不斷提高生產效率和降低成本，二是不斷提高精度和產品質量。美國 20 世紀末在調查了數百位世界知名科學家與企業家的基礎上，對 2020 年制造業未來作了預測與展望，認為總的趨勢是：利用信息技術把人與資源優勢集成，進行并行和

54、可重組的全球網絡制造的研究；由宏觀制造進入微觀制造和創新工藝研究。筆者認為，21 世紀新產業革命的主導技術將是納米技術，超精密技術已進入在納米尺度進行加工和制造的研究。納米制造技術，也是超精密技術最前沿的研究課題。22（三）研究現狀與發展趨勢 1、精密與超精密加工裝備狀況 精密與超精密加工技術是美國于20世紀60年代初用單刃金剛石刀具切削鋁合金獲得鏡面開始的。由于國防的需要，40 年來不斷得到美國政府和軍方的財政支持，目前處于世界領先地位。由于誤差復印原理（Error Duplicating Principle），超精密車、銑、鏜、磨削加工機床都必須有很高的精度。20 世紀 80 年代，Uni

55、on Carbide Corporation（USA），Moore Precision Tools Limited Company（USA）和 American Air Force Weapon Research Institute（USA）制定了一個以 0.1m 形狀精度、加工直徑為 800mm 的大型球面光學零件超精加工為目標的超精密車床研究計劃Point One Micrometer Accuracy（POMA）計劃。該計劃所產生的影響十分深遠，其指標至今也尚未過時。20 世紀 90 年代日本學者在此基礎上提出需要達到的指標（見表 2-1）。表2-1 POMA計劃的精度目標值和今后的精度

56、目標值 誤差原因 今后的目標精度/m POMA 計劃值/m 位置檢測精度 0.005 0.05 定位精度 0.005 0.01 偏擺、俯仰、搖擺（0.05Arcsec）0.02 直線度 0.02 0.02 軸向跳動 0.005 0.02 23徑向跳動 0.005 0.02 主軸延伸 0.025 0.05 主軸驅動 0.01 0.01 熱影響 0.025 0.05 工件裝夾 0.025 0.05 形狀綜合精度 0.05 0.1 在商品化實用超精機床方面，世界上最負盛名的是 Taylor Hobson Limited（UK），其出品 Optoform，Microform 和 Nanoform等 3

57、 個系列的超精密機床。Moore Precision Tools Limited Company（USA）的Nanotech 350超精密車、磨床、特別是Freeform 700G5 軸超精密自由曲面銑、磨機床，代表了當前最先進水平。Precitech Inc.（USA）產生 Optimum 系列 6 種超精密機床銷售全球。Kugler Corporation（德國）生產的超精密車床 F 系列，金剛石磨床 A 系列等多種超精密機床。LOH 公司（瑞士）生產的 G系列光學零件加工機床全球盛名。University of Rochester（美 國）的 Center for Optics Manu

58、facturing（COM）是美國精密光學制造者協會（American Precision Optics Manufacturing Association，APOMA）、美國軍方、企業界和學會合作的一個研究中心。COM 在美國先進防御研究項目（Defense Advanced Research Program Agency，DARPA）的支持下，開發了 OPOTICAM 系列的超精密光學加工機床，包括 OPTICAM/SM&/FS 球 面 加 工 機 床 和 拋 光 系 統，OPTICAM/PL 平面拋光機床，OPTICAM/AM 非球面加工機床 24和 OPTICAM/PM 棱鏡加工機床，

59、2000 年開始進行“保形光學制造技術”（Conformable Optics Manufacturing Technology）的研究，開發了 Nanotech 150AG 非球面加工機床和 Q22 磁流變加工機床。Cranfield University（UK）精密工程研究所（Cranfield Unit for Precision Engineering，CUPE），由英國軍方支持研究開發了OAGM2500 六軸 CNC 超精密磨床、Nanocentrer250、600 非球面光學零件車床和大型超精密金剛石鏡面車床。1987 年，中國科學院長春光學精密機械研究所從美國引進超精密切削加工機

60、床 MSG325。近年來，北京機床研究所、北京航空精密機械研究所、中國科學院長春光學精密機械研究所、哈爾濱工業大學，國防科學技術大學、中國航天時代電子公司、上海儀表廠均已研制出超精密加工機床，但不論是性能穩定性、可靠性和功能完備性，還是在精度指標上都與國外商品有一定的差距。近年來，中國先后購買了多臺 Nanoform250 超精密機床，但更高檔次的超精密機床仍然對中國封鎖和禁運。中國在超精密加工的基礎研究水平雖有很大提高，但與國外相比，在總體上還有 15 年以上的差距。由于超精密機床設備技術含量高、種類多、批量小，關鍵部件缺乏國內配套產品。與國外相比，國內超精密專用加工與檢測設備差距更大，阻礙

61、了中國高新技術的發展以及國防現代化的步伐。2、精密與超精密加工裝備技術趨勢（1）高效、高精度加工 通過提高機床轉速和刀具進給速度縮短加工時間，通過提高運動部件剛度以提高精度和效率。（2）數字化、柔性化、復合化和加工及檢測一體化 Lawrence Livermore National Laboratory（USA）研制的 LODTM 25（Large Optics Diamond Turning Machine），為達到數十 nm 的形狀精度，除環境控制十分嚴格外（如溫度控制在0.0005），加工設備同時也是在線監測設備，采用多路高精度激光干涉系統對刀具及工件位置進行準確測量，加工系統承力結構與

62、檢測系統結構是分開的，以保證檢測精度。所用激光干涉系統分辨率達0.6nm，且光路基本上是在真空管路中傳輸。最終實現加工大型光學零件 1.4m 直徑，面形精度為 0.025m，表面粗糙度 Ra5nm。這一趨勢還體現在日本佳能公司的超光滑拋光機（CSSP），以及 Cranfield University（UK）CUPE 研制的 OAGM-2500 大型磨床上。（3）大型零件和微小結構的超精密加工 大型零件的精密超精密加工較之一般零件更為困難，特別是大型光學零件，不僅是因為這類零件的面形精度的要求很高（一般達 40），而且還要求表面及亞表層無損傷。例如，University of Arizona（美

63、國）的 Steward Observatory Mirror Laboratory（SOML）10m 口徑的 KECK 望遠鏡，法國REOSC 直徑 8.4 m 天文望遠系統反射鏡。激光核聚變、激光武器和空間像機等需大量大型光學零件。近 20 年來出現了多種高精，高效加工方法以及對應裝備。微小零件是指尺寸在數十微米至數毫米的零件，由于尺寸小，剛度差，給超精密加工帶來很大困難。為減少人類資源的消耗和對環境的污染，產品微型化，集成化是必然趨勢。目前不少微電子和光電子產品，以及宇航器中的微小零件愈來愈多。例如，光纖通信所用光學透鏡尺寸為 200m，微驅動器中的軸系，其零件不僅是三維結構，還要求很高的

64、精度和鏡面，特別是這些微小零件壁厚在數十 m 至數 m，加工后表面機械物理性能的改變，常常使整個零件或系統出現故障，造成嚴重事故。26（四）幾種典型的超精密加工技術 1、超精密切削加工技術 超精密切削加工技術是基于金剛刀具的車、銑、鏜加工技術。起初，超精密切削加工材料僅適用于有色金屬材料，經過不斷發展，拓寬了被加工材料的范圍，現已研究用于黑色金屬、玻璃、鍺、硅，以及各種功能晶體，有些光學單晶材料只能用金剛石切削加工才能保證晶體材料原來的光學特性，例如磷酸二氫鉀（KDP）晶體。另外，航空、航天上應用的各種金屬基復合材料，它們具備很好的性能，但作為復雜零件（例如陀螺儀表的復雜殼體，衛星天線），目前

65、尚未解決其超精密加工問題。不斷出現的新材料的超精密加工工藝方法，是超精密加工技術的重要研究方向。此外，金剛刀具的刃磨技術和檢測技術，以及多刃金剛石銑刀、成形金剛石刀具還在發展之中。2、超精密磨削加工技術 超精密磨削技術（Ultraprecision Grinding Technology，UPGT）是在一般精密磨削基礎上發展起來的。超精密磨削不僅要提供鏡面級的表面粗糙度，還要保證獲得精確的幾何形狀和尺寸。目前超精密磨削的加工對象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料和黑色金屬。納米級磨削（Nano Grinding，NG）的目標是形成表面粗糙度 35nm 的平滑表面，它可作為最終加工工序，即磨削加工后不需

66、拋光即可達到要求的表面粗糙度。作為納米級磨削加工，要求研究新的加工機理，其機床具有高精度及高剛度，以消除各種動態誤差的影響，并采取高精度檢測和補償手段。（1）塑性磨削（Ductile Grinding）機理與實現 針對脆性材料進行常規磨削加工時會出現表面微觀裂紋的問題而提出。這 27種磨削方式其切屑形成與塑性材料相似，切屑通過剪切的形式被磨粒從基體上切除，磨削后的工件表面沒有微裂紋形成，也沒有脆性剝落時的無規則的凹凸不平，表面呈有規則的紋理。塑性磨削的研究熱點集中在塑性磨削的加工機理。目前有兩種觀點，一種認為存在與工件材料特性和磨粒的幾何形狀有關的臨界切削深度，在臨界切削深度之內為塑性磨削；另

67、一種認為只有磨削溫度才是切屑由脆性向塑性轉變的關鍵。（2）鏡面磨削（Mirror Grinding，MG）理論與方法 鏡面磨削關注的不是切屑形成的機理而是磨削后的工件表面特性。其基本出發點是，要達到鏡面，必須使用盡可能小的磨粒粒度，并且磨粒在砂輪表面保持鋒利的棱角。ELID（Electrolytic In-Process Dressing）磨削是當前鏡面磨削發展較成熟的技術。（3）確定量微磨（Deterministic Microgrinding，DMG）DMG 是在綜合超精密磨削技術最新發展的基礎上形成的。它采用高剛度、高精度、高穩定性機床，通過精確控制砂輪的切削深度、磨削速度、進給量，以及

68、砂輪和工件之間的相對振動等參數，減小磨削加工過程的不確定性，減小工件表面的亞表面損傷，達到高精度、高表面質量的高效率加工。DMG 由 University of Rochester（USA）的 COM 提出，分粗磨、半精磨、精磨等 3 個階段進行磨削，其成型表面粗糙度可達到均方根值 RMS 3nm，優于研磨加工的質量，加工效率為傳統研磨效率的數倍。（4）性能優異的磨具制品 包括新型陶瓷剛玉磨料、微晶燒結剛玉砂輪、CB 寶石藍砂輪、金剛石或 CBN 磨料，超微細微粉磨料等的性能、工藝和應用研究。目前國內研究基本上是跟蹤國外技術發展展開的，其差距表 28現在，缺乏對加工機理的原創性認知，缺乏長期的

69、技術基礎積累，缺乏工業界的強烈需求牽動。鏡面磨削方面，日本鏡面磨削時使用的磨具粒度為 40008000#，微粉平均尺寸為 1.54m，加工后工件表面粗糙度可達Ra0.0030.005m。使用粒徑為 20nm 的 SiO2 超微細微粉及錫拋光盤對藍寶石單晶進行無損超精密研磨的拋光，可獲得 Ra1nm 的表面。Norton Corporation（USA）首先推出 SG 磨料（Sol-gel Abrasive）。它是由亞微米級的 Al2O3 晶體，采用溶膠凝膠（Sol-gel）工藝合成并經燒結制成的新型陶瓷剛玉磨料。近年來，Norton 又推出了 SG 磨料的第二代產品TG（Targa）磨料。它保

70、留了 SG 的優點，在磨料形狀上有了新的突破，很有細的棒狀晶態結構，適用于緩進給磨削及加工鉻鎳鐵合金、高溫合金等難加工材料。據稱，TG 磨料的材料切除率為剛玉的 2 倍，壽命為剛玉的 7 倍。國際上一些性能優異的磨具制品，如 Hermes 磨料公司（德國）CB 寶石藍砂輪、Tyrolit 公司（奧地利）的 CSS 砂輪、Cincinnati Milacron 公司（美國）的 MSB 砂輪、Noritake 株式會社（日本）推出的 CX 陶瓷砂輪，都是類似 SG 磨料的微晶燒結剛玉的產品。ABN800 和 ABN600 是 De Beers 公司（南非）開發的 CBN磨料。其磨粒均是微晶結構，具

71、有較高的抗壓強度和熱穩定性。其中 ABN800 有更獨特的晶體特性，磨料在受力破碎時無論大小都具有尖角，使其在使用過程中能始終保持鋒利的磨削性能。中國鄭州磨料磨具磨削研究所開發的噴涂陶瓷精密磨削工藝，其尺寸精度和加工表面粗糙度均與國外水平相當，磨削效率相當高。293、超精密確定量研拋加工技術 超 精 密 確 定 量 研 拋 加 工（Ultraprecision Deterministic Polishing，UPDP）技術的發展是以高精度、超光滑光學零件、大規模集成電路的硅片的加工需求為牽引的。由于高精度非球面光學零件（包括大型非球面鏡、高徒度非球面鏡、離軸非球面鏡和拼接子鏡和自由曲面鏡）的加

72、工基本代表了超精密加工技術的最高水平，超精密確定量研拋加工成為超精密加工技術發展的重點之一，國際上在這一領域的研究一直很活躍。其基本原理是通過控制研拋頭的形狀（形式）、壓力、運動形式等參數，使得研拋頭在單位時間內對工件表面材料的去除量及分布可知，通過控制研拋頭在工件表面的運動/停留時間去除殘余誤差，從而達到減小工件的面型誤差、提高工件表面質量的目的。這一領域的研究熱點包括可控性良好的研拋新原理和新方法，殘余誤差定量去除算法，中高頻誤差控制和抑制技術。近年來，這一領域的研究熱點是發展可控性良好的研拋新原理和新方法?？煽厝狍w光學加工技術（Controlled Flexible Optics Man

73、ufacturing，CFOM），例如應力盤拋光技術（Stressed Lap Polishing，SLP）、氣囊式進動研拋技術（Bonnet Tool Polishing，BTP）、磁流變拋光技術（Magnetorheological Finishing，MRF）、離子束拋光技術（Ion Beam Polishing，IBP），就是典型的案例。（1）應力拋光盤加工技術 是 20 世紀 80 年代中期University of Arizona（USA）的 Steward Observatory Mirror Laboratory（SOML）開發的大型非球面鏡加工技術。在剛體彈性變形數學力學建模

74、理論和計算機控制下，大尺寸磨具產生可控彈性變形，使之在徑向平移并旋轉的動態研磨拋光過程中產生與理論要求連續實時相吻合的面形。能動盤的變形特性在加工過程 30中可以實時干預和選擇。（2）氣囊式進動研拋技術 是 Optical System Laboratory of London（OSL）（UK）的 Bingham 等學者于 2000 年提出的一種新穎的計算機控制小工具研拋技術。（3）磁流變拋光技術 20 世紀 90 年代后期出現，是將電磁學、流體動力學、分析化學相結合而提出的一種新型光學零件加工方法，它是對確定性研拋理論的極大發展和豐富，非常適合光學零件高效、高精度加工的發展要求。上述技術在自

75、由曲面加工中具有不可小覬的潛力，但還有很多問題沒有解決，需要有新的理論和模型來分析和指導。4、超光滑表面加工技術 超光滑表面加工技術（Ultrasmooth Surface Finishing，USF）通常指表面粗糙度小于 1nm（rms），并且無亞表面損傷的加工技術。超光滑表面應用領域，一是以強激光、短波光學為代表的工程領域，主要目的是為了減小散射，提高抗破壞閾值；二是以磁記錄頭、大規模集成電路基片等器件為主的電子工業領域，表面粗糙度要求是磁頭與磁盤表面 Ra1nm，這已接近單個原子大小。從已有技術的材料去除方式看，超光滑表面加工技術有以下特點：（1）以機械磨削去除為主 以傳統拋光技術為依托

76、，采用輔助措施和精細磨料實現“極其輕微的磨削”，減小表面損傷，達到超光滑表面加工；（2）采用化學方法進行表面去除 實現無破壞層超光滑表面加工；（3）物理“碰撞”方法 將工件以原子量級去除量去除，實現超光滑表面加工。31超光滑表面加工的主要技術和方法有浴法拋光（Bowel-feed Polishing，BFP）、浮法拋光（Float Polishing，FP）、化學機械拋光（Chemical and Mechanical Polishing，CMP）、離子束拋光（Ion Beam Polishing，IBP）。大阪大學（日本）森勇藏等學者早在 20 世紀 80 年代發明彈性發射加工方法（Elas

77、tic Emission Machining，EEM），當時認為EEM 原理是高速微粒轟擊工件表面的原子，達到去除的目的。最近他提出，EEM 原理是微粒表面與工件表面發生固-固化學反應，可以達到原子級的平坦化?；瘜W機械拋光和最新發展的固結磨料化學機械拋光（Fixed Abrasive Chemical and Mechanical Polishing，FA-CMP），就是利用液-固表面化學反應，使工件表面達到 Ra1nm 的平坦化。最近有人提出等離子體加工（Plasma Chemical Vaporization Machining，PCVM），其原理是利用氣-固表面化學反應以達到原子級工件表

78、面平坦化。上述原子級平坦化加工方法，不僅有很高加工精度，也有很高的加工效率。例如，等離子體加工效率可達數百微米/min，而面形精度（PV）達到十數納米。雖然已有一些利用表面化學反應進行原子級表面平坦化加工的方法，但其原理至今尚不清楚，特別是被加工零件材料有成百上千種，而且不斷又有新材料出現。工件表面和表層結構和狀態，與不同固、液、氣成分、壓力、溫度、濃度等反應模型及化學反應方程等更多涉及物理與化學學科的研究內容，國外已有學者進行研究，中國至今尚未見到這方面報道（有關 CMP 研究除外）。32（五）基礎研究中的主要問題和差距 1、超精密復雜面形制造技術的理論和方法 光學自由曲面制造（Freefo

79、rm Surface Optics Manufacturing，FSOM）是典型的超精密復雜面形制造（Ultraprecision Complex Surface Manufacturing，UPCSM）。自由曲面（Freeform Surface，FS）是一種復雜的、不規則的非對稱曲面，曲面法向有定義且除頂點、邊和尖點外，法向處處連續。與常見的規則幾何形狀不同，自由曲面通常是由一系列控制點來定義，例如 NURBS 曲面，通過有理 B 樣條基函數及作為系數的控制點來定義。由于自由曲面各型值點之間可以沒有幾何約束，所以在設計中會給光學設計師提供很大的設計自由度，這意味著包含自由曲面光學元件的光學

80、系統能夠實現更加優異的光學性能（矯正像差、改善像質、擴大視場、增大作用距離），并且一個或少數幾個自由曲面鏡能夠代替較多的球面、非球面鏡，從而簡化光學系統結構、降低成本、減輕質量。在國防和軍事運用中，自由曲面可用于可見光瞄準器，微光夜視器，紅外探測設備，精確打擊運載工具和末制導（End Guided）智能炸藥中。自由曲面光學系統中常用作校正鏡，可提高光學系統精度，使光學系統更加緊湊。此外，光學自由曲面利用自身曲率的高階變化將光進行有目的和靈活的移動、扭轉、變形，以形成明暗截止線和所需的光形。因此，自由曲面光學元件將成為下一代照明系統、成像系統、光電通信產品的關鍵零部件。例如，V 形槽列陣、微鏡列

81、陣和 f-theta 透鏡等具有代表性的光學自由曲面將廣泛用于彩色顯像管，液晶顯示器、數碼相機、傳 33真機、掃描儀、激光雕刻機、光電顯示器、光纖通信等光電產品中。光學自由曲面（Optical Freeform Surface，OFS）是一類特殊要求的自由曲面，其主要特點是在形狀精度和表面粗糙度都必須同時達到很高的要求。光學自由曲面的形狀精度通常要求達到與光波長同量級甚至于更高的要求（一般為微米、亞微米級），表面粗糙度一般為納米、亞納米級。光學自由曲面的加工遠比普通光學球面和光學非球面困難，基于手工的加工方法效率很低、加工精度無法保證，而且加工品種受限。自由曲面的光學測試基本上還沒有解決方案，

82、必須首先從測試原理上取得突破。自由曲面的輪廓誤差評定問題，自由曲面的采樣策略以及測量不確定度等問題也面臨新的困難，因此需尋找新的數學工具和算法。在測量方面，工件的定位、夾緊過程自動化自動定位。工件定位是少、無夾具制造的基礎，能夠在保證精度的同時降低生產成本，大大提高生產效率和自動化程度。正是因為沒有顯式參考基準和數據量通常較大，工件的高精度定位問題成為難題。對于有色金屬材料、紅外晶體材料等軟材料而言，超精密切削是主要加工手段。自由曲面加工需要可以實現亞微米級加工的5 軸聯動超精密數控機床。這種裝備，中國尚未取得突破，國外對中國實行嚴格的技術封鎖?？蓪崿F大型自由曲面的納米級超精密加工的 5 軸聯

83、動機床，至今仍是一個全世界均未解決的難題。對于光學玻璃、硅化硅等硬脆材料而言，光學器件的超精密確定量研拋加工（如計算機控制小工具研拋（Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS）是主要手段。但對邊緣效應問題、34高頻斷帶問題，以及加工效率問題尚未很好解決。應力拋光盤加工（Stressed Lap Polishing，SLP）技術加工回轉對稱二次型非球面鏡方面有顯箸的優越性，磁流變拋光（Magnetorheological Finishing，MRF）是由“柔性拋光?！边M行的，流動液體實時適合零件復雜形面的變化，能夠適應大尺寸異形鏡面的加工。在理論上，它

84、們都可以加工高次非球面和自由曲面，但由于自由曲面較大曲率半徑梯度和不同曲率中心，給上述方法帶來新的難題。氣囊式進動研拋（Bonnet Tool Polishing，BTP）技術在自由曲面加工中各種參數、進動方式在自由曲面加工中的現象和因果關系還有待研究，也需要探索新的原理和方法。研拋過程的可控性、研拋加工的工藝和方法，以及超光滑無損傷表面加工機理和方法是研究的熱點。2、微/納加工表面/亞表面形成理論及其加工方法 光學零件的加工過程實際上是對材料的表面和近表面特性的改變過程，光學加工中最關心的不是整體材料特性（bulk properties）而是材料近表面（或亞表面）機械特性（near-surf

85、ace mechanical properties）。影響光學零件質量的因素除幾何精度（面形偏差、波紋偏差、粗糙度），還包含表面特性的變化，不同的加工方法及光學材料，其表面的機械響應特性存在著差異。以光學零件磨削和研磨拋光加工為例，固著磨料加工（Fixed Abrasive Machining，FAM）和游離磨料加工（Loose Abrasive Machining，LAM）有兩體加工（Two Agents Machining，TAM）和三體加工（Three Agents Machining），其去除機理是有差異的。在固著磨料加工（兩體加工條件）下，材料表面粗糙度與材料延展性系數相關，該系數包

86、括玻璃材質的硬度和斷裂韌度。在游離磨料加工（三體加工條件）下，表面粗糙度由玻璃材質的彈 35性剛度和硬度決定。試驗表明加工的工藝參數是被加工材料機械特性的函數，可見深入研究各類具有代表性的光學材料其機械加工響應特性，掌握其函數關系，是全面控制光學零件加工質量的理論基礎。國外（例如 University of Rochester（美國）的 COM）近年來開展了相關研究。目前國內在金屬零件加工、陶瓷零件加工方面對材料的表面近表面機械響應特性的研究較多，并且取得一定的成果，而光學零件加工表面機械特性的研究還鮮有涉足。納米加工表層形成機理的研究方面，超精密加工不僅朝著高精度趨勢發展，而且朝著零件小尺度

87、方向發展，即實現小尺度上的高精度和超光滑。當加工尺度達到納米量級時，分子間的結合鍵的斷裂，一方面達到分子量級的“去除”，另一方面這些結合鍵極其活躍，與其它分子和原子結合，將產生一系列介觀物理現象。用宏觀切削理論描述其加工過程和介觀現象，解釋表面形成機理已力不從心，必須尋找新的理論。例如，應該考慮用分子動力學、量子力學、原子物理、表面化學等的相關理論來研究這一加工過程，進而建立納米級加工過程理論，指導納米級超精密加工技術。20 世紀 80 年代末，Lawrence Livermore National Laboratory（USA）的學者首先應用分子動力學理論模擬納米切削過程，隨后其他國家學者也

88、開展了這方面研究。但至今尚不能很好描述納米加工表層形成的機理。除了分子動力學模型有其局限性外（因它未考慮量子效應的問題），另一重要原因是分子動力學計算的尺度范圍太小，與實驗尺寸相差好幾個數量級，兩者之間不能相比擬，而且目前的計算能力尚不能滿足研究需要。精密/超精密加工就是要使零件獲得所需要的“高品質”表面和表層。對于不同零件，它所需求的“高品質”性能是不一樣的，但往往不只是單一指標所能表達的。特別是隨著智能材料和功能 36晶體材料的出現，光電產品（例如，磁盤、光盤、芯片、磁頭和光電晶體器件等）要求表面和表層不但有良好的耐磨損、抗腐蝕、組織結構、平整度等機械性能，還要求有優良的電、磁、光性能。用

89、“完整性”（Surface Integrity，SI）描述加工后表面及表層的性能與狀態，自 20 世紀 70 年代起，就引起精密工程學術界的極大興趣，發表大量關于表面完整性評價的文章。但表面完整性的評價體系、表面特性的檢測、評價指標、模型建立、加工條件對表面特性的影響及其控制方法，至今尚未得到很好的解決。表面缺陷、亞深度層應力的檢測理論和方法目前還不成熟，如 John C Stover 對表面缺陷引起散射，從而影響成像質量進行了研究。但人們對于光學表面質量與光學性能和制造工藝之間的關系仍然不夠明確，不足以用來在加工過程中進行準確的預測預報和質量控制。3、超精密加工裝備的關鍵技術（1）模塊化設計

90、與構建技術 為了增加超精密機床的靜剛度和動剛度，一些超精密機床采用很特殊的結構，如三角棱形立式結構（Tetraform，TF）、最短“內連鏈”空間結構（Shortest Inner Chain）、內部阻尼和抗振的三角錐空間結構（Triconical Structure），這就要求建立超精尺度量級（Ultraprecision Scale）的設計、實驗方法和理論。為了適合超精密機床的技術進步，模塊化設計與構建技術是一項關鍵的技術。（2）超精密機床軸系與驅動技術 超精密機床軸系（包括回轉軸系和平動軸系）大多采用空氣靜壓懸浮、液體靜壓懸浮和磁懸浮等方式。氣浮主軸的最大優點是回轉精度高。由于氣浮誤差均

91、化效應，通常主軸回轉運動精度比主軸加工的圓度精度要高出 35 37倍。氣浮主軸直接驅動與動平衡問題，電機電磁振動消除、電機熱消除、主軸熱伸長補償以及多孔質高剛度氣浮結構、主動補償氣浮結構等新型氣浮結構設計與制造等都是一直在研究改善的問題。液體靜壓軸承與氣體靜壓軸承比較，具有承載能力大，阻尼大，動剛度好等優點，近年來很多超精機床都采用“液體靜壓導軌+氣體靜壓主軸”的組合模式。液體靜壓軸承油溫控制以及油泵振動控制、水靜壓軸承在超精密機床中的運用，都在研究和進步。精密滾珠絲杠是超精機床目前采用的驅動方法，氣浮絲杠、磁浮絲杠的理論與設計方法還在不斷完善。由于滾珠絲杠的彈性和Coulombs 摩擦力的存

92、在，微觀的 stick-slip 現象使力矩-位移特性呈非線性“磁滯環線”形式，會給控制帶來不利影響，摩擦控制理論與方法也是熱點之一。摩擦驅動技術廣泛用于精密機構的傳動中，是因為摩擦驅動具有運動平穩、無反向間隙等特點。直線電機適合于高速和高精度的應用場合，其速度和剛度都可大于滾珠絲杠傳動的很多倍。直線電機采用無機械減速系統的直接驅動方式，電機特性對運動平臺的動態特性影響極大，在特別是在超精密快速定位和軌跡跟蹤控制中仍有很多需要研究的問題。（3）高精度的定位精度 對于單個伺服軸的運動控制，當運動精度達到納米級時，傳統的超精密機床傳動方式在低速、微動狀態下表現出強非線性特性，常規的運動控制策略已經

93、很難保證伺服系統實現理想的納米級隨動精度。當機床作高精度復雜空間運動時，對指定輪廓曲線的跟蹤精度還取決于機床各維運動的動態特性和相互耦合。因此，要想得到高的跟蹤精度就困難得多。當輪廓加工精度要求達到亞微米級甚至更高時，多向運動誤差耦合對輪廓加工精度的影響就必須考慮。一些適當的控制技術（如 38解耦控制技術）可以將多維運動參數加以解耦來提高跟蹤精度，特殊的超精密輪廓控制中的插補方法可大大提高插補算法的理論精度和插補效率。（4）檢測、誤差建模與補償技術 超精密加工的在線工件直接測量幾乎是做不到的，因為加工過程的切屑、冷卻油、加工熱變形等不可避免地影響測量結果。通常在達到符合測量條件的情況下進行在位

94、測量可避免多次裝夾帶來的誤差，為下一次加工提供修正信息。超精密工件表面往往不允許接觸測量，因此，非接觸式超精測量儀器的研究和開發顯得特別重要。誤差建模 近年來，微分幾何，李代數和李群等數學工具用于復雜幾何形狀誤差的評定和分析，取得了一些成績，有望在超精密機床誤差分析中得到運用。在機床運動精度和工件形狀精度處于同一數量級時，多傳感器誤差分離方法是最有效的方法之一。例如，對主軸運動誤差和工件圓度誤差的分離，溜板的運動誤差與工件直線度的分離。圓度和直線度誤差分離技術已相當成熟，誤差分離技術需要推廣到圓柱度、平面度，以及復雜形狀零件超精密誤差測量與補償控制領域。超精機床條件研究 應包括超精密加工機床與

95、裝夾具、超精密刀具、刀具材料和磨料材料，以及刀具刃磨技術；超精密加工工藝；超精密加工環境控制（包括恒溫、隔振、潔凈控制）。4、建議研究的重要裝備技術問題（1）光學自由曲面制造技術的理論和方法 包括光學自由曲面零件高精度機械測量與光學測量新原理和新方法；大鏡面測量方法，工件的高精度定位、自由曲面的輪廓誤差評定、海量數據處理新的數學工具和新的算法；自由曲面光學表面成形、修形 39和拋光的新原理和新方法；光學自由曲面超精密機床關鍵技術與方法。（2）微/納米加工中的表面/亞表面完整性評價與控制 包括納米級加工過程的理論及表層形成機理；微/納表面及表層完整性評價理論、指標體系及其控制方法；表面完整性控制

96、新的工程方法；不同光學材料與加工參數對亞表面特征的影響與控制的方法；原子級表面平坦化加工新原理及方法；超光滑表面加工新技術和實驗方法。（3）超精密加工裝備與新型工具的關鍵基礎理論與方法 包括超精密機床高靜剛度和動剛度的特殊部件與整體結構，超精密尺度量級的模塊化設計、構建技術與實驗理論和方法；多軸超精密機床軸系與驅動技術，超精密快速定位和軌跡跟綜控制技術，超精密加工的在位檢測、誤差分離、建模與補償理論與方法；超精密磨削與研拋用新型磨具、固結磨料機械化學拋光墊（FA-CMP）等工具的科學設計方法與性能優化方法。（六）特種加工 特種加工（Non-Traditional Machining，NTM）是

97、利用物理能量或化學能量去除或添加材料以達到零件設計要求的加工方法總稱。表2-2 常用特種加工方法分類表 特種加工方法 能量形式 作用機理 英文縮寫 電加工 電火花加工 電火花成形加工電能、熱能 熔化、氣化 SEDM 電火花線切割加工 電能、熱能 熔化、氣化 WEDM 電化學加工 電解加工 電化學能 金屬離子陽極溶解 ECM 40 特種加工方法的加工機理以熔化、氣化、溶解、剝離、沉積為主，且多數為非接觸加工，對于高硬度材料、高韌性材料、復雜形面零件，以及低剛度零件是無法替代的加工方法。特種加工是對傳統機械加工方法的有力補充和延伸，并已成為機械制造領域中不可缺少的技術內容。按所采用的能量形式、作用

98、機理，以及加工原理，目前常見的特種加工方法見表 2-2。1、電加工（Electrical Machining，EM）1）電加工包含的內容和重要性 電加工（Electrical Machining，EM）是直接利用電能進行加工的方法集合。電加工包括電火花成型加工（Die Sinking 電解磨削 電化學、機械能陽極溶解、磨削 ECG 電解研磨 電化學、機械能陽極溶解、研磨 ECH 電鑄 電化學能 金屬離子陰極沉積 EF 涂鍍 電化學能 金屬離子陰極沉積 EP 超聲加工 切割、打孔、雕刻 聲能、機械能 磨料高頻撞擊 USM 激光加工 激光切割、打孔光能、熱能 熔化、氣化 LBM 激光打標記 光能、

99、熱能 熔化、氣化 LBM 激光處理、表面改性 光能、熱能 熔化、相變 LBT 電子束加工 切割、打孔、焊接 電能、熱能 熔化、氣化 EBM 離子束加工 蝕刻、鍍覆、注入 電能、動能 離子撞擊 IBM 等離子弧加工 切割（噴鍍）電能、熱能 熔化、氣化（涂覆）PAM 化學加工 化學銑削 化學能 化學腐蝕 CHM 化學拋光 化學能 化學腐蝕 CHP 光刻 光、化學能 光化學腐蝕 PCM 41Electrical Discharge Machining，SEDM）、電火花線切割加工（Wire Cut electrical Discharge Machining，WEDM）、電解加工（Electroch

100、emical Machining，ECM）、電鑄加工（Electroforming，EF）。電加工技術在諸多特種加工技術中無論是技術性還是經濟性都達到了相當高的水平，因此成為應用最為廣泛的特種加工技術。電加工技術在硬脆、難加工材料、復雜形狀等加工方面有著優越的性能，因此被廣泛應用于航空航天、武器裝備、微電子、機械、輕工、特別是在模具制造領域發揮著不可替代的作用。2）電加工研究的現狀和發展趨勢 伴隨著難加工材料及復雜形面加工而發展起來的電加工技術，以其獨特的加工機理和穩定的加工性能成為制造技術中不可缺少的加工手段。綜觀電加工技術的發展歷史，可以得出結論：特種加工的每一輪重大技術進步都是在基礎研究

101、取得重大突破后實現的。進入20 世紀 90 年代，人們開始了新一輪基礎研究，從電、熱、聲、光、磁等角度重新審視放電的基本原理。由于研究手段特別是分析、測試、計算手段的進步，獲得了許多前所未知的新認識，從而進一步提高和完善了電加工工藝技術，提出并實現了多種新的加工工藝技術。同時，應用人工智能、知識工程等實現了系統集成，反映在電加工系統中，就是軟件所占比重越來越大。在新的世紀，電加工技術將向著精密化、微細化、智能化、綠色化、高效化、復合化等方向發展?？梢灶A言，隨著新一輪基礎研究的不斷深入，必將使人們對特種加工工藝的基本現象、基本原理、基本規律的認識進一步深化，在揭示這些工藝技術的物理本質和規律的同

102、時必將促進特種加工工藝技術的重大進步，并不斷涌現新的工藝方法。任何一種實用的制造技術最終都要體現 42在工藝上，工藝方法的不斷完善與實用化表征了該技術的生命力與存在價值。3）電加工基礎研究中存在的問題與差距 部分研究領域同國外差距在縮小，但優勢研究領域系統性研究不夠 近年來，在微細電加工方面，中國的研究水平同國外差距正在縮小，有些基本同步。例如，在微細電火花加工方面，中國最早在國際上加工出 1mm 以下的三維自由曲面、微小渦輪盤；幾乎與國外同時研究出低電壓微細電火花加工的新方法；微細針尖的單次放電成型與微細電火花放電沉積技術比國外僅相差數年；在混粉鏡面電火花加工方面，新的混粉電火花加工裝置和加

103、工技術也獨具特色，技術水平與國外相當。但在這些優勢方面（例如微細電加工）還需要有更深入和更系統的研究，使理論與技術進一步提高，進而形成相對成熟與穩定的技術能力。研究缺乏創新 近十年來國際電加工研究進展精彩紛呈，很多傳統的學術觀念被一個個創新的研究結果所打破，從而引出一個個新的研究方向。仔細研究就會發現，凡是重大的突破都是質疑與挑戰傳統學說的結果?？v觀電加工的發展歷程，每一次重大的創新總是給電加工技術帶來重大的推動。國內研究選題以跟蹤國外研究方向為主，盡管“十五”期間有了明顯進步，也出現了一些具有創新思想的課題和成果，但總體上還沒有形成創新的氛圍和氣候，也鮮有像快速走絲線切割技術（WEDM wi

104、th High Wire Traveling Speed,WEDM-HS）這樣的創新與發明出現。加工機理研究不夠 電加工的微觀基本現象的研究還很不深入，對于放電過程的理解也沒有大的突破。受觀測條件手段 43限制，對于基本現象的觀察也不夠深入、直觀和徹底。近年來國外用新的測量方法和觀測手段對放電的基本現象從電、磁、光、熱、聲、力等多個視角重新審視，開始了放電機理的新一輪深入研究，并取得了對影響加工最根本的放電現象基本認識上的新飛躍。這些成果有可能在人們期待已久的高效、高速度、低損耗加工等方面帶來重大突破。同其他學科的交叉有待加強 電加工技術近年來也在積極探討納米尺度加工的可能性，并積極同納米學科

105、展開交叉。但由于知識結構的局限性，研究課題還多局限在制造技術在已有知識中尋求解決方案。例如在電火花加工中應用廣泛電極材料近20 年來幾乎沒有任何發展，主要是缺乏材料學科研究人員的介入，利用材料學科的最新技術提高其加工性能。在美國超過半數的微細電火花加工機床應用于生物醫學技術，而中國目前尚未進行研究。4）建議研究的重要裝備技術問題 微細電加工（Micro Electrical Machining,MEM）深入探討微細電加工方法的加工體系，探索材料去除與增長相結合的可逆微細電加工技術，并針對特種材料、復雜形面零件的微細電加工進行研究，形成系統化的微細電加工技術體系?；谛略硇路椒ǖ奶胤N加工新工藝

106、 充分發揮特種加工能量形式的多樣性，利用新的能量形式或最新技術發明電加工新方法和新工藝。同時關注新材料的發展，特別是難加工材料的發展，研究出針對其加工需要的新原理和新方法，實現特種加工的不斷技術創新。與生物、納米技術的交叉性課題 生命科學、納米技術以及其它高新技術的發展，迫切地需要新的加工手段。利用電加工自身的優勢特別是可以方便控制控制加工能量，形成納米加工能 44力，實現對生物技術中的制造需求。系統性系列化的加工機理深入研究 對加工機理進行系統的、穩定的、長期的支持，鼓勵采用新理論、測量手段、計算與仿真方法對加工的基本現象與基本原理進行深入系統的研究。通過國際合作，經過一段時間的努力，爭取能

107、夠在對加工機理的認知方面取得新突破，指導并帶動特種加工技術研究產生重大飛躍。2、高能束流加工（Machining with High Energy Density Beam）1）高能束流加工 高能束流（High Energy Density Beam，HEDB）指激光束、電子束、離子束及等離子體。高能束流加工（Machining with HEDB）指利用功率密度大于 103W/cm2的高能束流對材料或結構進行焊接、切割、打孔、表面改性、熔覆、成型、刻蝕，以及新材料制備等。按照高能束性質的不同，分為激光加工、電子束加工、離子束及等離子加工。在上述幾種高能束中，激光由于所具有的準確性、可以大氣傳

108、輸及方便地進行變換等突出優點，被譽為“未來制造系統的共同加工手段”。按照加工線度大小，激光加工分為宏觀加工和微細加工。按照光與物質的相互作用機理，激光加工可分為基于光熱效應的“熱加工”和基于光化學效應的“冷加工”。超短脈沖激光加工時，雖然作用機制是熱效應，但由于脈寬極窄，加工時沒有熱的沉積而對材料造成熱損傷，也屬冷加工范疇。目前，在工業發達國家，激光已經不再屬于特種加工工具，而成為一種通用的制造手段被廣泛使用。如果說 19 世紀是蒸汽動力時代，20 世紀是電氣時代，那么21 世紀無疑是光子的時代?，F代科學成果顯示，以激光為基礎 45的光子學將超越電子學。未來的趨勢是，越來越多的任務可以用光子來

109、完成。1998 年美國國家研究理事會發表報告“駕馭 21 世紀光學科學與工程”，其中指出：“激光技術將改變整個世界，除了成功應用于信息領域外，激光技術對經濟的貢獻在制造業（電子、半導體、機械、汽車、飛機等）和加工業?！?999 年，德國成立光學技術指導委員會，制定新的光學技術戰略方針“光學技術促進計劃”。計劃指出：“光學技術是德國許多技術發展的基礎、前提和先導。德國的光學技術居于世界領先地位是過去長期資助的結果，突出的例子是激光材料加工，尤其是在飛機及其零部件制造行業中激光技術的廣泛應用，使德國在這一領域內的競爭力得到明顯提高。當今德國有 12%左右的制造業與光學技術有關?！彪娮邮庸し譃殡娮?/p>

110、束熱加工技術和電子束曝光技術。電子束熱加工應用主要于航空航天領域一些特種材料的焊接。電子束曝光技術是微細加工的重要手段之一，主要應用于微電子器件、光電子器件和微機械的制造。離子束加工分為離子注入和離子束微細加工。離子注入主要應用于半導體材料制備和材料表面改性。離子束微細加工主要應用于微電子器件、光電子器件和微機械的制造。等離子體束加工包括等離子體噴涂、切割、成形、焊接等，主要應用于航空航天、能源動力和汽車等工業領域。2）高能束流加工研究現狀和發展趨勢 激光加工研究現狀和發展趨勢 20 世紀 60 年代激光問世之后即開始應用于小型、精密零件的打孔和脈沖焊接。目前激光加工已經形成了包括激光焊接、切

111、割、打孔、快速原型制造、金屬零件激光直接成型等十數種應用 46工藝，并且迅速地取代傳統的加工方法，在汽車、電子、航空航天、機械、冶金等工業部門得到越來越廣泛的應用。激光切割已在汽車工業中廣泛采用，取代沖孔和修邊模具，不僅節省大量的模具材料，而且縮短新車型的開發周期，實現轎車的小批量、多品種的生產制造。激光切割的發展方向是大范圍、三維、高速度、高質量、高精度和智能化?；诟吖馐|量激光源及飛行光路導光系統或光導纖維的大范圍三維柔性加工系統、三維空間軌跡的智能化生成及切割參數隨加工軌跡和激光頭取向的自動調整、切割質量的定量評價標準等是目前激光切割研究的重點。另一方面，除工業應用之外，激光切割也已滲

112、透到生物醫學領域，如心血管支架的光纖激光精細切割，這是值得關注的動向。激光焊接已經成為汽車工業的標準生產工藝，在減輕汽車重量、提高汽車的整體性和安全性、節能環保等方面發揮了重要作用。在飛機制造上，歐洲空中客車公司已成功采用激光焊接取代鉚接，實現了飛機機身高強鋁合金結構聯接技術的革命。目前及今后一段時間，激光焊接的重點領域仍然是針對運輸機械的輕型化，因此輕金屬結構材料如鋁合金、鎂合金的焊接、大厚度板的焊接及與傳統熱源疊加的復合焊接將得到快速發展。激光熔覆、激光合金化、激光表面淬火，以及熱噴涂與激光重熔復合 技術趨于成熟，但在國際上過去一直不是激光材料加工的主流。大功率半導體激光器的發展為激光表面

113、工程注入了新的活力。另一方面，隨著納米技術和超短脈沖激光技術的發展，激光納米復合表面熔覆和激光表面自身納米化技術開始引起關注。金屬零件激光直接快速成型是利用激光熔覆原理在激光快速原型制造技術基礎上發展的一項新技術，可以實現金屬零件的 47無模具高品質快速柔性制造，大量節省材料，顯著降低制造時間和成本，同時可以實現結構功能一體化制造。美國金屬零件的激光直接快速成型技術處于領先地位，并從實驗室走向了工業應用。另一方面，激光板材彎曲成形也引起人們的關注。新型激光技術近十年來各種微細加工制造技術紛紛問世，其中采用激光進行微加工制造就是當前倍受關注的技術之一，研究的重點包括激光-LIGA 技術、飛秒激光

114、三維精細加工技術（3D Micro-Machining Technique with Femtosecond Laser Pulses）、以及納米粉末及光凝膠激光三維加成微成型技術（3D Laser Micro Fabrication with Nano-Powder or Resin Solidification）。目前已制造出微米/納米尺寸的三維微結構體，但離實際應用還有相當距離。圖 2-7 所示為采用準分子激光制造的微齒輪及微結構。圖2-7 準分子激光加工制造出的微型齒輪和微結構 激光加工的主要發展趨勢：激光源的小型化和高效化 光纖激光器和半導體激光器將得到大力發展，在大功率的目標下，光

115、束質量不斷改善；被加工材料范圍、工藝方法和應用領域進一步拓展 鋁合金、鈦合金、鎂合金等輕金屬結構材料的激光加工將是最活躍的研究領域；綜合利用激光與傳統熱源的優點，激光復合加工工藝技術倍受到重視；金屬零件的激光直接快速成型快速發展；激光微納制造異軍突起 超短、超快激光（Ultra-Short and Fast Lasers）的出現，使激光與材料相互作用在人類技術史上產 48生 前 所 未 有 的 變 化，激 光 微 納 制 造 技 術（Micro-and Nano-Machining Technique with Lasers）成為激光制造的研究前沿。3、其他高能束流加工研究現狀和發展趨勢 1）

116、電子束加工 電子束焊接是電子束熱加工的主要部分，在焊接難熔合金和難焊接材料方面發揮了重要作用。近年來，國外對電子束熱加工的研究主要在于完善高能密度電子束熱源裝置；掌握電子束品質及與材料的交互行為特性，從而改進加工工藝技術，擴大應用領域等方面。電子束曝光技術（Electron beam lithography，EBL）是在掃描電子顯微鏡的基礎上發展起來的。20 世紀 7080 年代人們研究開發了一系列新技術，一批高性能的電子束曝光機被相繼推上市場，成為納米器件生產的主流光刻技術。2）離子束加工 離子注入 在工業化生產中已形成相當大的規模。離子注入技術與薄膜沉積技術相結合，生產高質量的特種薄膜，是

117、目前的主要發展方向。離子束微細加工 可分為：寬離子束（Ion Beam，IB）和聚焦離子束（Focused Ion Beam，FIB）。寬離子束微細加工在實際應用中往往需要掩膜才能實現微細加工，其加工精度受限于掩膜圖形的精度。聚焦離子束可以利用其自身的高分辨率，按設計要求，由計算機自動控制實現深亞微米甚至納米級的無掩膜加工，而且能把不同類型的器件制作在同一芯片上。聚焦離子束微細加工更適應實際生產需求和未來發展，是離子束微細加工領域里需要研究的一個重點方向。49 3）等離子體加工 等離子體切割（Plasma arc cutting，PAC）一直是金屬板材下料的重要手段，近年來研究重點一是提高切割

118、精度和切口質量，二是工程陶瓷的切割。等離子體成形（Plasma arc forming，PAF）是近年發展起來的零件成形技術，包括熔射成形和板材熱應變成形。等離子體掩膜刻蝕微細加工（Plasma ablation）是等離子體應用的新方向。4、高能束流加工基礎研究中存在的問題與差距 1）基礎理論研究薄弱 激光與材料相互作用是所有激光應用的基礎，材料加工是激光的重要應用領域。激光與材料相互作用不僅是激光加工工藝、方法和技術發展的理論基礎，而且也為激光加工光源與系統的研究和使用提供理論和實驗依據。中國的激光研究側重于光通信、激光武器和激光聚變等領域。在材料加工領域，激光與材料相互作用的研究僅局限于激

119、光輻照后材料組織、結構、性能等金屬學行為。實際上，激光加工時激光與材料相互作用不僅包括激光的快速加熱和冷卻、激光沖擊波作用等引起的材料組織結構和性能的改變以及應力應變，而且包括激光作用過程所中發生的一系列物理或化學現象，例如材料對激光的反射、透射和吸收，激光輻照加熱、熔化、汽化、離化和分解刻蝕，以及材料和環境氣體的變化對激光束的傳輸、聚焦和吸收的反作用。激光與物質的相互作用不僅取決于激光的特性和材料特性，而且與作用的外部環境密切相關。由于在激光作用的極小區域內，物質的 4 種存在狀態（固態、液態、氣態和等離子體態）共存，同時由于激光參數的多樣性、材料的多樣性和 50環境的復雜性，因而激光加工時

120、激光與材料相互作用的物理過程非常復雜，需要深入系統的研究。2）工藝技術的研究不受重視 工藝技術是裝備與應用之間的橋梁。長期以來，高能束流加工基礎工藝類課題在我國很難獲得科研立項。由于忽視工藝技術的研究與開發，不僅導致應用技術水平低，而且制約裝備技術水平的提高。激光加工的應用主要集中在表面處理和打標，激光三維切割和焊接等主流工藝技術在工業企業中的應用非常有限。3）激光加工光源與系統落后 激光器的研制不考慮應用的要求，單純追求功率指標，目前國產大功率激光器性能不能滿足切割、焊接等主流加工工藝的要求。作為激光加工系統重要組成部分的光傳輸理論、技術和系統的研究貧乏，激光加工機床還很原始，還沒有開發出真

121、正意義上的以保證激光光束傳輸質量為核心的激光三維加工系統。5、建議研究的重要科學與技術問題 1）高能束流與材料相互作用 重點研究激光與材料的相互作用，研究波長范圍從紅外到紫外、光強范圍為 1031012W/cm2、作用時間為 10-15102s 的激光與各種金屬和非金屬材料 4 種狀態（固態、液態、氣態和等離子體）相互作用的物理、化學、冶金現象和基本規律。2）激光加工光的傳輸、變換、檢測與控制的理論及關鍵技術 研究激光加工高光束質量高功率激光的傳輸與變換理論，光束橫截面強度分布的變化規律，高能激光與大氣（光導纖維）的相互作用，激光傳輸變換時光束質量的檢測和控制理論與方法，激光傳輸變換單元技術，

122、為光傳遞激光加工系統研制奠定理論基 51礎。3）激光三維微納米制造技術 重點針對下一代計算機芯片、生物芯片、微機電系統的制造，結合超短脈沖、超短波長激光技術的發展，研究激光三維微納制造新工藝、新方法和新技術。4）等離子體弧特性及其控制技術 研究等離子體弧診斷技術及獲取優質離子弧的關鍵技術，特別應深化對等離子體弧穩定性、能量分布等共性指標的控制機理的認識；研制可控性好、離子弧更穩定的加工裝備，在微弧加工裝備和大功率加工裝備研究方面取得突破。（七）復合加工 1、復合加工 復合加工（Hybrid Machining）指在同一工位和環境條件下，兩種或更多種不同原理的加工技術措施同時發生而復合形成的一種

123、新的加工技術。復合加工是先進制造工藝的重要組成部分，它交叉集合了多學科基礎理論，涉及復雜的基礎科學問題。復合加工過程中，熱、光、電、化學、電化學、機械等能量形式交互作用。由多種技術組分構成的復合加工中的每一技術組分有著各自的基礎理論，而復合后的技術不僅沿襲著這些基礎理論，而且產生了新的加工機理，引發出新的基礎科學問題。已有的復合加工大致分為 2 種形式，一是每一種技術組分都直接參與材料去除，二是一種技術組分承擔去除材料的任務，而其它技術組分通過改變加工狀態來輔助去除材料。大多數復合加工為兩種技術的復合，其中某一種技術為主導 52技術，另一種技術起到輔助作用。已經發展的復合加工形式主要有電解磨削

124、（Electrochemical Grinding，ECG）、電解珩磨（Electrolytic Honing，ECH）、電化 學 電 火 花 復 合 加 工（Electrochemical Electrodischarge Machining，ECDM）、電火花磨削（Electrodischarge Grinding，EDG）、磁力研磨（Magnetic Abrasive Finishing）、超聲輔助放電加工（Ultrasonic Vibration Assisted EDM）、超聲電解加工（Ultrasonic Assisted Electrochemical Machining）、激光

125、輔助車削（Laser-Assisted Cutting）、等離子輔助切削（Plasma Assist Cutting）、激光輔助電化學加工（Laser Assist Electrochemical Machining，LECM）、激光輔助化學刻蝕（Laser-Induced Chemical Etching，LICE）、激 光 輔 助 電 沉 積（Laser Induced Electrodepositing）、化 學 機 械 拋 光（Chemical Mechanical Polishing，CMP），等等。復合加工可按能量形式進行歸類劃分，例如可將電解磨削、電解珩磨等歸為電化學機械加工；也

126、可以按主導技術來確定復合加工技術的結構體系，例如可將基于電化學陽極溶解的各種復合加工技術歸為一類。一些復合加工技術已經在生產領域起到了重要作用，例如，化學機械拋光（CMP）已經廣泛用于電子工業中硅片的拋光生產；電解磨削/研磨（ECG）成為一種有效的特種磨削技術，在難加工材料精密表面加工和成型磨削中發揮了重要作用。復合加工一直是國際制造技術研究領域中受到特別重視的一個研究方向。研究工作重點在于深入揭示復合加工機理、加工設備的研制、加工控制策略的確定、復合加工新概念新方法的探索。532、復合加工研究現狀和發展趨勢 1）提高難加工材料的加工效率 近年來，隨著科學技術的飛速發展，許多產品需要在高溫、高

127、壓、高速以及惡劣環境中工作，因而高硬、難熔及具有特殊性能的材料得到廣泛應用。采用單一加工技術已很難滿足發展需要，提高難加工材料的加工效率是復合加工的重要研究方向。目前，已有許多復合加工方法用于難加工材料的加工，主要包括電解磨削、電解珩磨、電解電火花復合加工、超聲輔助車削、激光輔助車削，等等。電解磨削（Electrochemical Grinding，ECG）主要用于磨削高硬度零件，如硬質合金刀具、量具、模具等；對于普通磨削很難以加工的細長桿、薄壁套、成型面、深孔、小孔類零件，電解磨削也顯示出優越性。電解珩磨已在生產中得到應用，生產率高于機械珩磨，珩輪磨損量小。電解研磨在零件光整加工方面已經得到

128、很多應用。EXTRUDE HONE（USA）在電解磨的基礎上發展的高頻微動電解刮削技術（Orbital Electrochemical Machining）用于復雜形面的加工。該技術采用表面嵌有磨料的三維形狀工具電極進行搖動和振動組合運動。被刮削到的工件表面裸露出“新鮮表面”，隨之發生電化學腐蝕現象。這樣選擇性地去除工件材料，直到達到最后形狀。The University of Edinburgh（英國）提出電解電火花復合加工技術，電解加工和放電加工同時發生對工件材料實施去除，可以提高加工效率（與放電加工相比，加工效率提高 5 倍以上），并在一定程度上擴大可加工材料范圍（如加工半導體及絕緣體）

129、。542）在表面光整加工和精密加工中已經占有重要的位置 以改善表面粗糙度和提高加工精度為目的是復合加工發展的一個主要特點。此方面的研究活躍，主要工藝方法包括電化學輔助精密磨削（Electrolytic in-Process Dressing，ELID）、化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）、磁場輔助電解拋光（Electrochemical Polishing with Magnetic Field）。ELID 在 ELID 磨削過程中，機械作用和電化學作用分別發生在工件和工具上，因而是一種特殊形式的復合加工，是否歸屬于復合加工還存有不同觀點。ELI

130、D 技術根據陽極電解腐蝕的原理對金屬基精密磨輪進行在線修整，從而實現超細磨粒砂輪穩定、可控的磨削過程，獲得非常高的加工精度。由于解決了超細磨粒砂輪持續修銳的關鍵問題，同時裝置簡單，加工適應性廣，ELID 磨在日本已較廣泛用于電子、機械、光學、儀表、汽車等領域。Fuji Machine MFG.CO.，LTD（日本）采用 ELID 磨削技術加工鏡頭，鍍膜后直接用于望遠鏡和幻燈機，真正實現了光學鏡頭加工的以磨代研、代拋的工藝革命。東京物理化學研究所（日本）將 ELID 磨削技術應用于光學玻璃和碳化硅陶瓷等材料的非球曲面精密加工。黑田精工株式會社（日本）、不二越株式會社（日本）已經推出了系列 ELI

131、D 專用磨床。為適應綠色制造的要求，茨城大學（日本）開發了一種無環境污染非金屬粘結劑的砂輪作為 ELID 磨砂輪，實現了曲面（例如球面）的少無污染高效率加工。歐洲國家也開展了 ELID 技術的研究。Katholieke Universiteit Leuven（比利時）于 2002 年開展了基于 ELID 的納米磨削項目（NANO GRINDING），現已完成設備研制，該設備采用壓電陶瓷驅動，其運動精度高達 5nm，剛性達 150N/m。55國內研究單位已開展了 ELID 復合加工技術的研究，研制成功了 ELID 磨削專用的脈沖電源、磨削液和砂輪，在國產機床上開發出平面、外圓和內圓 ELID 磨

132、削裝置，有些技術已經在生產中得到重要應用。例如，北京興華機械廠用于加工動壓馬達零件，中國航天地面雷達中心研究所用于相陣列雷達互易移相單元陶瓷、微晶玻璃、鐵氧體等航天材料零件加工，等等?；瘜W機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）被認為是目前大尺寸硅片全局平坦化加工最有效的方法。它不僅可以在材料制備階段加工單晶硅襯底，還可以對多層布線金屬互連結構中層間電介質及淺溝槽隔離等進行拋光。該項技術在國外的發展已比較成熟，代表性的機床設備產品有 APPLIED MATERIALS ASIA/PACIFIC LTD.（美國）和荏原制作所（日本）生產的旋轉型研磨的 CMP

133、 裝置，LAM Research Corporation（美國）的皮帶平移式直線型 CMP 裝置，Novellus Systems Inc.（美國）為代表的軌道式 CMP 裝置。荏原制作所（日本）研制的旋轉型研磨技術的 CMP 裝置，以電化學反應去除膜層，不需要拋光液和拋光墊，只用純凈水即可；NOVELLUS 公司研制了無磨料的軌道式 CMP 裝置，其在銅加工中無渣，從而避免零件的二次劃痕；LAM RESEARCH 采用拋光墊不同位置不同的壓力法，解決由于線速度不同引起的拋光去除量不一樣的問題。拋光工藝方面的研究進展還有固結磨料化學機械拋光技術（Fixed AbrasiveChemical M

134、echanical Polishing，FACMP）、電 化 學 機 械 平 坦 化 技 術（Electro-Chemical Mechanical Planarization，ECMD）、無應力拋光技術（Stress Free Polishing，SFP）接觸平坦化技術及等離子輔助化學蝕刻平坦化技術（Plasma Assist Chemical Etching，PACE）。56磁場輔助電液流加工技術 在電解加工疊加磁場使間隙電力線的分布朝著有利于減少雜散腐蝕的方向改變，使得電解加工的精度提高。精度受間隙電場、流場影響，情況比較復雜。磁場可以改變帶電粒子的運動方向，同時磁場還會引起電解液分子結

135、構、電極過程的變化。3）在微細制造中發揮作用 微細制造 是實現微型化的基礎和支撐技術。進行微尺寸加工也是復合加工的一個發展方向。一些國家致力于發展微小型設備（如桌面工廠（Desktop Factory）加工微細零件，小型機床及微細工具是實現微細加工的關鍵技術。東京物理化學研究所（日本）研制了微型 ELID 外圓磨床，制造超硬材料的微細工具。在磨削微細工具時由于磨削力過大會出現崩塌現象，九州大學（日本）開發了超聲振動磨削復合加工技術，在磨削中通過超聲振動降低磨削力，避免崩塌現象，已制備出直徑 11m，長 160m 的微細超硬鉆頭。Kinki 大學（日本）提出了超聲波鉆削復合加工技術（Ultras

136、onic assist drilling），已采用該技術加工出 10m 孔。激光輔助化學或電化學加工 在化學刻蝕或電化學腐蝕過程中，當激光輻照工件表面時材料去除行為會發生變化，基于這一現象開展的研究工作比較活躍。激光輔助化學刻蝕可以顯著提高刻蝕效率。使用 Nd-YAG 激光輻照，陶瓷在氫氧化鉀溶液中的刻蝕率可達 200m/s?？涛g硅材料時效率比傳統方法要高數倍。激光輔助化學刻蝕已用于金屬材料微孔加工。在電沉積過程中，激光輻照可以加速離子遷移和沉積過程，使沉積速度得到顯著提高，從而有可能采取激光直 57寫方式進行特定圖案的電沉積。激光輔助電解液流加工的可行性已經被證實。在試驗系統中，電解液被泵入

137、密封腔，然后從噴嘴中高速噴出，射向工件。同時，激光束也輻照在工件上的同一位置。在電液流加工時，照射在加工區的激光束起到加速電化學反應的作用。對碳鋼和非鈍化電解液的試驗結果表明，激光輔助可以提高加工速度和減小雜散腐蝕。4）提高零件性能的復合加工 提高零件材料的性能是復合加工技術研究的熱點。復合加工的目的不限于零件加工成型的幾何特性，復合加工過程會影響零件的內在或表觀的材料結構，提高零件的機械性能。由于具有加工效率高及精度高等特點，激光加工在工業制造中已得到廣泛應用，但是由于激光是熱去除過程，其加工表面存在重鑄層，降低了零件的疲勞壽命。Laser processing Research Centr

138、e（英國）提出了化學激光復合加工技術，通過化學微溶解作用消除重鑄層，從而使零件的性能顯著提高。Brunel University（英 國）提 出 了 電 泳/電 沉 積 復 合 技 術（Electrophoresis/Electrodeposition），制造高性能零件及涂層。利用電泳沉積陶瓷顆粒，從而獲得高致密度、高材料性能的工件及涂層，這種技術在高性能涂層及器件制備方面具有發展潛力。機械摩擦復合電鑄（Vibratory Process）在電沉積同時對陰極芯表面進行機械摩擦，這樣有利于提高離子傳輸速度，消除氣泡吸附，增加電鑄效率和電鑄層質量。在此方面國內外已經取得顯著進展，其沉積表面無氣孔，

139、沉積速度提高一倍以上。LIGA 技術所涉及的高、深、寬比微結構件電鑄一直是研究熱點，在窄縫溝槽中獲得致密、飽滿、表面平整的電沉積層是其 58關鍵所在。在如此微小的結構（數微米到數百微米）中，粗大的結晶、陰極析出的氫氣泡的尺度可能會與微結構尺度相當，溶液傳質過程、電化學沉積過程出現特殊性。采取超聲電沉積復合方法表現出一定的效果，可以增加沉積層的致密性，國內外對此給予了足夠的關注。5）復合加工的發展趨勢 復合加工的目的和針對性更加明確，突出強化某加工性能指標，例如精度、表面質量、效率、微細程度，充分發掘、釋放復合加工的潛力和極限。尋求新概念復合加工。針對不斷出現的新材料、新結構，研究滿足特殊加工要

140、求的復合加工。復合加工已經不僅僅限于零件加工成型，而且通過影響零件的內在或表觀的材料結構，提高零件的機械性能。3、復合加工基礎研究中存在的問題與差距 復合加工是一個交叉學科，涉及很多學科領域的基礎理論，每一種復合加工有著自己特有的科學問題。關于復合加工的基礎研究還不夠系統深入，存在的問題如下。1）缺乏對復合加工共性基礎問題的研究 需要加強對復合加工的能量形式、復合方式、復合效果等基礎方面進行深入研究，構建復合加工結構體系，揭示多種復合加工之間的內在聯系和共性問題，為產生新原理復合加工建立指導性的基礎理論。2）新概念復合加工 國內復合加工方面的研究以跟蹤性為主，缺少原創性的研究。應加強新原理、新

141、概念復合加工的研究探索。工業發展對制 59造需求的不斷提高，相關技術的迅速發展，將有助于復合加工新思維、新方法的產生。4、應給予重視的前沿技術 1）新概念復合加工技術 針對新材料、新結構、新生產需求，進行多種能量形式的創新復合，形成新的復合加工方法，產生新的復合加工原理，工藝指標（加工效率、加工精度、工具損耗等）得到改善，或者獲得新的工藝效果。深入揭示其加工機理，探索掌握加工規律。2）提高零件機械、力學性能的復合加工 復合多種能量形式進行加工，在幾何成型的同時，改變零件的內在或表觀的材料結構，提高零件的機械性能。使復合加工提高工藝指標，例如加工效率、加工精度等，也兼顧改善零件的性能指標，例如表

142、面硬度、耐磨性、強度。3）構建復合加工的結構體系 揭示多種復合加工之間的內在聯系和共性問題，為產生新原理復合加工建立指導性的基礎理論。4）獲得超光滑、超平坦表面的復合光整加工新原理、新方法的探索。60 二、大型低剛度結構件精密加工裝備技術 為實現減重和提高比強度的目的，在航空航天、能源動力領域廣泛采用了大型低剛度結構件，如火箭儲箱、飛行器艙段、高溫合金和鈦合金整體葉輪、葉片等。從加工角度看，大型低剛度結構件通常具有薄壁、相對剛度低、加工工藝性差等特點，使得其加工制造非常困難。隨著大型低剛度結構件加工技術的發展，對其加工裝備技術發展提出了更高的要求，主要包括以下幾個方面。（一）多軸聯動與工藝復合

143、化技術 伴隨著數控 5 軸加工中心和車銑復合加工中心等多軸加工機床越來越廣泛的應用，適用于復雜結構零件高速高精加工的多軸運動控制技術越來越受到重視。對于航空航天、能源動力領域的大型低剛度結構件，通常既要保證零件的表面質量，又要保證加工的位置精度和形狀精度，對于這些零件的加工，一般都要求一次裝卡，一次定位加工成型，只有多軸聯動的加工中心，才能滿足上述要求。在目前，對于航空零部件，五軸聯動的數控銑床以及具有五坐標聯動控制、轉臺或擺頭結構的數控機床等復合設備的需求在不斷增加，工序和功能的復合化已經成為高端數控裝備的重要發展方向。1、發展趨勢 高速高精加工對運動控制系統有著更高的要求，為了達到對復雜曲

144、面的高速高精加工，當前的高端運動控制系統大都需要具備前瞻預讀控制、柔性加減速、高精度納米級插補、NURBS 插補和多重精度補償等功能。611）前瞻控制技術 主要解決運動程序段連續加工中頻繁啟動和停止導致實際加工時間延長的問題，現在復雜形面的數控加工普遍采用 CAM編程，其中機床運動的曲線軌跡會使用大量的微小線段描述，如果采用傳統的每線段升降速，勢必導致機床運動速度的頻繁變化，導致加工效率低下、表面加工質量差。因此，通過采用前置預讀對多段運動程序一起進行插補前加減速規劃以減少每程序段間的頻繁啟動和停止已成為適用于高速加工數控系統中必須采用的關鍵技術之一。一般情況下，前瞻預讀段數越多，機器進給速率

145、的波動就會越少，但對系統的運算性能也就要求越高，在FANUC 30i 數控系統已經可以達到 1000 段的前瞻控制能力。2）柔性加減速控制技術 主要是用于避免高速加工中加速度變化過大導致機械沖擊的情況。在復雜曲面的高速加工中，往往需要各運動軸在最短的時間內不斷地調整運行速度，即對各個軸的加速度性能要求很高。伴隨著直線電機、力矩電機等直接驅動技術的應用，機械本體的剛性變得越來越好，其所能達到的速度和加速度也越來越高。在傳統的中低速速度規劃方法中通常只對機器所能達到的最大加速度和最大速度進行限制，而不對加速的變化率加加速度進行限制，在對高剛性的運動機器進行控制時，如果使機器直接以最大加速度啟動或做

146、速度調整必然會產生較為明顯的機械沖擊，因此高速運動控制系統必須對機器的加加速度進行規劃，使加速度變化與速度變化一樣實現連續的變化過程?，F今高速運動控制系統，如海德漢 iTNC 530 數控系統和西門子 840D 數控系統中都采用 S 形加減速控制方法來解決上述中的問題。3）高速高精度插補技術 高速高精度插補技術是實現高速高精度控制的基礎，高速、62高精度的加工首先要求的就是極短的插補周期和更高的計算精度。在高精度插補方面已經有了納米插補的概念，即數控系統的插補模塊可產生以納米為單位的位置指令，數字伺服控制器根據此指令以納米為單位進行位置控制，納米級的插補對運動控制系統的處理器在浮點運算上有著比

147、通用處理器更高的要求，如在西門子 828D 數控系統中，其浮點計算位數已經達到 80 位，這在運算速度上為在納米級插補精度要求下實現曲線的高速插補提供了較充分的保障。對于模具、航空航天關鍵零部件等需要進行復雜曲線加工情況，最有效的方法是將 CAD 設計的自由曲線函數直接輸給運動控制系統執行。由于 NURBS 曲線曲面在 CAD 技術中的廣泛使用，支持 NURBS 直接插補功能的數控系統能夠更高精度的加工出零件的原有曲線輪廓，同時 NURBS 插補方法可以用較少的程序段更高精度的描述出由大量短直線段組成的程序，從而可有效的減少輸入加工程序量，此外由于 NURBS 曲線在節點內連續可導的特點，運動

148、控制系統中可以使用更加平滑的加減速控制策略。4）精度補償技術 是通過軟件技術手段對可測量或可預測誤差進行人為反方向消減誤差的技術，由于影響機床加工精度的不確定性因素較多，運動控制系統往往需要集成多種精度補償技術來達到盡可能高的最終控制精度。機床的幾何誤差（由機床本身制造、裝配缺陷造成的誤差）、熱誤差（由機床溫度變化而引起熱變形造成的誤差）、切削力誤差（由機床切削力引起力變形造成的誤差）、刀具磨損誤差是影響加工精度的關鍵因素，這 4 項誤差可占總加工誤差的 80以上。與此相應的常用的精度補償技術有反向間隙補償、螺距補償、溫度補償和刀具磨損補償。63在上述補償技術中有些是需要根據精度影響因素的實時

149、變化而進行動態誤差補償的，如溫度補償、刀具磨損補償等。目前數控機床誤差動態綜合補償已作為子課題列入國家科技重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”中。對于多軸運動控制系統的精度補償，需要依照具體機床結構進行補償，如刀具半徑和長度補償需要在工件坐標系中完成補償并經運動學逆解計算后才能變為各運動軸的調整量。這就需要運動控制系統具有靈活的刀具中心點位置控制（RTCP）功能以適應多種多樣的機床結構。此外，伴隨著伺服控制技術的不斷完善，針對伺服系統的誤差補償技術也得到了較好的實用化，如采用神經網絡技術的摩擦力補償方法可有效減小圓弧加工時的過象限誤差、多軸聯動加工中通過建立輪廓誤差補償模型并采用前饋控制技術

150、可得到較好的輪廓誤差補償效果。目前，國外的高檔數控系統如西門子 840D 已經有機的集成了多種精度補償的功能，其中就包括多維螺距補償、撓度補償、幾何誤差補償、溫度誤差補償、摩擦力補償、空間刀具補償等。典型的復合加工機床是數控 5 軸車銑中心，它是五軸車銑技術的載體，是指一種以車削功能為主，并集成了銑削和鏜削等功能，至少有 3 個直線進給的軸和 2 個圓周進給的軸，且配有自動換刀系統的機床的統稱。這種車銑復合加工中心是在三軸車削中心基礎上發展起來的，相當于 1 臺車削中心和 1 臺加工中心的復合。因此可以在 1 臺車銑中心上，經過一次裝夾，完成全部車、銑、鉆、鏜、攻絲等加工，其工藝范圍之廣和能力

151、之強，已成為當今復合加工機床的佼佼者，是世界范圍內最先進的機械加工設備之一。當前由于電主軸和大功率力矩電機的出現，使得實現 5 軸聯動加工的復合主軸頭的結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，因此使用復合主軸頭的 5 軸聯動機床和復合加工機床（含 645 面加工機床）目前都得到了較快的發展。與傳統的三軸加工機床相比，5 軸加工機床在加工精度和加工速度的控制上存在著以下難點：（1）5 軸機床的結構較為多樣，常見的就有三大類，不同結構機床運動方式不同，需要做單獨的運動特點分析。（2）由于旋轉軸的引入，機床控制中心不能固定在刀尖上，通過 CAM生成加工程序時，不能再是簡單的直線擬合加工圖形的方式，

152、而是要根據具體機床結構考慮非線性運動導致的誤差。（3）5 軸加工時對數控系統的性能有了更高的要求，在要求更高的運算能力的同時，為了達到較好的精度控制能力，要求數控系統能夠根據機床結構特點做到實時的軌跡控制。（4）由于刀軸矢量不再固定不變，5 軸機床在更加適于復雜形面加工的同時，對數控系統的運動控制性能要求更高，傳統的直線、圓弧插補方法和刀具補償方法已經不能有效實現復雜形面的高精高速加工。在三軸加工中為了解決復雜自由曲面的數控化加工問題，世界上的大型數控廠商，如海德漢、西門子、Fanuc，紛紛提出了利用 NURBS 直接插補的方式進行自由曲面的高精高速加工方法，并取得了較好的加工性能，目前基于

153、NURBS 的 CAD 圖形表示方法和數控插補方法已經在下一代數控標準 STEP-NC 中得到了廣泛應用。在對 5 軸機床的高精度控制上，為了實現對機床刀尖的準確控制，各大數控廠商也相繼提出了刀具中心點（RTCP）控制功能，使用該功能，用戶可以通過對刀尖點編程控制機床，無需進行復雜的后置處理過程，完全由數控系統內部實現坐標轉換與非線性誤差處理，這樣就為有效的解決 5 軸加工中刀具幾何與磨損動態補償的問題奠定了基礎。但是這些技術一直被各大數控廠商視為核心技術，始終不予公開。此外傳統的三軸 NURBS 插補方法，雖然擁有較多優點，但由于坐標軸數的不同，不能直接應用于更適合于復雜形面加工的 5 軸機

154、床，因此適用于 5 軸機床的 NURBS 插補技術正在成為 5 軸機床高速高精加 65工技術中的研究熱點。實現 5 軸機床的 NURBS 插補功能要正確處理以下問題：（1）用 NURBS 曲線準確描述 5 軸數控機床刀軸矢量的運動軌跡；（2）NURBS 曲線參數點的快速離散；（3）NURBS 曲線快速離散時，弦高誤差的實時控制；（4）針對不同機床機構的坐標轉換中非線性誤差的實時控制。為了推進 5 軸 NURBS 插補的實用化，必須考慮其在 5 軸加工中的空間刀具補償問題，同時為了適應 5 軸NURBS 插補對刀具路徑高精平滑描述的要求，需要采用比以往刀具切觸點矢量描述方法更加精確的刀具切觸點描

155、述方法才能保證整個 5 軸 NURBS 插補數據表示的高精確性。目前針對 5 軸NURBS 插補的研究依然較少，針對 5 軸 NURBS 插補中的空間刀具補償問題更是屬于當前 5 軸 NURBS 插補研究中的空白。此外，為了追求更為廣泛的適用性，很有必要將五軸 NURBS 插補和與之相關的 RTCP 技術和空間刀具補償技術推廣到更具普遍意義的多軸加工中，這其中的關鍵就是要建立具有更加通用性的 RTCP 技術。這是由于 RTCP 技術可以使得在多軸NURBS插補和空間刀具補償的實現過程中不必再去過多考慮機床自身的結構信息。當前世界上的主要數控廠商如德國的西門子和日本的 Fanuc 公司所推出的多

156、軸數控系統也僅能夠適應常見結構的五軸機床，對于其他結構的多軸運動機械還沒能做到很好的支持。故研究更具有通用性的多軸 RTCP 技術也是當前多軸數控加工領域的重要發展方向。2、我國的技術狀況 目前國內沈陽機床廠已有能力生產五軸車銑復合機床，其生產機床具有 X、Y、Z、B、C，5 軸聯動功能，特別適用于軍工、航天、航空等加工制造行業的復雜零件的加工，零件經一次裝卡可以加工完成全部或大部分工序，大大提高了工作效率，保證零 66件的加工精度。但是在機床的可靠性、精度和精度保持性等方面與德國、日本、意大利和美國等國家生產的同類機床仍有很大差距，機床上的關鍵功能性零配件，如數控系統、傳感與執行器件和精密軸

157、承等仍依賴進口。傳統的自由曲面主要采用球頭銑刀在三軸機床上完成。隨著多軸數控技術發展，三軸數控加工的缺點日益暴露，五軸數控加工以其在質量和效率方面的顯著優勢吸引著越來越多專家學者的目光。5 軸數控加工是實現大型與異型復雜零件高效、高質的重要手段。五坐標機床在三個軸的基礎上增加了兩個轉動軸，不僅可以使刀具相對于工件的位置任意可控，而且刀具軸線相對于工件的方向也在一定的范圍內任意可控。因此，五坐標加工具有以下特點：（1）可有效避免刀具干涉，加工三軸機床難以加工的復雜零件。（2）對于直紋面零件，可用側銑加工一刀成型，加工質量好、效率高。（3）對一般立體平面特別是較平坦的大型表面，可用大直徑端銑刀端面

158、進行加工，走刀次數少、殘余高度小，可大大提高加工效率與表面質量。1）5 軸聯動數控電火花加工裝備集成技術 5軸聯動數控電火花加工裝備代表著當今國際同行業裝備技術的先進水平，由于具有 5 軸聯動的功能，所以相應的數控電火花加工裝備能解決一些關鍵零部組件的加工難題，對先進技術制造業具有重要的作用。掌握 5 軸聯動數控電火花加工裝備集成技術，可推動我國多軸聯動數控電火花加工設備關鍵技術進步，滿足我國先進制造技術對先進加工裝備的需求。67 為了滿足我國航空航天產品復雜結構零組件的加工要求，突破先進特種加工制造裝備的關鍵技術，實現 5 軸聯動數控電火花加工裝備的國產化，一方面要考慮裝備的先進性和實用性，

159、另一方面還要兼顧我國特種加工裝備專業生產廠家的現有技術能力。在充分利用現有成熟技術的情況下，研究新的單項適配技術，再通過裝備的技術集成，使得 5 軸聯動數控電火花加工裝備的關鍵技術指標達到國際先進水平。5 軸聯動數控電火花加工裝備的工作臺須采用優質花崗巖（00 級），熱變形小、精度保持好、絕緣性好。裝備的主軸（Z 軸）采用研磨級高精度滾珠絲杠，精密級直線導軌，高精度球軸承。X、Y 軸選配高精度絲杠和精密級直線導軌，具有摩擦力小、運動精度高、精度保持性好、使用壽命長等優點。X、Y、Z 軸采用交流伺服電機，電機、編碼器一體化，具有高精度、高密封性，保證裝備良好的動態特性。一般直線運動軸定位精度要求

160、到 5 m/100mm、重復定位精度達到 2m，裝備的主體應可實現三軸聯動加工的基本功能。數控系統是機床運動控制的核心。電火花加工數控系統的控制對象包括伺服電機、機械系統、人機界面、電加工參數輸入輸出接口等，控制參數多。而且由于電火花加工自身的特點，在進行多軸聯動加工時，除涉及到一般的軌跡控制外，還必須兼顧諸如抬刀控制、放電伺服控制、原軌跡回退/進給控制、搖動控制、插補控制及各種狀態監測等眾多實時性要求非常強的參數，是一個非常龐大的控制系統。高性能的脈沖電源是先進軸聯動數控電火花加工裝備的基礎保證之一，只有配備高性能的脈沖電源，才能達到理想的加工效果。高性能脈沖電源一般具備以下典型特征：具有閉

161、環自動穩壓功能；具有短路、過流、過壓、缺相等多項保護功能；具有鏡 68面加工回路、低損耗電感回路、間隙檢測回路等。通過 5 軸聯動數控電火花加工裝備的集成，裝備運行采用 G代碼控制，可實現 5 軸聯動加工，并具有多種自動定位功能、在線檢測功能、多種加工模式（多孔加工、用戶程序加工、手動加工，單個加工條件下進行加工、自動加工等功能）、搖動功能等。通過攻克多項關鍵技術，突破國外先進技術的壁壘，獨立自主地研制并成功地集成出 5 軸聯動精密數控電火花加工裝備，有利于提高我國先進數控電火花加工裝備的設計及制造水平，有利于推動我國先進數控加工設備的發展，甚至走向國際化，同時還能滿足我國國防科技工業多領域對

162、先進特種加工關鍵設備的需求，具有重要的現實意義。2）整體葉輪 5 軸數控加工技術工藝策略 5 軸數控加工機床的選擇 一般情況下，5 軸數控機床是由三個移動軸和兩個回轉軸構成，根據回轉軸配置的不同，5 軸數控機床的結構類型有很多種，但根據軸的分布情況，可分為以下三種基本類型。（1）主軸傾斜型（刀具向雙擺動）5 軸數控機床 這種機床的兩個旋轉軸都在主軸的刀具側，也稱雙擺頭機床，兩個旋轉軸一般是繞 X 軸旋轉的 A 軸和繞 Z 軸旋轉的 C 軸組合或者是繞 Y 軸的 B 軸和繞 Z 軸旋轉的 C 軸組合。主軸傾斜型 5 軸數控機床可進一步細分為十字交叉型、刀具偏移型和刀軸俯垂型。這種機床是目前主流的

163、 5 軸機床配置的主要形式之一，其優點是主軸加工靈活，工作臺可以設計得非常龐大，機床具備較大的 X、Y、Z 方向上的工作行程等，這種機床的缺點是將兩個旋轉軸都設置在主軸頭的刀具側，使兩個旋轉軸的角度行程受限于機床電路線纜的阻礙，一般 C 軸的連續角范圍小于 69360，A 軸或 B 軸的連續轉角范圍小于 180。（2）工作臺傾斜型（工作臺雙回轉）5 軸數控機床 這種機床的兩旋轉軸都在工作臺側，也稱雙轉臺機床，兩個旋轉軸通常是繞 X 軸旋轉的 A 軸或繞 Y 軸旋轉的 B 軸和繞 Z 軸旋轉的 C 軸的組合。工作臺傾斜型 5 軸數控機床可進一步細分為以下三種：A 軸和 C 軸布置在工作臺上、B

164、軸和 C 軸布置在工作臺上和 B 軸俯垂型。其優點是主軸的結構比較簡單，主軸剛性很好，制造成本相對比較低，同時，這種機床的 C 軸，可以獲得無限制的連續旋轉角度行程，其缺點是由于兩個旋轉軸都在工作臺側，使得這類 5 軸機床的工作臺大小受到限制，X、Y、Z 三軸的行程也相應的受到限制。另外，工作臺的承載能力較小，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。（3）工作臺/主軸傾斜型 5 軸數控機床 這種機床一個旋轉軸在主軸頭的刀具側，另一個旋轉軸在工作臺側，也稱擺頭及轉臺機床，這一類機床的旋轉軸結構布置很靈活，可以是 A、C 軸的組合，B、C 軸組合或 A、B 軸組合，大部分的這類機床的配置形式是繞

165、Y 軸旋轉的 B 軸和工作臺繞 Z 軸旋轉形成的 C 軸的組合。這種機床結構配置方式簡單、靈活，同時具備主軸傾斜型機床和工作臺傾斜型機床的部分優點，制造成本低，非常實用。數控加工刀具的選擇 實現高速、高效和高精度的數控加工，不僅需要具有高速、高精度和高自動化程度的數控機床，而且還需要性能好的數控加工刀具，同時還需根據加工對象的不同，合理的選擇數控加工刀具。目前的涂層刀具、立方氮化硼刀具和陶瓷刀具等已使刀具的切削性能有了大幅度的提高，通常條件下，應用于數控加工的刀 70具有平底立銑刀、端銑刀、球頭刀、環形刀、錐形刀和鼓形刀等。刀具的選擇 應根據機床的加工能力、工件的材料性能、切削用量和其它相關的

166、因素來選擇。選擇刀具總的原則是安裝調整方便，剛性要好，耐用度要高，在滿足加工要求的條件下，盡量使用較短的刀柄，從而提高刀具加工的剛性。數控機床上所使用的刀具和普通機床上的相比，有許多不同的要求，如：剛性要好，精度要高，抗振和熱變形??；互換性要好，以利用快速換刀；切削性能要穩定性和可靠性好；刀具的尺寸要便于調整；刀具應能很好地斷屑；刀具要系列化、標準化，以便于編程和刀具的管理。切削用量的選擇 確定了刀具后，還需要選擇合理的切削用量才能進行切削加工，數控切削用量主要包括切削速度、進給速度和切削深度等。切削用量選擇的合理程度關系到數控機床能否發揮出機床的潛力和刀具的切削性能，對生產率和產品質量的提高

167、，降低生產成本都起著非常重要的作用。合理選擇切削用量的原則是：在粗加工時，一般以提高生產率為主，但應考慮經濟性；半精加工和精加工時，應該在保證加工質量的條件下，兼顧切削效率和加工成本，具體的數值應根據機床說明書和切削用量手冊，并結合實際經驗而確定。復雜曲面數控加工刀具軌跡的生成方法 在復雜曲面的多軸數控加工中，刀具軌跡的好壞直接影響加工精度和加工效率，刀具軌跡的生成方法是實現復雜曲面數控加工的關鍵。目前，比較常用的刀具軌跡生成方法有：參數線法，截面線法，倒動面法和等殘留高度法。71（二）測量加工一體化技術 大型不規則薄壁零件由于尺寸大、形狀復雜、結構剛度低、材料難加工、加工精度相對較高，可加工

168、性差；由于最終加工面形已無法用其原始設計模型精確表述，必須根據每個零件幾何/物理參數的在機實測數據，重新生成精加工目標曲面；零件的加工裝備必須具有測量加工一體化功能，通用數控加工裝備和常規加工工藝難以滿足這一類零件的制造需求。坐標測量是將幾何形體的模擬信息轉換為數字信息的過程，而數控加工則是利用數字模型生成模擬幾何形體的過程，二者在信息轉換方向上正好互逆。從系統結構上看，構建測量加工一體化系統的前提是將測量功能與加工功能集成到一個設備上，并在統一座標系下實現測量數據與加工數據的信息傳遞。在該系統中，與零件數字化加工相關的形狀、精度、材料、工藝、工具、性能等特征信息彼此之間相互關聯。并且，系統要

169、求數字化信息格式與數據預處理、曲面建模、軌跡規劃與性能分析等環節有機協調、合理匹配。測量加工一體化不是測量與加工的簡單累加，而是使數字化加工過程面向零件幾何精度和使用性能的技術，通過過程仿真、信息獲取、數據分析、面形設計、工藝規劃、質量評價等處理環節形成加工誤差的閉環反饋。因此，測量-加工一體化系統實質是一個可實現復雜曲面數字化加工的信息集成平臺。1、發展趨勢 測量加工一體化系統是在傳統仿形加工系統的基礎上發展起來的，核心技術包括測量技術、數控技術、計算機技術和信息技術等。為滿足不同特征零件的加工要求，測量加工一體化系統又演化出不同應用類型的系統，如加工檢測一體化系統、智能尋位加工系統、原位測

170、量與補償加工系統、基于機器人的測量加工 72一體化系統、再設計類曲面的測量加工一體化系統等等。國外的相關研究開展較早，目前仍處于研究領先地位。K.Satio 等研究了汽車覆蓋件激光測量及數控加工集成加工技術。P.L.Lin 等在原位測量-補償加工一體化系統上加工出復雜空間凸輪。C.Bradely 在立式銑削加工中心上開發出基于激光測量的自由曲面成型系統 Y.Kondo 等構建了大型高能質子射頻四級場（RFQ）加速器復雜型腔的數字化加工系統，加工精度控制在0.02nim 范圍內。1）基于機器人的曲面測量、建模和加工方法 以反求工程為核心的產品快速開發和制造技術是目前制造業中最具影響的高新技術之一

171、，而且越來越受到各行業的普遍關心和重視。其中，以反求工程為核心技術的 3M（measurement modeling and machining）智能加工系統的研究得到了快速的發展，在模具制造和航空制造業中已經有了實質性的應用。但目前復雜曲面的精整加工主要依賴于熟練工人的手工操作，效率低下，且難以取得良好的形狀精度和表面質量。因此謀求一種復合化、自動化、智能化的復雜曲面 3M 一體化加工方法勢在必行。對于大型、薄壁、精密且多為復雜難加工材料，其制造不僅要保證幾何精度，更要滿足其苛刻的物理性能指標要求，對現有的曲面精密加工和設計的理論方法提出了新的挑戰。如飛機坐艙罩，其尺寸可達數米以上，罩體厚度

172、小于 10 mm，加工中不僅要保證非常高的表面幾何和形狀精度，而且對罩壁厚度誤差要控制在 0.05 mm 以下，然而因其超大尺寸和特殊的雙面加工特點使其很難在常規的數控機床上完成，鑒于機器人的構造和性能充分體現了自動化裝置的優點，特別是體現了智能、適應性、機器作業的準確性以及在各種環境中完成作業的能力，因此本文采用工業機器人進行曲面的數據采集和高精度研拋精整加工。對于飛機 73座艙蓋的大型薄壁玻璃罩外殼體積大，要求精度高，因此采集的數據點的數據量龐大。點云的曲面重構作為 3M 系統的核心，如何快速高精度地建模是整個系統成敗的關鍵，也是問題的難點。在復雜曲面建模時，非均勻有理 B 樣條（NURB

173、S）方法以其優良的整體光滑曲面擬合能力和強大的局部調控特性而受到普遍重視。NURBS 曲面的建模方法基本上傾向于采用最小二乘擬合算法，其中最關鍵的是數據點的參數化，但目前還沒有一種普適方法。一般情況下需要根據點集的特征，進行基面參數化。但采用簡單基面參數化效果不理想，NURBS 基面計算復雜速度慢。因此本文提出一種新的建模方法，首先采用截面法提取點云的邊界，然后采用射線與局部擬合曲面獲得有序的精整數據點，最后蒙皮獲得了精確的擬合曲面，實際的工程驗證也說明了本方法的有效性和精確性，同時也滿足了系統要求的實時性。測量系統采用的是結構光測量法，硬件構成主要有激光器、單 CCD 攝像機、高精度框架式

174、5 軸機器人，激光器和單 CCD 攝像機固定在機器人末端手爪上，拋光頭安裝在機器人另一只末端手爪上。測量原理是激光器發出的球面光經柱狀透鏡變為窄縫光以一個空間平面的形式投射出去，在空間截切被測物體，于被測物體表面形成一條激光亮條，該亮條被 CCD 攝像機所攝取并成像。根據測量系統得世界坐標系與機器人基坐標系之間的關系，即可求出被測點在機器人基坐標系下的坐標，完成測量過程。機器人采集的實物零件表面的三維坐標信息具有數據量大且散亂等特點，被形象地稱為/點云 0（point cloud）。要對零件進行加工生成加工路徑，必須對這些雜亂的點云精確建模。研究的型面比較規則，整個型面類似于半個柱面。如果采用

175、單面片曲面擬合的方法，則由于數據量過大和型面尺寸過大，使整個擬合過 74程計算量煩瑣而不能采用較大的控制點陣，精度依然無法保證。綜合考慮上述因素，決定采用蒙皮建模技術并采用柱面參數化方法進行數據點的參數化。曲面加工的刀具軌跡生成是實現曲面機器人加工的關鍵環節。刀具軌跡的合理與否，不僅直接關系到加工效率、加工精度，而且還影響機器人的動力性能及刀具的使用壽命。實際加工時刀具不可能遍歷整個曲面，而只可能沿它上面的一些有限的曲線軌跡運動。本文所研究的拋光型面尺寸較大，整個型面類似于半個柱面的卷曲自由曲面，因此采用等參數線加工方法，修磨工具為球頭拋光頭。根據一系列實驗，得到結論：基于結構光法的三維視覺掃

176、描儀，具有強大的數據獲取能力，它可以實現快速地對原型的密集采樣；通過局部曲面擬合方式得到位于截平面上的有序數據，使無序的散亂數據形成有序的陣列數據，不僅具有很高的建模精度，而且提高了曲面重構的效率和穩定性；根據模型曲面的形狀特點，采用參數線法生成了加工軌跡，算法思想簡單，易于編程實現。2）基于數控銑床的測量加工一體化系統研究 利用數控銑床和三坐標測量機共用同一個笛卡爾坐標系，在動作執行上相似的特點，將具有反饋功能的點位式測量頭安裝在數控銑床的主軸上，通過控制計算機進行測量規劃和控制，使數控銑床能夠實現對實物模型的自動測量；對測量獲得的數據，用NUBS 方法進行曲面造型，獲得曲面模型；再生成數控

177、加工代碼進行數控加工。從而實現測量、造型和加工一體化。顯然，如何在數控銑床上實現坐標測量功能，是這一技術的關鍵。下面介紹一下數控銑床上自動測量的過程。第一步，測量獲得測量區域的邊界點，若有孔洞和異常凸起等不必測量的障礙 75區域，也要測量障礙區域的邊界點，然后用 NUBS 理論擬合成曲線。第二步，將邊界曲線向 XOY 平面投影成平面曲線，對投影后的圖形進行網格劃分，獲得網格節點的（X，Y）坐標。第三步，生成和優化測量路徑。第四步，測量頭沿著測量路徑測量所有可測點的三維坐標，測量結束后，將測量結果存入文件，為后續工作做準備。由于邊界的形狀千變萬化，很難用一個固定的算法來實現自動邊界測量，本系統是

178、通過鍵盤操作手動進行邊界測量的。用手動鍵盤驅動測頭，相對工件作試探運動，直到接觸預定待測點，測頭觸發，向控制計算機發中斷請求信號，計算機讀取待測點的三維坐標，實現對一個邊界點的測量。網格劃分的任務就是獲得被測曲面上各個待測點的（X，Y）坐標。在自動測量時，對于實物表面上的一個點的三維坐標（X，Y，Z），事先必須已知其中兩個坐標（通常認為是 X 和 Y），測量頭才可能在 CNC 驅動下到達（X，Y）點上方，隨后測量頭沿著測量方向（通常是向下）運動，直到測桿頂端接觸被測實物，產生中斷信號，計算機讀取測量頭的 Z 坐標，從而得到曲面上一個點的完整信息（X，Y，Z）。這里的（X，Y）點就是測量網格上的

179、節點，因此網格節點是自動測量的原始測點集合。所謂測量路徑就是自動測量時，測量頭遵循指令依次測量測點的先后順序。對于完整曲面，測量路徑容易生成。對于具有孔洞和異常凸起的非完整曲面，一般孔洞和異常凸起是測量障礙，不需要測量，要設法避開這些測量障礙，確保測量安全性；另一方面若測量頭反復經過不需要測量的障礙區域，會無謂地增加測量時間，降低測量效率。采用點位式測量頭，即只能一點一點地進行測量，下面介紹每一點的測量策略。取被測實物的最高點以上 5 mm 高度為上安 76全平面，取實物表面最低可測點以下為下安全平面。則對一點測量過程如下：（1）測量頭的中心在上安全平面內快速移動到待測點正上方；（2）測量頭向

180、下試探運動，每走一個脈沖當量，計算機就檢查一下是否有測量頭中斷信號，直到測量頭觸發，計算機讀取被測點的三維坐標；如果測量頭到達下安全平面仍沒有觸發，則放棄對該點的測量，并給該點賦預先規定好的值；（3）測量頭向上快速返回到上安全平面，完成對一點的測量。當完成整個曲面的測量之后，對測量數據進行修正，補償因測量頭半徑引入的誤差，隨后用 NUBS 方法擬合曲面。最后生成數控加工代碼，進行數控加工，從而實現測量、造型和加工一體化。從上述研究可總結出，測量-加工一體化系統具有如下特點及發展趨勢：基于 PC 的測量、加工、控制系統；多任務處理能力；CAD/CAM 技術集成；多傳感器測量功能；符合國際標準的操

181、作流程；Windows 環境下用戶友好操作界面；與所有 PC 級局域網絡兼容，實現數據共享與信息交流。2、我國的技術狀況 大連理工大學研制的“曲面自動跟蹤測量和密集數據采集系統”實現了實物模型的跟蹤測量和同步仿形加工。王平江等在“華中高性能數控系統”上開發出具有曲面激光仿形測量、曲面建模、數控加工與形狀誤差評定等功能的加工-檢測一體化系統周凱等設計出適于基層敏捷制造的智能化尋位加工系統。該系統通過工件信息智能感知、定位、夾緊條件自動求解、加工軌跡實時規劃 77等過程，實現了工件位姿自適應加工。李榮彬等研究光學自由曲面“設計-原位測量-精密加工”中的關鍵技術，其所構建的集成制造平臺可實現自由曲面

182、光學設計、自由曲面重構、多軸加工仿真與切削優化、曲面光學測量以及加工誤差補償。劉偉軍等研制出基于機器人的卷曲類曲面測量、建模和加工裝備，并將其應用于某戰斗機座船蓋玻璃罩外殼的拋光中。宗光華等組建了復雜頻率選擇表面雷達罩的組合機器人數字化加工系統。郭東明等針對導彈天線罩逐點可控修補加工要求，研發出具有面形再設計功能的測量加工一體化系統。（三）加工變形的預測與補償技術 隨著現代飛機高速、高機動性能要求的不斷提高，飛機的結構設計發生了較大變化。新一代飛機普遍采用由大型整塊毛坯直接“掏空”加工而成的具有復雜槽腔、筋條、凸臺和減輕孔等特征的整體結構件。航空整體結構件具有結構復雜、尺寸大、材料去除率高、薄

183、壁部位多、剛性差等特點，在加工過后，零件通常會出現彎曲、扭曲、彎扭組合等加工變形，使零件難以達到設計要求，甚至成為廢品。整體結構件的廣泛應用對航空制造技術和工藝裝備提出了新的要求，對傳統的切削工藝提出了挑戰。整體結構件的數控加工變形是航空制造技術所面對的最突出問題之一，嚴重地阻礙了航空制造業的發展。1、發展狀況 航空整體結構件數控加工變形產生原因很多，與毛坯材料、工件幾何形狀及自身剛度、工藝方法、加工設備、操作者經驗等均有關，主要影響因素包括以下幾個方面：1）工件材料特性和結構特性對加工變形的影響 航空整體結構件的材料一般為高強度鋁合金，其彈性模量為 786973GPa。由于鋁合金材料的彈性模

184、量小，屈服強度比大，在切削加工中極易產生回彈，特別是大型薄壁零件，回彈更為嚴重。因此，即使在相同外載荷作用下，鋁合金材料工件要比相同結構鋼材工件變形大。另外，自身的剛度低、結構不對稱也是部分工件產生較大加工變形的內在因素。2）毛坯初始殘余應力的影響 在毛坯制造過程中，因外力或不均勻溫度場的作用引起材料不均勻的彈塑性變形，在毛坯中產生了殘余應力。整體結構件生產現場和理論研究均表明，毛坯初始殘余應力與工件加工變形密切相關。在加工過程中，當毛坯初始殘余應力平衡遭到破壞時，零件內部應力重新分布以達到新的平衡，從而導致工件變形。3）切削力和切削熱的影響 切削力一方面會引起工件的回彈變形，另一方面會因切削

185、力較大而使己被加工的表面發生塑性變形，待刀具離開后，塑性變形部分限制了與其相鄰部分變形的恢復，從而是零件表面產生了殘余應力，并對工件原有殘余應力起著擾動作用，導致其重新分布。整體結構件切削加工過程中，由于切屑變形和刀具前刀面與切屑，以及后刀面與已加工表面之間的摩擦，使己被加工的表面層產生很高的溫度，而零件里層溫度卻很低，形成不均勻溫度分布，導致表層體積膨脹的趨勢受到里層金屬的阻礙，這種阻礙使零件表層產生熱應力，加劇零件的變形。4）工件定位和夾緊的影響 機床夾具是機械加工中一個起定位和約束工件作用的子系統。對于剛性較低的工件，夾緊力是引起零件變形不可忽視的一個重要因素。在加工中，夾緊力還與切削力

186、間力的波動效應產生耦合作用，引起加工殘余應力和工件內部殘余應力的重新分布，79增加工件的變形。5）加工路徑因素 加工路徑不同將導致工件內原有殘余應力釋放順序的不同，同時，隨著加工過程的進行，毛坯材料被逐漸切除，工件的剛度也不斷在發生變化。加工過程中，由于切削力和切削熱作用，產生新的殘余應力，路徑不同，與毛坯中原有殘余應力狀態不同，這些復雜因素的共同作用，導致對于同樣毛坯材料和結構特性的材料，采用不同的加工路徑將引起工件不同的變形。在上述影響航空整體結構件加工變形的各因素中，切削力、切削熱和夾緊力主要造成工件加工表面的幾何誤差，而毛坯初始殘余應力的釋放和重分布則引起更為嚴重的一種變形一工件整體上

187、的彎扭組合變形，因此應予以特別重視。航空鋁合金厚板在成形和熱處理過程中，其內部不可避免地引入殘余應力。有關研究表明：鋁合金在固溶化淬火處理時產生很大的殘余應力，甚至接近材料的屈服強度。因此為了降低毛坯初始殘余應力的釋放引起的加工變形，必須設法抑制與消除鋁合金板材內部殘余應力。采用抑制方法控制殘余應力，即借助數值模擬技術研究淬火工藝參數如加熱溫度、轉移時間、介質溫度、冷卻速度等與淬火殘余應力的關系，從而通過優化淬火工藝參數，從源頭上盡量抑制淬火殘余應力的產生。然而，由于鋁合金淬火殘余應力很大，在實際操作中通過優化淬火工藝參數降低殘余應力的效果有限，因此有必要進一步安排專門地消除淬火殘余應力的工藝

188、，常用的有恒溫時效法、機械拉伸法、深冷處理法、振動時效法、冷熱循環法等方法，其中機械拉伸法、深冷處理法和振動時效法效果較理想。80機械拉伸法是將淬火后的鋁合金板材，在規定的時間內，沿軋制方向進行拉伸，使拉伸應力與板內原來的淬火殘余應力疊加后發生塑性變形，使得殘余應力得以緩和與釋放。研究表明：預拉伸量的大小影響殘余應力的消除效果，最佳預拉伸量為 2%至3%，最高可消除 90%以上的殘余應力。深冷處理法是將含有殘余應力的毛坯浸入液氮中深冷，待內外溫度均勻后又迅速地用熱蒸汽噴射，通過急冷與急熱產生方向相反的熱應力來抵消原來的殘余應力場。在選擇合適的工藝參數條件下，深冷處理法可降低20%至 84%的殘

189、余應力。振動時效法的工作原理是用一個或多個強力激振器，使工件產生一個或多個振動狀態，從而產生如同機械加載時的彈性變形，使零件內部某些部位的殘余應力與振動載荷疊加后超過材料的屈服強度而引起局部塑性變形，從而導致內應力的降低與重新分布。已有相關研究指出當鋁合金在淬火后處于不穩定狀態時（淬火后 02 個小時內）對其進行振動，效果最佳，殘余應力可降低 5070%；而若在淬火后放置 360 個小時后進行振動時效，殘余應力只能消除 1020%。整體結構件加工變形問題，涉及材料、力學、機械等多個學科，是數控加工領域公認的難題。然而，隨著計算機和計算技術的飛速發展，根據整體結構件加工變形產生的主要工藝環節和影

190、響因素，基于有限元建模和仿真分析，能夠有效預測工件的加工質量?？梢哉f，有限元模擬技術己成為研究整體結構件加工變形產生機理以及優化加工工藝方案的重要工具。早在 20 世紀 90 年代，美國、加拿大、法國等發達國家就針對薄壁零件加工變形問題，從加工過程物理仿真角度進行了深入研究。如美國 Sandia 國家實驗室開展了加工振動抑制和加工過程仿真的研究；美國 Third Wave Systems 公司開發了金屬切削加工過程物理仿真專用軟件 AdvantEdge，該軟件主要用于切削過程的切削力、切削熱以及殘余應力分布的預測以及數控加工 NC 81代碼的優化；加拿大 Altintas 教授帶領邦實驗室成員

191、開展了基于系統動態特性的虛擬高性能銑削技術研究，其開發的加工動力學軟件 CutPro 在 Pratt&Whitney 等公司得到了推廣；法國巴黎航空工業學院與國家宇航局針對航天飛行器整體結構零件設計與制造問題，聯合建立了專門的強度實驗室，深入研究加工變形的工藝控制和安全校正等問題?？梢钥闯?，發達國家將加工過程物理仿真看作解決薄壁件加工變形誤差問題的有效手段和研究方向。國內南京航空航天大學和西北工業大學等在薄壁結構件加工局部變形分析與控制方面做了大量的工作。武凱等采用數值模擬技術研究了薄壁腹板、側壁加工變形規律及其變形控制方案，指出大切深和分步環切法可以有效利用薄壁件自身剛性，減小加工變形，提高

192、加工精度。王志剛等人分析了薄壁零件的加工變形，假設材料始終處于彈性范圍，數值模擬時只考慮切削力作用下側壁的彈性變形，沒有考慮初始殘余應力和切削熱對變形的影響。萬敏等人基于三維非規則網格的刀具工件變形耦合迭代以及恒定網格下材料去除效應的變剛度處理方法，研究了零件銑削加工變形，主要分析切削力作用下零件的靜態彈性變形，預測了加工表面的誤差。對于結構件的整體加工變形，一些學者從理論分析與數值模擬的不同角度進行了研究，基于彈塑（粘）性力學與有限元技術，建立了切削加工過程模型并進行了靜（動）態加工過程模擬與仿真，也有學者提出了能夠預測加工后零件形狀誤差的力學模型以及基于切削加工殘余應力的零件翹曲模型，指出

193、殘余應力也是影響形狀誤差的重要因素。郭魂等人在給定毛坯初始殘余應力和夾緊條件下，采用有限元方法模擬了不同的銑削加工走刀路徑對航空薄壁框類零件加工變形精度的影響。梅中義等人采用數值模擬技術分析了航空弧形結構件和長梁零件的整體加工變形，分析過程考慮了工件初始殘余應力、切削力、定位和夾緊等因素，但沒 82有考慮切削熱等因素的影響。王樹宏等人綜合考慮了毛坯初始殘余應力、夾緊和定位條件和銑削力等因素的影響，建立了多因素耦合影響的銑削加工變形的有限元模型，并將其應用于實際框類零件銑削加工變形的預測分析。上述有限元模型均沒有考慮切削熱對結構件加工變形的影響。黃志剛首次全面考慮毛坯初始殘余應力，切削力、切削熱

194、、夾緊力以及加工路徑等因素的相互耦合作用，建立了銑削加工過程熱力耦合有限元模型。在此模型中，銑刀與被切削材料之間的相互作用被等效離散為動態線載荷（切削力載荷和切削溫度載荷）對工件加工表面的作用，并通過切削層簡化，實現了材料去除過程的動態仿真。成群林在黃志剛工作的基礎上，通過三維螺旋齒斜角切削加工模擬得到了切削力載荷，并將銑削熱源簡化為移動線熱源，解析計算了線熱源強度，從而在一定程度上提高了銑削載荷建模的科學性和預測精度。浙江大學制造工程研究所加工變形預測及控制課題組對航空結構零件加工變形產生機理、控制及科學校正等問題進行了較為系統、深入的研究。除了制造工藝會影響整體結構件加工變形外，切削加工方

195、法是影響整體結構件加工變形的另外一個重要因素。雖然采用預拉伸板材會降低整體結構件的變形，但是采用不同的工藝、不同的加工參數、不同的機床，其變形差別也較大。所以航空整體結構零件加工采用的制造原則性工藝為：（1）粗加工（一般數控切削）+精加工（高速數控切削）；（2）分步高速切削加工。就現場采用的制造工藝路線來說，有大約 80的整體結構零件采用了上述指導性工藝方案（1）進行加工，另有大約 20的零件采用了（2）全部高速切削的工藝路線。所以高速切削加工技術是控制加工變形、提高加工質量的關鍵技術之一，在航空、航天領域的應用越來越廣泛。國外在整體結構件高速切削方面開展了許多卓有成效的研 83究。高速銑削首

196、先在法國達索公司采用，波音公司等也相繼引進了高速銑削機床。Wichita 軍機制造分部配有法國 Forest Line 公司生產的 4332 m 高架三龍門五坐標 Minumanc 30TH 數控銑床，其主軸轉速 12000r/min，主軸功率 24kw，進給速度達到20m/min。英國航宇（Bae）、原德國漢堡 DASh 公司以及 Remele公司等都配有數量不等的法國 Forest Line 公司的高速五坐標龍門銑床。高速銑削可用于高效率切削尺寸很大的鋁合金、鈦合金等整體結構零件、薄層腹板件以及機翼壁板，采用板材毛坯進行加工，極大地減少了鉚接工藝。美國在加工鋁合金結構件的最高切削速度達 7

197、500 m/min。通過高速加工現已經能準確而穩定地完成 0.25 mm 厚度的薄壁零件加工。在德國，超高速切削得到了國家研究技術部的支持。1984年該部撥款 1160 萬馬克，Darmstadt 工業大學生產工程與機床研究所組織牽頭，41 家公司參加的兩項聯合研究計劃，全面而系統地研究了超高速切削機床、刀具、控制系統以及相關的工藝技術，分別對各種材料（鋼、鑄鐵、特殊合金、鋁合金、鎂鋁鑄造合金、銅合金和纖維增強塑料等）的超高速切削性能進行了深入的研究與試驗，取得了國際公認的高水平研究成果，并在德國工廠廣泛應用，獲得了好的經濟效益。日本于 20 世紀 60 年代著手高速切削機理的研究。日本學者發

198、現，在超高速切削時，切削熱的絕大部分被切屑帶走，工件基本保持冷態，其切屑要比常規切屑熱很多。進入 20 世紀 90 年代以來，日本的一批機床制造廠陸續向市場推出不少超高速加工中心和數控銑床，日本廠商現已成為世界上超高速機床的主要提供者。日本尖端技術研究學會已把超高速切削列為五大現代制造技術之一。法國、瑞士、英國、前蘇聯、意大利和澳大利亞等國在超高速切削方面也做了不少工作。在高速切削的刀具研究方面，國外刀具廠家始終保持與切削 84機床研究同步進行，故零件加工采用的刀具質量和材料性能都比較穩定，采用的高速鋼、硬質合金、PCD 等刀具均可以滿足零件加工要求。德國 Beck Engineering 公

199、司提供的新一代高生產率，被稱為智能化的高速加工刀具專門用于柔性制造系統，該刀具可以自動調節尺寸，可以自動補償切削刃磨損，刀具動平衡性能好，可以在高回轉速度下平衡工作，在加工難加工材料時，又采用涂層刀具，并積極設計開發新刀具，瑞士 Fraisa SA 公司開發的涂層球形切刃二齒銑刀在實際切削加工中的使用壽命提高了 24倍。瑞典的 SECO 刀具公司也開發了許多涂層整體硬質合金和涂層鑲嵌刀片式刀具用以高速加工難加工材料和鋁合金。國內山東大學切削加工研究小組從20世紀80年代就開始陶瓷刀具材料的研究，比較系統地研究了 A1203 基陶瓷刀具高速硬切削，并相繼研究了模具高速切削加工技術與策略、涂層刀具

200、、陶瓷刀具等高速切削刀具，以及高速切削數據庫技術等。20 世紀 90 年代，廣東工業大學以張伯霖教授為首的超高速加工與機床研究室逐漸對高速切削技術的各個方面以及高速加工機床的主要部件進行了更深入的理論研究和試驗研究，包括提供高主軸轉速的電主軸技術、直線電動機進給系統等。同時，應用高速機床進行切削加工的工藝技術研究和高速切削刀具的研究也在展開，對我國高速切削技術的發展起到了推動作用。國內的高速機床遠落后于發達國家。國外高速切削技術與機床迅速產品化并占領中國市場，刺激了國內高速機床的研究和發展，在 CIMT2001 中國國際機床展覽會上，我國展出的高速機床達到了一定的水平，而且價格合理、性能穩定，

201、最高轉速達到40000rmin，快速進給達到 62m/min。85（四）我國航空航天及能源動力領域典型零部件的加工技術和問題 1、推進劑貯箱制造技術 貯箱是運載火箭的重要結構件和主要組成部分，存貯液體燃料。貯箱可以分為承力貯箱和不承力貯箱兩大類，承力貯箱是火箭體的一部分，承擔著軸向力的傳遞作用，不承力貯箱只是火箭的存貯燃料的容器，被固定在火箭殼體上；根據貯箱外形，分為圓柱形貯箱、錐形貯箱、球形貯箱、環形貯箱等，長征系列火箭貯箱為承力的圓柱形貯箱，約占運載火箭全長的 2/3，不僅貯存火箭所需燃料，還承擔著內壓、軸壓和彎矩載荷的作用。根據貯存燃料性質，分為燃燒劑貯箱和氧化劑貯箱，一般由前底、前短殼

202、、箱筒段、后底和后短殼組合而成，貯箱內部安裝有增壓管、溢出管、防晃板、消旋器和各種傳感器等，外表面安裝有導管、電纜和整流罩的固定支架等。貯箱前底和后底一般由頂蓋、瓜瓣和叉形環焊接而成；箱筒段是由壁板組合焊接成的，前短殼和后短殼都是由端框和殼段鉚接而成，其中殼段由化銑壁板焊接組成。1）推進劑貯箱制造技術現狀 5A06 鋁合金貯箱制造技術 5A06 貯箱生產中，其對接法蘭盤、箱底的縱、環縫、筒段上的縱縫以及箱體上的環形焊縫均已采用變極性 TIG 工藝實現了自動焊接，產品質量得到了顯著提升，基本上消除了影響焊縫質量的邊緣氣孔問題，其中箱底主要焊縫的焊接缺陷由前期的 5至 6 處排補缺陷，控制到僅有一

203、 2 處排補缺陷，縱縫液壓通過率得到顯著提升；箱體上的環縫曾出現過整箱焊接一次成的記錄，大大提高了產品質量，降低了產品的反復修補，有效提高了生產效率。862A14 低溫貯箱制造技術 2A14 低溫貯箱，產品厚度非常薄，焊接難度非常大。在研制的初期由于手工焊接質量的不穩定，決定采用自動焊接進行低溫貯箱的自動化焊接，通過多年的持續攻關，低溫箱底部的縱、環焊縫及箱體上的環焊縫均采用單面單層自動焊接工藝實現了貯箱的自動焊接。但目前箱底上的所有法蘭盤及殼段上的法蘭盤由于當時技術條件的限制還沒有實現自動焊。低溫箱底的生產制造裝備如圖 2-8 所示。圖2-8 3000mm箱底自動化系統 盡管采用了自動焊技術

204、實現了低溫箱底的自動化焊接，但由于焊接工藝及材料的限制，常規單面單層自動焊焊接的低溫箱底仍然不可避免的會出現缺陷，只能通過排除補焊或者辦理超差質疑單解決。為提高低溫貯箱的產品質量，航天一院 211 廠經過多年論證和準備，改進了箱底自動焊系統，該系統采用銑切焊接一體的設計，工藝方法采用懸空焊工藝，實現了低溫箱底的自動焊接。從焊接內部質量看，80%以上的焊縫達到技術要求，而有缺陷的焊縫也均達到了不需要排補就可以交付的狀態。2A14 常溫貯箱制造技術 87 圖2-9 采用自動焊系統完成的常溫自動焊箱底 由于 LD10CS 鋁合金的可焊性不高，多年來該貯箱箱底的焊接一直采用 70 年代集全國力量攻關成

205、功的“兩面三層”手工焊工藝，在當時滿足了工程需要。但是隨著以二代導航為代表的任務的需求，該工藝方法的質量穩定性和批產能力均遠遠不能滿足型號研制的需要了。經過多年的持續投入，采用單面兩層自動焊工藝解決了2A14 常溫貯箱接頭延伸率低的關鍵難題，實現了常溫貯箱箱底的自動焊接。法蘭盤方面，目前已經完成了大部分對接法蘭盤的自動焊工程應用。自動焊箱底如圖 2-9 所示。常溫貯箱筒段上的縱縫焊接，前期均采用的是兩面兩層半自動焊接技術完成殼段上縱縫的焊接，產品質量的一致性和穩定性受手工封底的影響，一直達不到理想狀態。經過多年的攻關，已經實現了外殼段的縱向焊縫的攪拌摩擦焊焊接。圖2-10 鋁合金貯箱試驗件 圖

206、2-11 鋁合金試驗貯箱 縱縫 FSW 88循環預冷貯箱（圖 2-10）、2A14 鋁合金試驗貯箱（圖 2-11）采用中厚板攪拌摩擦焊技術焊接制造。這些試驗貯箱經過液壓試驗、氦質譜檢漏以及 5 次低溫循環試驗考核，試驗結果顯示攪拌摩擦焊焊縫完全滿足設計要求。目前由于裝備能力不足，無法在現役型號所有產品中廣泛使用 FSW 技術。筒段上縱縫的焊接采取 TIG 與 FSW 并舉的措施。2219 鋁合金貯箱制造技術 2219 鋁合金貯箱制造過程中，經過多年的積累，許多最新、最適宜的技術在其生產中得到了應用。在法蘭盤上采用自動焊工裝，實現了法蘭盤的懸空自動焊接，瓜瓣縱縫采用銑切一體設備實現了爬坡懸空自動

207、焊，箱底處的環縫，采用了銑切一體技術實現了懸空自動焊。2219 鋁合金筒段上的縱向焊縫采用了攪拌摩擦焊技術，組裝的貯箱經過了設計壓力考核無任何問題。截止到目前為止，211 廠已經初步具備了 5m 直徑貯箱的生產制造能力。表2-3 推進劑貯箱部件焊接設備 序號 設備名稱 產地 型號 應用產品對象 1 殼段縱縫焊接系統/非標 用于蒙皮、2A14 鋁合金筒段制造2 多功能焊接設備/非標 用于 2219 鋁合金筒段制造 3 5A06 箱底焊接系統/非標 用于 5A06 箱底制造 4 2A14 箱底焊接系統/非標 用于 2A14 箱底制造 5 2219 箱底焊接系統/非標 用于 2219 箱底制造 6

208、5A06 箱體焊接系統/非標 用于 5A06 箱體制造 7 2A14 箱體焊接系統/非標 用于 2A14 箱體制造 898 2219 箱體焊接系統/非標 用于 2219 箱體制造 9 法蘭盤焊接系統/非標 用于對接法蘭盤制造 2）推進劑貯箱制造技術水平分析 國外的貯箱制造技術發展快速，已達到了相當高的程度，產品制造的自動化、信息化、機械化、標準化、整體制造等一系列先進的工藝和方法均在各自的產品中得到了廣泛的應用。圖 2-12為國外貯箱材料及焊接方法的進展情況。圖2-12 貯箱材料及焊接方法的發展“阿里安 5”芯級推進劑貯箱裝配使用 VPTIG 焊自動焊工藝，采用了臥式裝配（如圖 2-13 所示

209、）。對數十發的阿里安 5 運載火箭芯級貯箱進行了焊接裝配工作，沒有出現焊接質量問題。芯級低溫貯箱筒段，由三塊 2219 鋁合金板材拼焊而成。圖2-13 阿里安5芯級貯箱VPTIG焊接“能源號”是目前世界上起飛質量與推力最大的火箭，芯極貯 90箱直徑為 8m，厚度為 42mm。所用材料為 1201 鋁合金，此材料與美國的 2219 鋁合金化學成分近似。在“能源號”芯級貯箱制造過程中的采用了立式裝配方式、在一個工位完成多道工序，主要焊接方法為局部真空電子束焊接和熔化極高頻脈沖焊。圖2-14 位于生產線上的德爾它4運載火箭貯箱（CBC）美國在航天飛機外貯箱、運載火箭鋁合金燃料貯箱上都成功地應用了等離

210、子弧焊接技術。其中變極性等離子弧焊接技術應用效果顯著。波音公司研制開發的德爾它 4 和宇宙神 5 運載火箭推進劑貯箱上的環縫均采用先進的 VPPA 焊接方法。德爾它 4 運載火箭的底為整體旋壓成形，選用的焊接方法為 VPPA（貯箱環縫都是用的該法，縱縫用的 FSW）。圖 2-14 為位于生產線上的德爾它 4 運載火箭貯箱（CBC）。日本 H-2 系列火箭的燃料箱箱底（上、下底）采用整體成形技術，H-2B 箱底與貯箱連接采用攪拌摩擦焊，直線方向和圓周方向連接部都可以 FSW。日本三菱公司的 FSW 技術用于火箭貯箱環縫焊接，采用雙軸肩攪拌頭進行懸空焊接，通過內力使連接負荷保持平衡，即使沒有背部墊

211、板也能實現 FSW 連接。貯箱直徑 5.2m，其中液氧箱長約 7m，液氫箱長約 20m。國內方面，進行運載火箭貯箱制造的廠家有：航天一院 211廠、航天八院的 149 廠和 800 所、航天七院的 7102 廠。149 廠在攪拌摩擦焊技術研發方面技術實力較強，目前已經完成了 913350mm 貯箱縱縫 FSW 試驗件以及國內首個 FSW 箱底試驗件的制造。目前，FSW 箱底和 FSW 儲箱均已通過飛行考核。另外，在運載火箭儲箱自動化焊接技術方面，航天一院 211 廠在國內率先將單面自動化焊接技術應用到現已型號火箭 2A14 鋁合金儲箱制造中，利用該技術成果生產的運載火箭儲箱已經完成 40 余發

212、運載火箭發射，成功輸送 40 余顆衛星。采用懸空自動焊技術制造的 3000mm 箱底缺陷率控制在 1%以下，處于國際先進水平。在攪拌摩擦焊技術方面，211 廠開展了焊接技術與裝備的研發，2009 年在國內率先進行了運載火箭儲箱縱縫攪拌焊接飛行試驗考核，并于 2013 年 9 月成功實現了攪拌摩擦焊接橢球箱底的國內首飛。2014 年 1 月在國內率先完成了首個 3350 全攪拌焊接儲箱的研制，并通過了液壓試驗考核，為我國新一代運載火箭研制奠定了堅實基礎。在 3350mm 貯箱箱底叉形環焊縫以及箱體上環縫使用的自動焊技術，149 廠和 800 所均進行了變極性等離子（VPPA）自動焊的工藝試驗，并

213、且實現了試驗件的生產制造，效果良好，但該產品也未進行飛行試驗。7102 廠方面，目前在箱底自動焊、縱縫攪拌摩擦焊技術也在開展相關的試驗研究，但未有成功飛行的報道。綜上分析可知，航天一院 211 廠在推進劑貯箱制造技術方面處于國內領先，與國際先進水平有一定差距。3）推進劑貯箱制造技術發展需求分析 貯箱自動化制造裝備技術 貯箱主焊縫整體自動化、機械化制造程度未全面展開，先進焊接工藝方法沒有全面推廣。目前還有相當一部分產品需要采用手工焊工藝，包括所有的翻邊法蘭盤、部分對接法蘭盤的焊接、部分殼段上縱縫的手工封底焊、部分箱底需要采用兩面三層手工焊、部分箱體上環縫的反面手工封底焊等，手工焊的存在使得產品質

214、量受人為因素影響比較大，焊縫質量的一致性和可靠性得不 92到有效保證，并且手工焊接的焊縫受多次起收弧的影響，這些部位易產生缺陷，顯著影響焊縫質量。因此需要加快自動化焊接裝備及工藝的推廣應用，一方面可以提高生產效率，另一方面實現貯箱產品的自動焊接可以減少對人員的依賴，確保質量的一致性和可靠性。貯箱數字化制造裝備技術 貯箱數字化制造是未來貯箱制造的發展方向，貯箱數字化制造能力建設是一個系統工程，需要較長時間的建設，目前，從實際情況分析，貯箱的 MESS 系統、ERP、CAPP 方面的建設，將結合全廠的統籌規劃來建設，而車間目前比較重點的建設工作擬從貯箱數據采集系統建設、貯箱焊接裝配模擬仿真技術以及

215、貯箱制造專家數據庫建設三方面進行建設。另外，需要對焊接過程的裝配情況及焊縫成形情況進行監控、記錄，在條件成熟的情況下，以焊縫成形為判定依據，采取閉環反饋系統，對焊接參數進行調整，進而控制焊接質量。貯箱零部件綠色制造及檢測技術 目前許多工位還存在較大的不足，沒有實現節能、降耗、綠色無污染制造。除了焊接工種外，還有機加、點焊、鉚接、氦質譜檢漏、箱體液壓等工種，這些工種目前存在相關的不足，具體說明如下：（1）現有的機加設備和技術還是使用五六十年代的，無論是設備的精度和功能均遠遠不能滿足現階段高質量裝配焊接的需求，需要更新設備和工裝，實現標準瓜瓣制造、法蘭盤機械開孔、壁板銑切和殼段的余量機械車邊等工作

216、，這樣可以大大提高產品加工精度，降低工人的勞動強度，顯著提高產品的質量；（2）鉚接工藝方面，大部分產品均采用的是手工鉆孔、鉚 93接工藝，主要有兩點不足，一個是手工鉚接的噪音很大，可達120 分貝，對職工的身體健康不利，另外一個不足在于勞動量非常大，大部分需要手工完成，勞動量巨大，對操作人員的精力和體力要求高，因此需要改進鉚接工藝，采用自動鉚、半自動鉚接工藝來解決該問題；（3）現有的測量技術落后，測量效率低下，并且測量工具需要每年進行鑒定，由于現在的激光測量技術以及柔性測量技術和設備已經成熟，并且具有測量精度高、測量效率高等優勢，建議在后續的測量能力建設中引進并應用。（4）多余物監測、控制及清

217、理方面沒有更好的手段和方式實現?，F有的貯箱多余物控制及清理和檢測主要靠人看，手工清理手段，極度依賴人員的責任心和個人工作能力。需要采取措施，從設計結構、清理手段、檢測手段等多方面綜合處理，實現“潔凈”貯箱的交付。2、貯箱箱底制造技術 圖2-15 運載火箭助推貯箱箱底結構示意圖 運載火箭鋁合金貯箱是運載火箭核心部件之一，具有結構尺寸大、重量輕、剛性弱、可靠性高等突出特點，并且工作環境惡 94劣，有一定的密封、承壓要求，是航天器結構系統的大型、重要結構件。運載火箭貯箱主要由前底、前短殼、筒段、后短殼和后底組成。其中貯箱箱底目前采用 1 件頂蓋和 68 件瓜瓣拼焊的結構方式（如圖 2-15 所示）。

218、1）貯箱箱底制造技術現狀 傳統的瓜瓣和頂蓋成形主要是利用大型液壓設備（如圖 2-16所示），采用液壓拉深成形、中間熱處理的工藝進行制造，產品成形精度較差，制造周期長，生產成本高，勞動強度大且效率低下，同時各個瓜瓣之間、瓜瓣與頂蓋之間焊縫區的性能與材料基體性能有較大差距，對貯箱的整體性能影響較大。圖2-16 箱底瓜瓣、頂蓋成形用的液壓設備 目前，211 廠利用整體旋壓設備（如圖 2-17 所示），通過整體成形工藝技術攻關，已實現了 2250mm 貯箱箱底的整體旋壓成形。采用整體成形工藝制造的鈑金零件，通常具有強度高、重量輕和可靠性高等優點。傳統的貯箱箱底成形工藝已成為生產的 95瓶頸，貯箱箱底整

219、體成形是型號研制及生產的必然趨勢。圖2-17 2250mm箱底整體旋壓設備 表2-4 貯箱箱底制造設備 序號 設備名稱 產地 型號 應用產品對象 1 液壓機 德國舒勒公司 HZPUX3000 用于瓜瓣、頂蓋的拉深成形 2 旋壓機 國產 CZ3000/2CNC 用于錐底、箱底等封頭產品的旋壓成形 2）貯箱箱底制造技術水平分析 在貯箱箱底整體成形技術方面，國外已開始采用攪拌摩擦焊和旋壓成形相結合的工藝。德國 MT 公司成功地為日本 H-A液體火箭加工了芯級（如圖 2-18 所示）和助推級的貯箱箱底。為了提高生產效率、降低加工成本，日本三菱重工積極開發“攪拌摩擦焊+旋壓成形”的貯箱箱底整體成形技術，

220、實現整體成形貯箱箱底國產化，并應用到 H-B 火箭上。德國 MT 公司同樣采用“攪拌摩擦焊+旋壓成形”的方法加工出了直徑 5400mm 的Ariane5 芯級 2195 鋁鋰合金箱底（如圖 2-19 所示）。96 a）旋壓產品 b）經熱處理和機械加工后的產品 圖2-18 H-A芯級箱底（3860mm），2219鋁銅合金，使用狀態T8 圖2-19 Ariane5芯級箱底（5400mm），2195鋁鋰合金，使用狀態T8 2012 年，航天一院 211 廠通過開展貯箱箱底整體成形技術研究，實現了 5A06 鋁合金 2250mm 運載火箭助推器貯箱箱底的整體旋壓成形（如圖 2-20 所示）。但在 22

221、19 高強鋁合金貯箱箱底、3350mm 和 5000mm 級直徑貯箱箱底整體成形方面，與國外仍有較大差距，急需開展相關技術研究。97 圖2-20 5A06鋁合金2250mm運載火箭助推器貯箱箱底 3）貯箱箱底制造技術發展需求分析 運載火箭零部件的服役環境復雜甚至苛刻，設計對零件強度、重量和可靠性均尤為重視。整體成形的鈑金零件通常具有強度高、重量輕和可靠性高等優點。為了提高零件對各種服役環境的適應性和質量的可靠性，鈑金零件的整體成形技術在航天領域的應用就更加具有必要性。目前多種現役運載火箭如 CZ-3A 系列、CZ-2C、CZ-2F、CZ-7 等型號的助推級和芯級火箭，均采用2250mm 和 3

222、350mm 直徑的推進劑貯箱。該類貯箱由一個中間組合筒段和兩個箱底組成，每個箱底目前采用頂蓋和瓜瓣組焊而成，為提高型號產品的整體性能和可靠性，整體旋壓成形是貯箱箱底制造的重要發展方向?，F今國內航空和航天系統內，旋壓能力最大的封頭旋壓設備是航天一院 211 廠的 CZ3000/2CNC 型旋壓設備，該設備可旋壓3000mm 的板坯產品，但其結構剛性較差，對于厚板及大直徑產品旋壓，存在剛性和旋壓力不足問題，而且也無法實現3350mm 及以上貯箱箱底的整體旋壓成形，需要配備更大型的旋壓裝備。國內旋壓設備制造企業有青島高校重工、中航工業 625 所、長春 55 所、航天七院 7102 廠等幾個廠家，近

223、年來旋壓設備無論 98從設計還是工藝上都有了一定程度的提高，尤其是青島高校重工，在普旋工藝的 CNC 數控系統方面已達到國際先進水平。但國內這些企業在大型旋壓裝備設計和制造方面經驗仍是不足，國內基礎工業較差，加工出的設備零部件其精度及質量與國外仍有很大差距。國外以德國、西班牙、美國為代表，具備成熟的大型旋壓裝備制造經驗，其基礎工業比較先進，同時旋壓工藝經驗豐富，數控系統完善。因此大型旋壓裝備最好是通過技改購置進口設備，其次是通過產學研，與高校、企業共同合作研制。3、貯箱筒段壁板精密制造技術 1）貯箱筒段上壁板制造技術現狀 運載火箭的貯箱筒段，通常由 34 塊網格壁板拼焊組成，目前采用網格壁板拼

224、焊的結構方式。傳統的貯箱壁板加工工藝是將鋁合金平板滾彎成形后，再采用化學銑切的方法加工壁板網格。圖2-21 化銑過程及化銑后的壁板 平板滾彎利用三軸滾床或四軸滾床完成，滾彎過程根據實際情況可采用多次滾彎工藝方法，最終達到設計要求的弧度。網格化銑工藝（如圖 2-21 所示）具有化銑圓角 r 大、廢重多、污染環境等缺點，精度比較低。為滿足 CZ-5、CZ-7 等新型號運載火箭 99減重、環保制造的要求，貯箱筒段上壁板的加工開始采用鋁合金平板數控銑切網格筋后，再進行彎曲成形的工藝（如圖 2-22 所示）。圖2-22 平板數銑網格后彎曲成形的壁板 表2-5 貯箱筒段壁板加工設備 序號 設備名稱 產地

225、型號 應用產品對象 1 三軸卷板機 國產 W11XNC-202000 用于數銑壁板的彎曲成形 2）貯箱筒段壁板加工技術水平分析 美國、歐洲、日本的火箭貯箱網格壁板加工通常是先在平面上銑削網格，然后再彎曲成形。平板壁板網格數控銑削加工后，在壁板彎曲成形技術方面，美國專業航空航天大部件加工公司（AHF），采用特殊填料的折彎工藝，將預先數控銑削網格的鋁合金板材彎曲成符合設計要求的圓弧形的壁板；歐洲航天局阿里安 5 運載火箭采用蠕變時效成形工藝；日本 H2 火箭壁板的彎曲成形，采用了增量軋制工藝。采用熱壓罐蠕變時效成形，得到的壁板表面光滑，形狀準確度高，裝配貼合度可控制在 0.25 mm 以下。國外已

226、將蠕變時效成形技術應用于制造復雜的飛機機翼壁板，包括美國 Textrom（達信）制造的 Gulfstream GIV 及英國 British Aerospace 制造的 Hawk飛機機翼上壁板；空客、波音和麥道公司的部分早期機型，如 100MD82，A330/340 和 A380 等大型民用飛機的整體壁板制造中，已經采用該項技術。近年來空客公司又將蠕變時效成形工藝的應用推向了一個新的高度，采用蠕變時效成形技術制造的 A380 飛機機翼壁板，該壁板長 33m、寬 28m，變厚度 328mm 突變，采用雙曲率氣動外形設計，成形后外形貼合度小于 l mm（如圖2-23 所示）。圖2-23 采用蠕變成

227、形加工的A380右上機翼壁板 圖2-24 數銑網格壁板蠕變縮比試驗件 國內航天運載型號的壁板主要是在滾彎、折彎工藝方面開展了相關研究，但與國外成形精度差距較大，不能滿足型號的高精度需求。為提高數銑網格壁板的成形精度，目前航天一院 211 廠與國外高校合作開展壁板的蠕變精密成形技術研究。通過基礎材料試驗和縮比蠕變成形試驗（如圖 2-24 所示），已初步獲得 2219 101高強鋁合金壁板蠕變成形的本構方程和參數。3）貯箱筒段的壁板制造技術發展需求分析 航天新型運載火箭零部件的服役環境更加復雜，設計對零件強度的提高、重量的減輕和質量可靠性等要求不斷提高。在壁板成形方面，蠕變時效成形技術可以提高成形

228、精度，同時還可以降低應力，改善貯箱筒后續的焊接性能和應力，提高筒段的整體剛性和可靠性，在 CZ-5、CZ-7、重型等運載火箭型號中具有重要的應用價值。在航天企業，應力松弛技術具有一定的技術基礎，但蠕變成形技術剛剛起步，尚無專用的蠕變成形裝備。為實現該技術在運載型號中的工程化應用，需結合航天產品的材料特性和結構特點，與國內外高校、設備廠家共同開展大型蠕變時效成形裝備的研制工作。4、殼體部段鉚接裝配技術 運載火箭殼體部段外形多為筒體和錐體，由蒙皮加框、桁梁結構組成，蒙皮與框、桁梁的連接方式主要為鉚接和螺接，其中鉚接占 90%以上。殼體部段的裝配流程主要分為骨架式裝配和壁板式裝配。骨架式裝配是在工裝

229、型架上將端框、中間框和桁條預先定位裝配成“鳥籠式”骨架結構，然后在骨架外面鋪上蒙皮進行鉚接，最終形成筒段或錐段的殼體（如圖 2-25）；壁板式裝配是利用裝配孔或在壁板裝配夾具上將中間框、桁條與蒙皮進行定位后鉚接，組裝成 1/4、1/6 或 1/8 的筒段或錐段，然后在工裝型架上將 4 塊、6 塊或 8 塊壁板進行鉚接，最終形成整個筒段或錐段殼體（如圖 2-26）。102 圖2-25 骨架式裝配示意圖 圖2-26 壁板式裝配示意圖 1）殼體部段鉚接裝配技術現狀 運載火箭殼體部的傳統鉚接裝配工藝，是采用手工氣動錘擊鉚接，即一個人使用鉚槍，沖擊鉚釘頭，同時另一個人使用頂鐵，頂住鉚釘桿部，兩人手工配合

230、操作，使鉚釘形成有效墩頭。手工鉚接生產效率和產品質量受工人技能水平、勞動強度、工作環境等因素的影響，難以滿足高密度、高質量的生產任務需求。圖2-27 壁板半自動化鉚接設備 近年來，航天一院 211 廠在上級部門的支持下，積極開展自 103動化鉚接裝配技術研究。在蒙皮框桁結構壁板鉚接裝配技術方面，突破了無毛刺鉆孔、伺服壓鉚、壁板精確定位等關鍵技術，利用壁板半自動化鉚接設備（如圖 2-27 所示），實現了壁板半自動化鉚接裝配。該設備為固定龍門結構，定位托架配備齒條帶動產品轉動，并且能夠沿水平導軌實現直線移動，采用人工加送鉚釘方式，滿足自動鉆孔和自動鉚接等功能需求。表2-6 壁板半自動化鉚接設備 序

231、號 設備名稱 產地 型號 應用產品對象 1 壁板半自動化鉚接設備 國產/蘇州CMM05.SP 用于蒙皮框桁結構壁板半自動化鉚接裝配 2）殼體部段鉚接裝配技術水平分析 自動鉆鉚技術從上世紀 50 年代開始起步，經歷了半自動化、自動化的發展階段。經過 60 多年的發展不斷吸取其它的成熟技術，如計算機仿真技術、智能化控制技術等領域的新技術和新工藝，使自動鉆鉚技術逐漸向智能化、柔性化方向發展。美國自動鉆鉚機的最早制造廠商 GEMCOR（通用電氣機械公司），它是向世界各國飛機制造行業提供自動鉆鉚機的主要廠商之一，并配套有各種型號的數控托架。到現在為止，銷售的自動鉆鉚機數量已達 2000 臺以上，其中 1

232、90 臺具有定位系統。美國 EI 公司生產的 E4000 型系列自動鉆鉚系統，用于空客公司的A320、A340、A380 機翼的鉚接，將電磁鉚接作為動力頭進行設備集成。法國 ALEMA 公司生產的自動鉆鉚系統，主要先進在機器人自動化鉚接系統，雙機器人對鉚單元已經在空客、波音公司壁板、機身、艙門、副翼等產品使用。德國的 GANTRY 公司、意大利 BISACH&CARRU 公司相繼為波音和空客研制的壁板自 104動鉚接系統、半殼自動鉚接系統等成功應用于波音和空客的新型客機的研制生產中。圖2-28 美國GEMCOR公司生產G86自動鉆鉚系統 圖2-29 德國BROETJE公司生產壁板自動鉆鉚系統

233、105 圖2-30 德國BROETJE公司生產半殼自動鉆鉚系統 我國由于承擔國外一些民用飛機小部件的鉚接裝配工作，上世紀 80 年代中期自動鉆鉚技術在航空領域開始得到應用，而在我國自行研制的飛機上并沒有得到應用。但我國對于自動鉆鉚技術的研究和應用越來越重視，近年來西飛、成飛、沈飛等航空公司對自動鉆鉚技術的工程應用進行了大量研究，西北工業大學、上海交通大學、浙江大學、北京航空制造工程研究所等針對自動鉆鉚系統開展技術研究，取得了一定成果。在航天裝配制造行業，由于國外先進鉚接技術對我國施行封閉，幾十年來一直沿用傳統的手工鉚接工藝。近年來，為了提高航天產品鉚接效率、改善工人勞動環境、確保產品裝配質量，

234、航天一院 211 廠積極開展航天產品自動鉆鉚技術研究，并于 2013年初成功研制了首個壁板半自動鉚接產品試驗件，產品直徑3350mm、長度 980mm、弧度 90、使用鉚釘近 3000 個，為自動鉚接技術在我國運載火箭殼體部段的工程化應用奠定了基礎。但相對于國外航空領域自動鉆鉚技術的成熟，我國尚處于起步階段。3）殼體部段鉚接裝配技術發展需求分析 蒙皮框桁結構殼體部段作為運載火箭主要承力結構件，其鉚 106接裝配質量和精度決定著整個箭體結構的剛度和整體協調。手工鉚接裝配的勞動強度大、生產效率低、鉚接質量可靠性差等缺點，已無法適應我國急劇增長的高密度發射任務形勢。雖然航天一院211 廠已經掌握了壁

235、板半自動化鉚接裝配技術，取得了一定成效，但在筒段殼體、錐段殼體的整體自動化鉚接裝配技術方面，并未開展深入的技術研究。另外，隨著運載火箭輕質化設計的發展趨勢，輕質合金、復合材料的應用越來越廣泛，急需在相關領域開展自動化鉚接裝配技術研究。在筒段殼體自動化鉚接裝配技術方面，可采用與高校、企業聯合研制裝備的方式，實現筒段殼體自動化鉚接裝備的國產化。由于國外自動鉆鉚系統技術成熟度高，質量穩定可靠，在錐段殼體的自動化鉚接裝配技術和復合材料的電磁鉚接技術方面，可引進國外成熟的裝備，然后再進行國產化，以滿足我國運載火箭殼體部段的自動化鉚接裝配需求。5、衛星整流罩裝配技術 衛星整流罩在火箭諸多部段中是比較特殊的

236、一種部段，其作為有效載荷的載體，是保護有效載荷順利進入太空的屏障。衛星整流罩一般采用“兩個半罩+分離裝置”的結構，每個半罩采用蜂窩結構或者蒙皮框桁結構。蜂窩結構整流罩主要由分離裝置、球頭、前錐段、柱段、倒錐段組成。前錐段和柱段為整體蜂窩結構的半殼，倒錐段基本結構為鋁合金化銑“蒙皮框桁”的鉚接結構。鋁合金蒙皮框桁結構整流罩主要由前錐段、前柱段、后柱段、倒錐段、后錐段、分離裝置等部分組成，基本結構為鋁合金“蒙皮筋”的鉚接結構。綜上，運載火箭衛星整流罩一般由球頭、前錐段、柱段、倒錐段、橫向分離機構和縱向分離機構組成（如圖 2-31 所示）。在火箭飛行過程中，衛星的整流罩不但要承受飛行載荷，還需具備

237、107縱向解鎖和分離功能，縱向分離機構的裝配質量及可靠性要求高，其裝配質量直接關系到發射任務的成敗。圖2-31 衛星整流罩組成示意 1）衛星整流罩裝配技術現狀 衛星整流罩各部段蒙皮框桁結構分別采用骨架式裝配方法鉚接生產半殼，各段半殼對接后形成半罩，在臥式鉚接裝配型架上裝配分離裝置，完成整個流罩基體結構的裝配。傳統的衛星整流罩各部段的鉚接裝配、半罩協調裝配和總裝對接，主要依靠大型工裝設備保證零部件之間的精確定位，采用手工裝配的方式實現。同時在衛星整流罩內的零組件也依靠人工進行裝配，其裝配精度依賴于工裝的精度和工人的技術水平。由于縱向分離機構關系到運載火箭的成功分離，對工人的技術水平要求更高。航天

238、一院 211 廠一直致力于衛星整流罩的柔性協調裝配技術研究，近年來通過與高校、企業聯合開展技術攻關，共同研制了大型衛星整流罩協調對接的裝備，該裝備具有數控旋轉以及長度光柵定位等功能，已成功應用于 CZ-5 整流罩的研制，大大降 108低了工人勞動強度，保證了各部段之間的協調對接，實現了整流罩裝配過程中的自動移動和旋轉定位、部段間的柔性對接，避免了大型薄壁結構裝配過程中變形產生的誤差。2）衛星整流罩裝配技術水平分析 近十余年來，國外飛機裝配技術發展迅速，以 B777、A340、A380、F-22、F-35 等為代表的新型軍、民飛機，集中反映了國外飛機裝配技術的現狀和發展趨勢，通過裝配仿真和虛擬現

239、實技術等虛擬制造技術和并行工程實現裝配過程優化，應用柔性模塊化的工裝技術、加工和檢測單元并集成應用為一系列的自動化裝配系統進行機體結構的自動化裝配。大量采用了長壽命連接技術，實現了飛機結構的高質量、高效率、長壽命的數字化裝配。部段裝配技術已從由單臺數控自動鉆鉚機和數控托架組成的自動鉆鉚系統向由柔性裝配工裝、模塊化加工單元、數控定位系統（包括機器人）、自動送料系統和數字化檢測系統等組成的的自動化裝配系統發展。另外，鉚接成形方式出現了多樣化。電磁鉚接是在電磁成形工藝的基礎上發展起來的一種新型鉚接工藝，電磁鉚接加載速率高，鉚釘瞬間就能完成鐓頭的成形，鉚接材料各向流動均勻且同步，可實現比較理想的干涉配

240、合。對屈強比高、應變速率敏感、強度高及大直徑鉚釘的鉚接具有特殊的功能，比較適用于大直徑鋁/鈦合金鉚釘的鉚接。電磁鉚接技術自出現問世以來，大量應用于航空方面，如美國 EI 公司生產的 HH 系列的電磁鉚槍，已經應用于 B787、A380 尾翼壁板的生產中，俄羅斯的 YK-6型電磁鉚槍已經應用于 Y-154 救生筏體的鉚接生產中。西安飛機制造公司已經從 EI公司購買了一套HH503 對鉚接式電磁鉚接系統，現正處在設備調試和使用階段，據了解，西飛所購置的HH503 型電磁鉚槍將應用于尾翼壁板的生產中。通過對電磁鉚 109接技術在國外的應用分析，可以看出電磁鉚接技術主要應用于開敞性比較好的產品上。國內

241、運載火箭衛星整流罩制造主要依靠工裝定位和手工裝配，大型自動化裝備和先進鉚接方式沒有得到工程化應用，與國外先進技術的差距較大。另外產品形位公差裝配后借助工裝型架，利用千分尺、百分表等手動檢測產品形位公差。部分協調裝配精度及形位公差要求較高的零件，均利用輔助工裝進行裝配，但裝配后人工無法檢測裝配結果，給總裝單位埋下質量隱患，影響產品的可靠性。3）衛星整流罩裝配技術發展需求分析 目前，衛星整流罩裝配工藝過程無量化指標、裝配精度難以保證對接協調性，其結構強度、剛度不滿足要求，會導致局部失穩，靜強度破壞。產品的單點故障模式為產品整體或局部出現破壞，失去承載能力，以及對接不協調的問題，造成整體殼體的結構強

242、度有所下降，給產品帶來質量隱患。由于衛星整流罩裝配主要依靠設備或工裝進行定位，來保證部段的鉚接裝配、半罩協調裝配和總裝對接，并采用人工鉚接、螺接工藝實現單個部段裝配和衛星整流罩內的零組件裝配。生產過程操作非常困難，鑒定、更換狀態繁瑣，且裝配后的橫向與縱向分離機構的技術指標均為工裝保證，產品無檢測的量化數據支持。因此在各單個部段的定位技術、半罩協調裝配和總裝對接裝備技術方面，可采用高校、企業聯合研制的形式，實現衛星整流罩精確定位、柔性對接技術的突破。在前錐段、柱段、倒錐段等單個部段鉚接裝配和衛星整流罩內的零組件的裝配，可采用引進國外成熟的自動化鉚接設備和機器人鉆孔設備，然后再進行國產化，以實現我

243、國運載火箭衛星整流罩的各單個部段的自動化裝配和零組件的精確定位。1106、發動機典型難加工零件制造技術 運載火箭上發動機零部件制造特點和難點主要涉及到鈦合金、高溫合金等難加工材料的加工，以及復雜薄壁結構零件的加工。1）典型難加工材料及復雜薄壁結構零件加工技術現狀 帶冠渦輪轉子電火花加工技術 渦輪轉子為 GH4169 材料，該零件不僅為難加工材料，且葉片形狀復雜（如圖 2-32 所示），輪廓斜率變化大、通道小，電極運動軌跡復雜、葉片重心位置及兩葉片對應中心角為空間尺寸，不便于加工及測量。目前航天一院 211 廠采用 5 軸聯動數控電火花技術加工，電火花加工的基本原理是基于工具和工件（正、負電極）

244、之間脈沖火花放電時的電蝕現象來去除多余的金屬，以達到對零件的尺寸、形狀及表面質量預定的加工要求。圖2-32 帶葉冠渦輪轉子 111泵殼體 泵殼體為大型鈦合金 Ti5Al2.5Sn ELI 鑄件，形狀復雜（如圖2-33 所示），有多個深接管嘴孔和一個螺形形成的擴散管出口法蘭，梅花形內腔，多圈分布的法蘭孔和螺紋孔，大量工序需鏜加工和數控銑加工完成。圖2-33 泵殼體 表2-7 數控電火花和加工中心 序號 設備名稱 產地 型號 應用產品對象 1 數控電火花設備 國外/用于渦輪轉子等加工 2 數控加工中心 國產/用于復雜殼體類產品加工 2）典型難加工材料及復雜薄壁結構零件加工技術水平分析 針對上述零件

245、加工中的難點和關鍵技術，目前航天一院 211廠的數控電火花加工以及機械加工技術處于國內領先水平，達到國外先進水平。電火花微細加工在微軸、微孔及微三維結構制造，尤其是對難加工材料、難加工部位成形方面具有相當大的優勢，受到世界各國高度重視，發展非常迅速，國外已進入實用化階段。日本東京大學加工出的 2.5m 的微軸和 5m 的微孔，代表了 112當前這一領域的世界前沿水平。國內大多數研究只停留在實驗室階段，未真正轉入實際應用。20 世紀 90 年代以來，國內對微細電火花加工技術的研究領域有所擴展也比較活躍，取得了不少成果，對微細電火花加工進行了許多研究工作，但還沒有真正轉入工程化應用。微細深小孔加工

246、歷來是運載火箭研制中的技術難題，航天一院 211 廠通過微細電火花加工技術的應用研究，成功解決了運載火箭的限流片、氣阻元件等零件直徑達 0.05 毫米微小孔加工等關鍵技術，取得了很好的效果。3）典型難加工材料及復雜薄壁結構零件加工技術發展需求 由于其電火花本身加工工藝特點所限，加工效率低，與現在批量生產存在矛盾。帶葉冠整體渦輪盤扭曲葉片的數控電火花加工仍是空白，攻克帶冠整體渦輪盤扭曲葉片制造技術難度很大，直到現在，制造技術仍未得到突破。難加工材料高精度微小孔數控電火花高效微細加工技術在國外已進入實用化階段，國內大多數研究只停留在實驗室階段，未真正轉入實際應用。微米級電火花微細加工的研究成果將在

247、國內首次實現微細加工技術的工程化應用，其研究成果將填補航天一院復雜型面微小結構零件微細加工的技術空白，具備對鈦合金、高溫合金和不銹鋼等難加工材料，直徑 0.040.3mm 的微小孔的大深徑比，高精度、高效率、高一致性加工的能力，使復雜微細結構特種精密加工技術達到空間攻防武器系統、長征系列運載火箭等型號研制工程應用的研究目標，滿足未來批生產的需要。隨著航天事業的不斷發展，在未來新型發動機上，越來越多的新材料也將用于新型發動機上，如粉末冶金材料，銀鋯銅合金材料等。但從國內外發展看來，目前高溫合金、鈦合金材料零件 113仍將是發動機的主流材料，因此對未來的技術需求也將有更高的要求。復雜結構精密加工、

248、高效數控加工等低成本高效率制造技術、以及先進熱表處理技術、復雜零件的檢測技術等配套技術的研究應用，都將是我們未來發展的需要。大型低剛度結構件精密加工裝備技術主要涉及高檔數控機床制造技術和檢測技術（5 軸聯動數控機床、復雜形狀零件的測量與評定技術和在線檢測與控制技術等）。針對航空航天、能源動力和汽車制造領域的需求，我國從 2008 年實施了“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項，即 04 專項，推動高檔數控機床制造技術研究和新產品開發，力爭到 2020 年讓我國高檔數控機床與基礎制造裝備的國產化率達到 80%以上。毫無疑問，04 專項加快了我國數控裝備技術的發展。但是，從 2013 年底

249、中國工程院對 04 專項執行情況的調研結果來看，形勢并不樂觀。目前我國航空航天及能源動力領域的企業使用的高檔數控加工機床 80%為進口產品，包括美國的 MAG、Ingersoll,德國的科寶、DST 和意大利的蘭寶蒂等。原因是國產高檔數控機床性能不穩定，精度和重復精度差，而且，國產數控機床生產廠家不能提供相應的工藝技術。國產 5 軸數控機床目前只能作為中低擋機床使用?？梢?，要達到 04 專項預定的目標仍有很長的路，任重而道遠。三、大型復合材料構件精密加工技術與裝備（一）大型復合材料概況 1、大型復合材料在航空航天及能源動力領域的發展狀況 新材料技術是支撐當今人類文明的現代工業關鍵技術，新材料技

250、術一直是世界各國科技發展規劃之中一個十分重要的領域復合化是新材料的重要發展方向，也是新材料最具生命力的分支之一，復合材料的重要性已經發展成為與金屬材料、無機非金屬 114材料、高分子材料并駕齊驅，如圖 2-34 所示。圖2-34 材料的相對重要性 復合材料是指由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料，它既能保留原有組分材料的主要特色，又通過材料設計使各組分的性能相補充并彼此關聯與協同，從而獲得新的組分材料無法比擬的優越性能，與一般材料的簡單混合有本質的區別。所謂先進復合材料是指用碳纖維等高性能增強相增強的復合材料，對于先進樹脂基復合材料，在綜合性能上與鋁合金相

251、當，但比剛度比強度高于鋁合金。隨著復合材料的廣泛應用和人們在原材料、復合工藝、界面理論、復合效應等方面實踐和理論研究的深入，使人們對復合材料有了更全面的認識?，F在人們可以更能動地選擇不同的增強材料（顆粒、片狀物、纖維及其織物等）與基體進行合理的性能（功能和力學）設計（如宏觀的鋪層設計、微結構設計等），采用多種特殊的工藝使其復合或交叉結合，從而制造出高于原先單一材料的性能或開發出單一材料所不具備的性質和使用性能，如優異的力學性能、物理-化學多功能（電、熱、磁、光、耐燒蝕等）或生物效應的各類高級復合材料。因此“復合”涵蓋的范圍也越來越廣：從宏觀尺度的復合到微觀尺度的復合；從結構材料到結構 115功

252、能一體化材料和功能復合材料；從簡單復合到非線性復合效應的復合；從復合材料到復合結構；從材料的機械設計到仿生設計。先進復合材料的高比強、高比模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好、性能可設計等優勢已被世人所共識，圖 2-35 顯示了復合材料高比強高比模的突出優勢。圖2-35 先進復合材料與金屬的比強度和比剛度 與傳統材料相比，復合材料具有如下特點：（1）可設計性和各向異性。復合材料的力學、機械及熱、聲、光、電、防腐、抗老化等性能都可按照構件的使用或服役環境條件要求，通過組分材料的選擇和匹配以及界面控制等材料設計手段，最大限度地達到預期的目的，以滿足工程結構設計的使用性能，同時由于

253、復合材料具有各向異性和非均勻性，可以通過合理的設計消除材料冗余，最大程度發揮材料及結構的潛力和效率。（2）材料與結構一體化。復合材料構件與材料是同時形成的，一般不再由復合材料加工成復合材料構件，使之結構的整體性好，大幅度減少零部件和連接件數量，從而縮短加工周期，降低成本，提高可靠性。（3）復合效應。復合材料是由各組分材料經過復合工藝形 116成的，但它不是幾種材料的簡單混合，而是按照復合效應形成的新的性能，這種復合效應是復合材料僅有的，通過復合效應，復合材料可以克服單一材料的某種性能缺陷。（4）材料性能對復合工藝的依賴性。復合材料結構在形成過程中有組分材料的物理和化學變化，因此構件的性能對工藝

254、方法、工藝參數、工藝過程等依賴性較大，同時也由于在成形過程中很難準確地控制工藝參數，使其性能的分散性較大。（5）多功能性和發展性。復合材料組成的多樣性和隨意性為復合材料具有除力學性能以外的許多功能（如聲、光、電、磁、熱等）創造了條件，使復合材料擁有吸波、透波、耐熱、防熱、隔熱、導電、記憶、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能；同時與其它先進技術相結合，如與納米技術結合發展的納米復合材料，與生物、醫學科學相結合發展的生物復合材料，與微機電、控制、傳感技術等相結合發展的智能復合材料等，賦予了先進復合材料新的內涵。隨著先進復合材料研究、研制及應用的不斷擴大，其優越性能越來越得到充分發揮和擴大。2、國內外先進

255、復合材料的發展趨勢 一方面，基體和增強體等原材料是發展先進復合材料的基礎和前提，而增強纖維技術尤為重要。碳纖維是 20 世紀 60 年代迅速發展起來的高新材料，主要包括以美國為代表的大絲束碳纖維生產和以日本為代表的小絲束生產兩大類。日本東麗公司開發了T300一TI000的高強纖維和M30SM60J的高模纖維，其中T-300是最先商業化的普通碳纖維，T300/樹脂基復合材料已經在飛行器上廣泛作為結構材料使用。目前應用較多的高強度中模量碳纖維 IM7 和 TsooH 纖維，強度達到 5.SGPa，T-I000 的抗拉強度達到 7.02GPa，是目前世界上強度最高的碳纖維，日本碳纖維生產代表了目前碳

256、纖維不斷向高性能方向發展的一個趨勢。碳纖維發 117展的另一大趨勢是開發大絲束纖維，大絲束纖維的生產對前驅體要求低，產品成本低（每公斤碳纖維將降到 10 美元左右），非常適用于一般民用工業領域。目前關于碳纖維的研究主要是提高模量和強度，降低生產成本。使用的纖維先驅體仍然主要是 PAN 和瀝青纖維。一般來說，PAN 基碳纖維能提供高強度，而瀝青基碳纖維提供高模量。但通過控制微觀結構缺陷、結晶取向、雜質和改善工藝條件，利用PAN 或瀝青纖維，均可獲得高強/高模纖維。而另一方面，新型復合材料是先進復合材料可持續發展的趨勢與動力。新型航空航天器的發展不斷追求高效能、低成本、長壽命、高可靠，對其材料與結

257、構的綜合要求越來越高。適應此應用需求，一些新型復合材料應運而生，在現有材料性能基礎上繼續挖掘先進復合材料潛力，如超輕材料與結構技術力求輕上加輕，納米復合使其強上加強，多功能化追求功上加功。最新的新型復合材料與結構主要由以下幾種：1）超輕材料與結構 先進格柵增強結構（AGS）格柵結構先后在 Wellingtom 轟炸機的機身、太陽神和 Delt 運載火箭的整流罩上成功應用。上世紀 90 年代，Stanford 大學提出了以纖維增強復合材料（CFRP）作為加強肋，制造各向異性格柵增強結構。這種新型的結構表現出更多潛在的優越性能：與已有的鋁合金格柵結構相比，提高了結構的比強度與比模量，同時增強了結構

258、的抗腐蝕能力，而且可以利用自動化制造方法降低成本，最為突出的是增加了結構設計、制造的靈活性，稱之為先進格柵增強結構（AGS）。美國空軍實驗室 1997 年在國家導彈防御系統試驗項目 118（BMDOCEP）支持下，成功設計、制造了以 CFRP 作為加強肋的 AGS 整流罩，整流罩重量僅 37kg，同類型鋁合金防護罩重 97噸，運用纖維纏繞技術實現了自動化生產，工藝周期縮短 88%，比同類型蜂窩夾層結構制造復合材料整流罩減重 40%，成本降低20%。美國空間實驗室把 AGS 技術列為迎接未來空間系統技術挑戰的四大結構技術之一，并且指出了這項技術未來在航天器燃料儲箱、機身等大型復雜部件應用的廣闊前

259、景。俄羅斯 CRISMB提出的應用對象包括級間段、內壓容器、有效載荷適配器、運載飛船整流罩、飛機中機身艙段、翼盒、直升機垂尾梁、空間望遠鏡鏡身以及建筑結構等。點陣復合材料 2000 年前后，在西方材料學界，以哈佛大學的 Evans 教授、劍橋大學的 Ashby 教授、MIT 的 Gibson 教授等人為首提出了一種空間點陣材料（結構）。這類結構類似于現有的空間網架，只是尺寸上要小得多。這類材料具有的優越性能越來越受到了材料學界的重視。格柵型結構和點陣夾層結構是當前國際上認為最有前景的新一代輕質超強、超韌材料，己經開始應用于航天結構。尤其點陣復合材料為結構進一步輕量化以及材料/結構/功能一體化設

260、計及其實現提供了更廣闊的發展空間和可能性。點陣材料的等效剛度和強度與材料的等效密度近似成線性關系，具有比當前常用的多孔材料高得多的剛度和強度。在相同的重量條件下，通常的點陣材料的面內楊氏模量可以比蜂材料等輕質材料高出兩個數量級以上，其面外強度可高于蜂窩材料等一個數量級以上。同時，其獨特的細觀周期性三維網架結構體系為應用有限元結構體系對其進行最佳構型設計提供了可循之路。當前的衛星設計多將結構承載系統和熱控系統分離設計，這樣，埋設熱管的基板使得衛星結構顯得冗余，加重了結構質量，119同時也無法充分利用結構材料的優勢。點陣夾芯結構應用于衛星結構，有望實現衛星熱控系統的全部或部分功能。點陣夾芯結構的空

261、隙比一般大于 90%，這種大的空穴為熱控元件提供了安置空間，點陣材料的開口設計方案為也為熱控元件的埋設提供了方便。與當前多采用的熱控元件預埋于蜂窩夾層板方案相比，該方案無需在結構中挖掘空洞，保持了結構材料的完整性，對結構的承載性能毫無影響，同時該方案大大降低了埋設工藝難度，提高了結構組裝效率。另一方面，點陣材料自身也是優良的緊湊熱交換器，可以部分或全部取代熱控元件，實現散熱功能。這些將為衛星結構的減重和熱控設計提供了一條新的途徑。2）納米復合材料 納米材料為常規復合材料的研究增添了新的內容，含有納米單元相的納米復合材料是納米材料工程的重要組成部分，正成為當前納米材料發展的新動向。納米復合材料己

262、經成為先進復合材料技術的一個新增長點，也是先進復合材料技術研究最活躍的前沿領域之一。納米復合材料的超常特性（如圖 2-36）使其在航空航天等各領域具有廣泛的應用前景。圖2-36 納米復合材料的超常特性 120納米復合材料研制中存在的關鍵問題有；一是分散（dispersion），均勻分散納米粒子和納米管要克服它們由于 van der Waals 鍵形成的團聚是納米復合材料制備加工的第一步，納米片層結構的剝離也至關重要，如果分散得不好，影響材料的性能，導致材料力學性能下降；二是排列（Alignment），因為尺寸小，很難把納米管像傳統短纖維那樣排列在聚合物基體中，缺乏對納米管的定向排列的控制導致納

263、米管在復合材料中的增強效果下降；三是成本，納米復合材料的成本也由納米增強材料的成本決定，特別是納米纖維和碳納米管的成本較高，但無機納米粒子和納米粘土的成本較低，并且用量很少，可以預見隨著納米纖維和納米管的大量應用，成本會進一步降低。3）多功能復合材料與結構 多功能復合材料己有近 40 年的發展歷史，在這幾十年中，不僅多功能復合材料的概念、結構和種類都發生了巨大變動，而且其應用領域也由戰略導彈擴展到衛星、航天飛機等各種宇航系統中，多功能復合材料的發展為航天工業和武器系統的發展打下了堅實的基礎。新興的多功能一體化型復合材料從一問世即引起了廣泛的重視，20 世紀 90 年代后，美國軍方特別注重多功能

264、復合材料的研究與發展，明確地指出該種材料在未來戰爭中將起到舉足輕重的作用。碳/碳復合材料隨著新一代航空航天器向高超聲速等方向的發展，苛刻的超高溫服役環境對材料及結構的承載與防熱提出了嚴峻考驗，碳/碳復合材料是適應這種需求重要候選材料。從碳纖維增強相來看，可分為碳氈 C/C 和多向編織 C/C 復合材料。作為一種新型戰略材料，在美、俄、法、英、日等國家，其研制發展主要由空軍、海軍或政府預算中給予支持，因此，碳/碳復合材料的國防專用性和強烈的軍事背景使得其研制和使用具有 121高度的機密性。碳基防熱復合材料主要用于燒蝕防熱和熱結構，較好地解決了輕質化、抗熱震、耐燒蝕、耐侵蝕等技術難題。除了傳統的碳

265、/碳復合材料以外，近些年來，美、俄、法等國家又開發了許多混雜其它材料的新型碳/碳材料，以滿足不同的特殊使用要求，例如：在碳/碳材料中混入 Si3N4、SiC、TiC、TaO、TaC、WO、WC 等粉末，以提高碳/碳材料抗粒子侵蝕性能。更新的彈頭鼻錐防熱材料是針刺細編織物在穿刺或編織過程中加入提高改進性能的組分，像耐熔金屬絲、耐侵蝕粒子等，這樣可大大改進抗粒子性能，達到“全天候”的目的。從目前的實際情況及應用前景可看出碳/碳復合材料的研究和發展趨勢大致為：從最初階段的兩向碳/碳復合材料向三向、四向（編織）等三維多向碳/碳復合材料發展；從單純抗燒蝕碳碳復合材料向抗燒侵蝕碳/碳復合材料發展；從單純防

266、熱材料向防熱/承載一體化發展；從單功能向多功能發展。透波復合材料主要分為有機樹脂基透波復合材料和陶瓷基透波復合材料兩大類。有機樹脂基透波復合材料具有高強、輕質和優良電性能等特點，成為低馬赫數飛行器天線罩的首選材料。目前，先進有機樹脂基透波材料在國外戰機上廣泛應用，如F-22 戰斗機、JSF 戰斗機和 EF2000 戰斗機等。許多先進制導導彈也采用了高性能天線罩材料，如俄羅斯的 X-3l 和美國的AGM-88A 反輻射導彈采用了寬頻帶被動雷達天線罩。為提高有機樹脂基透波復合材料的使用溫度，國外近期在有機/無機雜化樹脂方面開展了大量研究工作。美國報道了一種以硅為主鏈的樹脂（Dl 系列樹脂），石英纖

267、維增強的 Dl 樹脂復合材料在 538 oC下保持很高的拉伸強度，介電性能在 850C 以下保持穩定，已被用于制造耐溫 500C 以上的夾層結構寬頻帶天線罩。智能復合材料及結構不僅能夠承受載荷，還能感知所處的內 122外部環境變化，并能通過改變其物理性能或形狀等作出響應，借此實現自診斷、自適應、自修復等功能，具有廣闊的應用前景。美國防部 1997 年頒布的“基礎研究計劃”，把智能材料與結構列為 6 項戰略研究任務之一。各軍種和彈道導彈防御局都制定了研究計劃，如彈道導彈防御局的“自適應結構計劃”，陸軍研究局的“智能材料與結構計劃”，空、海軍共同實施的“智能金屬結構計劃”，空軍航天實驗室的“智能結

268、構/蒙皮計劃”等。在歐洲，英、法、意、德等國正在研究光纖自診斷智能結構和主動控制技術。日本在智能結構的航天應用方面作了大量研究工作，包括空間結構主動振動控制、自適應靜態形狀精確控制和自適應可變形析架等。3、國內復合材料發展狀況 我國先進復合材料發展由于受到體制分割和各自領域獨立發展的制約和影響，在某種程度上已經形成了材料品種和牌號多、材料成熟度參差不齊、低水平或同水平重復以及較低的性能價格比的局面，從深層次上表現為在原材料的供應上存在著“瓶頸”效應，國產先進復合材料的性能、質量、規格、價格以及供貨能力等方面還遠遠不能滿足國防、航空航天以及民用領域的需求。尤其在中國加入 WTO 之后，在自主知識

269、產權、創新和提高競爭力等方面更是受到嚴峻的挑戰。碳纖維是最重要的增強材料，我國碳纖維研發中存在的幾個問題為：原絲質量差、生產規模小、質量低、價格高、應用基礎研究薄弱等。國外預測我國將成為最大的復合材料制造商和用戶，預計 2010 年中國的需求量將占世界的 1/4。面臨國外的技術封鎖，我國的迫切需求，以及碳纖維的基礎性、先導性以及戰略性特點，因此，解決碳纖維技術問題迫在眉睫。解決 PAN 原絲及 PAN 碳纖維的關鍵技術問題，在 T300 級 123PAN 碳纖維實現大批量生產，滿足國內對碳纖維材料的需求。T700 級隊 N 碳纖維中試穩定化研究，可進行小批量生產。爭取在模量大于 700GPa

270、和強度大于 5.SGPa 的高模高強碳纖維關鍵技術方面獲得突破，并同時開展大絲束、低成本碳纖維技術研究。而其原絲與纖維的微結構控制和其對纖維力學性能的影響是需研究的關鍵問題之一。4、碳纖維復合材料的應用狀況 1）碳纖維 復合材料所用各種纖維材料性能比較見表 2-8。表2-8各種纖維材料性能比較 性能 拉伸強度/MPa 拉伸模量/GPa 密度/（g/cm3）比模量x109/cm 比強度x107/cm 產地 30CrMnsi 1100 205 7.8 0.26 0.14-D406A 1560 205 7.8 0.26 0.20-S-玻璃纖維 3200 85 2.5 0.34 1.28-F12 有機

271、纖維 4300 145 1.44 1.00 2.99 俄羅斯 IM6 碳纖維 5200 276 1.7 1.62 3.06 美國 IM7 碳纖維 5379 276 1.8 1.53 3.00 IM8 碳纖維 5447 303 1.7 1.78 3.20 IM9 碳纖維 6343 290 2.0 1.45 3.17 P30 碳纖維 400 210 1.76 1.19 2.27 日本 T700 碳纖維 4800 230 1.80 1.28 2.67 T800 碳纖維 5490 294 1.80 1.62 3.03 124T1000 碳纖維 7060 294 表 2-8 對一些材料的性能進行了比較。

272、由表，可見，僅玻璃纖維就比金屬材料的比強度、比模量分別提高了 540%、31%，碳纖維的提高則更為顯著。毋庸置言，碳纖維仍將是今后固體火箭發動機殼體和噴管的主要材料。開發碳纖維復合材料的其他應用大有作為，如飛機及高速列車剎車系統、民用飛機及汽車復合材料結構件、高性能碳纖維軸承、風力發電機大型葉片、體育運動器材（如滑雪板、球拍、漁桿）等。碳纖維是一種高強度、高模量材料，理論上大多數有機纖維都可被制成碳纖維，實際用作碳纖維原料的有機纖維主要有三種：粘膠纖維、瀝青纖維、聚丙烯睛纖維。當前固體火箭發動機結構件用的碳纖維大多由聚丙烯睛纖維制成。碳纖維另一個重要發展特點是大絲束產品。大絲束是碳纖維產品多元

273、化的一個重要方面，主要目的是加快纖維鋪放速率，從而提高復合材料生產效率，降低制造成本。這方面的研究內容主要是制取廉價原絲技術（包括大絲束化、化學改性、用其他纖維材料取代聚丙烯腈纖維）、等離子預氧化技術、微波碳化和石墨化技術等。碳纖維按用途大致可分 24K 以下的宇航級小絲束碳纖維（1K 的含義為一條碳纖維絲束含 1000 根單絲）和 48K 以上的工業級大絲束碳纖維。目前小絲束碳纖維基本為日本 Toray（東麗）、Tenax（東邦）與 Mitsubishi Rayon（三菱人造絲）所壟斷。而大絲束碳纖維主要生產國是美國、德國與日本，產量大約是小絲束碳纖維的 33%左右，最大支數發展到 480K

274、。工業級大絲束碳纖維可有效降低復合材料成本，但隨之帶來的是樹脂浸潤不夠充分和均勻性方面的問題。1252）碳纖維基體 基體是復合材料另一個主要組分材料，包括金屬基體、陶瓷基體和樹脂基體，主流是樹脂基體。樹脂基復合材料 樹脂基復合材料（Resin Matrix Composite）也稱纖維增強塑料（Fiber Reinforced Plastles），是技術比較成熟且應用最為廣泛的一類復合材料。這種材料是用短切的或連續纖維及其織物增強熱固性或熱塑性樹脂基體，經復合而成。進入 20 世紀 70 年代，對復合材料的研究發跡了僅僅采用玻璃纖維增強樹脂的局面，人們一方面不斷開辟玻纖一樹脂復合材料的新用途，

275、同時也開發了一批如碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強材料，并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷為基體，制成先進復合材料（Advanced Composite Materials，簡稱 ACM）。這種先進復合材料具有比玻璃纖維復合材料更好的性能，是用于飛機、火箭、衛星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。金屬基 伴隨航空航天、IT 業和宇宙空間技術的進步，金屬基復合材料獲得了驚人的發展。在航天、機器人、核反應堆等高技術領域，鎂基、鋁基和鈦基輕質復合材料起到了支撐作用，SiC 晶須增強的鋁基復合材料薄板用于先進戰斗機的蒙皮和機尾的加強筋，鎢纖維增強高溫合金基復合材料

276、可用于飛機發動機部件，石墨/鋁、石墨/鎂復合材料具有很高的比剛度和抗熱變形性，是衛星和宇宙飛行器用的良好的結構材料。以碳氮化物或金屬間化合物顆粒為強化劑的鐵基復合材料，能明顯提高強度、韌性、耐磨、耐蝕和切削性能。不同基體材料 126可使復合材料具有耐蝕、耐磨、耐熱性能，尤其是工具、模具、高溫合金、夾具和耐磨件。用 Al2O3 或 SiC 晶須或纖維強化的復合材料，耐高溫和具有高強度，可用于發動機和泵的葉輪及模具。金屬基復合材料分為宏觀組合型和微觀強化型兩大類。前者指其組分能用肉眼識別和具備兩組分性能的材料（如雙金屬、包履板等）；后者需顯微觀察分辨組分以改善成分來提高強度為主要目標的材料。金屬基

277、復合材料一般分為鋁基、鎂基、鋼基、鐵基及鋁合金基復合材料等。按增強相形態的不同分為顆粒增強金屬復合材料、晶須或短纖維增強金屬基復合材料及連續纖維增強金屬基復合材料。與低體積分數的結構的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料相比，用于光學儀器儀表中的中等體積分數（35%45%）碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的功能化特性比較突出，不僅具有比鋁合金和鈦合金高出一倍的比剛度，還有著與鈹材及鋼材接近的低熱脹系數和優于鈹材的尺寸穩定性。因此，該種復合材料可替代鈹材用作慣性器件，并被譽為“第三代航空航天慣性器件材料”。除用作慣性器件外，在光學儀器儀表中，碳化硅顆粒增強鋁基復合材料還可替代鈹、微晶玻璃、石英玻璃等用作反射鏡鏡

278、坯。金屬基復合材料在民用產品中的應用與研究相對緩慢。要使其推廣使用，還必須解決以下幾個問題。（1）金屬基復合材料普遍存在制備成本問題。在制備過程中，制備工藝復雜，很難應用于生產。若要使復合材料真正進入到產業化，還需要進行更深一步的研究，簡化制造工藝，降低制造成本，增強復合材料的市場競爭力。（2）復合材料性能的優劣性依賴于增強體與基體的結合及增強體的分布狀況，而決定結合及分布狀況的主要因素之一是潤 127濕性。由于大多數金屬基體與增強體潤濕差甚至不潤濕，這就給復合材料的制備帶來困難。研究表明，添加合金元素及提高液態金屬溫度會提高增強體與基體的潤濕性，但該做法會提高成本或犧牲復合材料的性能，且潤濕

279、效果并不十分明顯。（3）在較高溫度下制備復合材料，基體與增強體之間不可避免發生程度不同的界面反應及元素偏聚等。界面反應促進潤濕對制備復合材料是有利的。產生界面的脆性相，造成增強體損傷和改變基體成分。這類反應輕微，不損傷顆粒、晶須等增強體。一旦反應生成脆性相進而形成脆性層，就會造成增強體嚴重損傷，同時造成強界面結合，復合材料性能急劇下降，甚至低于基體性能。（4）在制備金屬基復合材料過程中，增強體在基體中偏聚是研究者遇到的難題之一。如何使其分布均勻也同樣決定著復合材料的性能。在研究中試圖通過離心鑄造、加強攪拌、配制中間合金、原位復合等手段解決該問題。因此，如何使增強體分布均勻始終是眾多學者研究的對

280、象。陶瓷基 由于陶瓷材料具有耐磨、耐高溫和抗化學侵蝕能力，陶瓷雖然具有作為發動機耐熱結構材料的明顯優點，但其脆性卻極大地限制了它的推廣應用。為了克服單組分陶瓷材料缺陷敏感性高、韌性低、可靠性差的缺點，材料科學工作者進行了大量的研究以尋找切實可行的增韌方法。目前常見的幾種增加韌性方式主要有相變增韌、顆粒（晶片）彌散增韌、晶須（短切纖維）復合增韌和連續纖維增韌補強等。此外還可通過材料結構的改變來達到增韌的目的，如自增韌結構、仿生疊層結構以及梯度功能材料等。128（二）復合材料機械加工特點 復合材料的切削加工通常分為常規加工和特種加工兩類方法。常規加工基本上可以采用金屬切削加工工藝和裝備。一般說來，

281、常規方法較為簡單，工藝也較成熟，不足的是難以加工形狀復雜的工件，而且刀具磨損快，加工質量不高，所產生的切削粉末不利于人體健康。特種加工有激光束加工、高壓水切割、電火花加工、超聲波加工、電子束加工和電化學加工等。這些方法獨特，具有常規機械加工方法無法比擬的優點，是復合材料機械加工未來發展的方向。1、玻璃鋼的機械加工特點 玻璃鋼有酚醛樹脂基、環氧樹脂基、不飽和聚酯樹脂基等，樹脂基體不同，可切削性也不相同。環氧樹脂基比酚醛樹脂基難切削。試驗證明，切削玻璃鋼的刀具材料以高速鋼磨損最嚴重，用金剛石或立方氮化硼刀具切削加工玻璃鋼，可大大提高生產效率。選擇刀具幾何參數時，對玻璃纖維含量高的玻璃鋼板材、模壓材

282、料和纏繞材料，使0r=2025；對纖維纏繞材料，使0r=2030。由于玻璃鋼回彈性較大，后角要選大值，使 0a=814；副偏角小些，可降低表面粗糙度，精車時為 68。加工易脫層、起毛的卷管和纖維纏繞玻璃鋼，應采用 615刃傾角。切削時 v=40100m/min、f=0.10.5mm/r、pa=0.53.5mm，精車時pa=0.050.2mm。2、碳纖維增強復合材料的機械加工特點 碳纖維增強復合材料是由質軟而粘性大的基體和強度高、硬度大的纖維混合而成的二相或多相結構，其力學性能呈各向異性，機械加工條件比較惡劣，碳纖維增強復合材料切削加工的主要特點如下：129（1）材料產生分層破壞。分層是復合材料

283、鋪層之間脫膠而形成的一種破壞現象，當切削參數不合理時會使層間受力過大而導致分層，分層會嚴重降低材料的性能甚至使零件報廢，即使是微小的分層也是非常嚴重的安全隱患。（2）刀具磨損嚴重，耐用度低。切削區域的溫度高且集中于刀具切削刃附近很窄區域內，纖維的回彈及粉術狀的切屑又加重了擦傷刃口和后刀面，加之碳纖維的硬度非常高，故刀具磨損嚴重，后刀面產生溝狀磨損，耐用度低。（3）產生殘余應力。這主要是因為在切削過程中切削溫度較高，增強纖維和基體樹脂的熱膨脹系數相差太大，存在著熱應力，這是產生殘余應力的原因之一；同時由于復合材料呈現各向異性，層間強度低，切削時在切削力的作用下容易產生分層、撕裂等缺陷，進而產生殘

284、余應力。鉆孔時尤為嚴重，加工質量難以保證，表面的尺寸精度和表面粗糙度不易達到要求。（4）切削溫度高。碳纖維增強復合材料切屑形成過程是一個基體破壞和纖維斷裂相互交織的復雜過程，在此過程中，碳纖維作為切削硬質點連續磨耗刀具，因碳纖維斷裂和基體剪切，以及切屑與前刀面、后刀面與已加工表面之間的摩擦而產生大量的切削熱，加之碳纖維復合材料導熱性差等原因，切削熱主要傳向刀具和工件，導致刀具的快速磨損。3、熱塑性樹脂基復合材料的機械加工特點（1）加工時加冷卻劑，以避免過熱，過熱會使材料基體軟化或燒焦；（2）采用高速切削；（3）切削刀具要有足夠容量的排屑槽；（4）采用小的背吃刀量和小的進給量；130（5）車刀應

285、磨成一定的傾角，刀頭和刀具要鋒利，以盡量減少刀具切削力（工件材料抵抗刀具切削時產生的阻力）；（6）熱塑性復合材料鉆孔應使用麻花鉆頭；（7）應采用碳化鎢或金剛砂刀具，或用特殊的塑料用高速鋼刀具；（8）工件必須適當支承（背部墊實），以避免切削壓力造成的分層；（9）精密機械加工時，要考慮塑性記憶和加工車間的室溫。4、金屬基復合材料的機械加工加工特點 金屬基復合材料（Metal Matrix Composite，MMC）的最大特點是成型性能好，一次成型后已基本能滿足使用要求。但是隨著復合材料應用領域的擴大，特別是金屬基復合材料在工業及宇航領域中的應用，對這種材料的加工和精加工日趨重要。傳統的切割、車削

286、、銑削、磨削等工藝一般都可用于金屬基復合材料，但是刀具磨損較嚴重，往往隨著增強材料體積分數和尺寸的增大而加劇。對于一些單纖維增強的金屬基復合材料，往往必須用有金剛石尖或鑲嵌有金剛石的刀具。對于短纖維或粒子復合材料，有時也采用碳化鎢或高速鋼工具。對于多數金屬基復合材料，使用銳利的刀具、合適的切削速度、大量的冷卻/潤滑劑和較大的進刀量，可以得到很好的效果。一般來說，金剛石刀具要比硬質合金及陶瓷刀具好，可更適用于高速車削。反過來，如果使用碳化物刀具，若車削速度低，則刀具壽命長。線鋸也可用來割金屬基復合材料，但一般速度較慢，只能切直線。（三）復合材料常規機械加工技術 1、復合材料常規機械加工概述 復合

287、材料的常規機械加工包括銑削、切削、磨削、鉆削等。131常規加工是復合材料機械加工技術中最重要的內容，國內外從事這方面研究的單位并不多，有許多工作有待進行。所有傳統的機械加工方法車、鉆、磨、銑等在加工時均有屑末產生。對復合材料來說，加工屑末更多，且有害人體健康，因此要加設吸塵裝置。用于切削的所有機械方法理論上均可看成是二維正交切削。因此金屬切削理論是以剪切過程為基礎建立的，切削時沿剪切面連續剪切材料，在刀具前產生金屬屑。另外還要假設被切金屬為理想彈性體，剪切發生在剪切面或切削邊緣剪切區內。復合材料機械加工方法的選用與待加工復合材料類型有關，即是熱塑性還是熱固性基體，是長纖維增強還是短纖維增強，是

288、無機纖維增強還是有機纖維增強。玻璃纖維增強層合板的機械加工技術較為成熟，標準金屬和木工機械加工設備稍加修改（如增加主軸轉速，減小走刀量）就可應用。不過標準切削刀具只適用于小批量生產?，F在玻璃纖維增強層合板機械加工最常用的刀具是碳化鎢（WC）刀具和金剛砂刀具。對這種材料機械加工必須注意下列要點：1）選擇合適切削刀具，刀尖材料硬度要大于工件硬度，能承受切削力沖擊，有高的耐熱性；2）控制加工工件升溫，避免工件過熱。這種材料導熱性差、吸濕性大，基本上不能用冷卻液降溫，一般都用壓縮空氣冷卻刀刃；3）工件支承好背部墊實，以避免分層；4）磨削刀具與磨削黃銅用的刀具類同就可 5）鉆孔要用專門鉆頭及特定鉆孔工藝

289、（鉆速慢、排屑槽光滑、薄鉆心）；6）鉆孔時輕微加壓；1327）進刀量，3045m/min（每分鐘表面切削米）；8）控制鉆孔方法（保證鉆頭鋒利）。因此，機械加工玻璃纖維復合材料的關鍵在于選擇合適的刀具材料，發揮刀具的切削能力，選擇合理的刀具角度和進刀量，同時還要控制切削條件，防粉塵和防過熱。熱塑性復合材料的機械加工技術眾所周知，但由于所用材料性能差異很大，因此機械加工技術也有很大不同，必須遵循的基本準則如下：1）加工時加冷卻劑，以避免過熱，過熱會使工件熔化；2）采用高速切削 3）切削刀具有足夠排屑槽 4）淺切削，慢進刀 5）車刀應磨成一定的傾角，以盡量減少刀具切削力和推力 6）熱塑性復合材料鉆孔

290、應用麻花鉆 7）應采用碳化鎢或金剛砂刀具，要不然就要用特殊的塑料用高速鋼刀具 8）工件必須適當支承（背部墊實），以避免切削壓力造成的分層 9）精密機械加工時，要考慮塑性記憶和加工車間的室溫 10）刀頭和刀具要鋒利，鈍刀具會增加工件上的切削力。2、復合材料常規機械加工技術 1）銑削、切割、車削、磨削 復合材料層合板采用一般工藝就能在標準機床上銑削。黃銅 133銑刀、高速鋼銑刀、碳化鎢銑刀和金鋼石銑刀均可使用。銑刀后角必須磨成 7一 120，銑削刃要鋒利。高速鋼銑刀的銑削速度建議采用 180 一 300m/min，進刀量采用 0.05 一 0.13mm/r，采用風冷。熱塑性復合材料可以用標準金屬加

291、工車床和銑床加工。高速鋼刀具只要保持鋒利，就能有效使用。當然采用碳化鎢或金剛石刀具效果更好，但它們價格昂貴。金屬基復合材料一般用常規切割、車削、銑削和磨削就可加工。加工時經常碰到的問題與刀具磨損有關。在增加增強材料的纖維體積含量和纖維尺寸時，刀具磨損更加突出。所以長纖維增強金屬基復合材料必須采用金剛石刀具，而短纖維或粒子增強復合材料用碳化鎢或高速鋼刀具就可以了。另外，增強材料強度越高，機械加工難度就越大。對大多數金屬基復合材料而言，獲得優良機加工產品的前提是刀具要鋒利、切削速度要適當、要供給充足冷卻液或潤滑劑和進刀速度要快。金剛石刀具的性能要比硬質合金刀具和金屬陶瓷刀具好，而且刀具速度也比較快

292、。不過假如用硬質合金刀具，則刀具壽命會因切削速度慢而增加。聚合物基復合材料用常規普通車床或臺式車床就可方便地進行車削、銼、和切割。目前加工刀具常用高速鋼、碳化鎢和金剛石刀頭。采用砂磨或磨削可加工公差小的聚合物基復合材料零部件。最常用的是粒度為 30 一 240 微米的砂帶和鼓式砂輪。大多數市售商用磨料均可使用，但最好采用合成樹脂粘接的碳化硅磨料。熱塑性聚合物基復合材料用常規機械打磨時，要加冷卻劑，以防磨料阻塞。砂磨有兩種機械可用，一種是濕法砂帶磨床，另一種是干法或濕法研磨盤。使用碳化硅或氧化鋁砂輪研磨時不要用流動冷卻劑，以防工件變軟。陶瓷基復合材料是一種新興的熱防護、耐熱結構構件。目前，134

293、國內外有關 C/SiC 復合材料研究主要集中在材料模具成型工藝、力學性能和具體應用，尤其是制備方法等方面，但有關與其二次加工的研宄較少。國內西安航天發動機廠的王平等人研究了 C/SiC 陶瓷基復合材料的車削加工工藝，得出了傳統高速鋼刀具、硬質合金刀具以及涂層刀具加工效果較差，且刀具磨損嚴重，不適合 C/SiC 復合材料的傳統機械加工。金剛石刀具由于具有高硬度、良好的耐磨性，可在較長加工距離上可保持切削刃的鋒利程度，是加工 C/SiC 復合材料刀具材料的最佳選擇。2）鉆孔 盡管精加工產品最后要經過除液體潤滑劑和空氣噴凈處理，但在復合材料上鉆孔或作仿形銑時，一般還是采用干法。大多數熱固性復合材料層

294、合板經鉆孔和仿形銑后會產生收縮，因此精加工時要考慮一定的余量，即鉆頭或仿形銑刀尺寸要略大于孔徑尺寸，并用碳化鎢或金剛石鉆頭或仿形銑刀。鉆孔時最好用墊板墊著，以免邊緣分層和外層撕裂。另外鉆頭必須保持鋒利，必須采取快速排除切屑的措施和使工件溫升最小的工藝。熱塑性復合材料鉆孔時，要防止加工區過熱和切屑的堆積，為此鉆頭應有特定螺旋角，有寬而光滑的排屑槽，鉆頭錐尖要用特殊材料制造。一般，鉆頭磨快后的螺旋角約為 10-15，后角為 9-20，鉆頭角為 60-120。采用的鉆速不僅與被鉆削材料有關，而且還與鉆孔大小和鉆孔深度有關。高速鋼鉆頭可以用，但硬質合金鉆頭更有效，它們能在較高速度下使用，而且加工出來的

295、孔，表面比較光滑。一般手電鉆轉速為 900r/min 時效果最佳，而固定式風鉆則在轉速為 2100r/min 和進刀量為 1.3mm/s時效果最佳。碳纖維復合材料的廣泛應用中，二次機械加工越來越多。隨著航空、航天及軍事裝備技術的快速發展，對復合材料構件的要 135求日益嚴格，復合材料構件的加工精度和表面質量等因素己成為影響其使用性能、可靠性和使用壽命等的重要因素。由于碳纖維復合材料的力學性能呈各向異性，層間強度低，且碳纖維的硬度高（HRC=5365）、強度大、導熱性差，為機械加工方面帶來了極大的困難；屬于典型的難加工材料。碳纖維復合材料構件的二次機械加工存在的問題和技術難點主要表現在以下幾個方

296、面:材料難加工，質量不易保證。由于碳纖維復合材料為多層不同鋪設方向的碳纖維絲（布）組合而成，表現出明顯的各向異性和層間強度低等不利于加工的因素。用傳統的工藝加工時，碳纖維復合材料在切削力的作用下極易產生分層、撕裂等缺陷，鉆孔時尤為嚴重，甚至使零件報廢，嚴重影響產品的成品率。例如，如圖 2-37 所示，鉆孔時工人需利用工裝樣板或手工畫線確定各個孔的位置，還需在孔出口處采取頂緊的措施，以防止孔邊緣碳纖維撕裂、分層。雖然這種方法可以有效地防止孔入口、出口側缺陷，但加工效率低、應用范圍受到限制。有些產品受到結構限制，無法在孔出口處實施頂緊，孔的加工質量就無法保證。136圖2-37 碳纖維復合材料手工加

297、工孔照片 加工手段落后，生產效率極其低下。目前國內眾多軍工企業和承擔型號研制的科研院所仍然采用落后的手電（風）鉆作業方式。為防止昂貴的碳纖維復合材料構件在后續的二次機械加工孔作業中出現廢品，國內相關制造企業不得己而為之的做法是:即使對于一個 H9 普通精度的小 5mm 孔，也需要通過“鉆底孔一（劃孔）一擴孔一粗鉸一精鉸”多達五道工序的/細分工步 0 工藝，可見其生產效率之低下。刀具磨損嚴重，生產成本居高不下。由于碳纖維材料硬度高、導熱性差等特點使得刀具磨損過快是生產中導致加工缺陷產生和加工成本提高的一個大問題。切削區的溫度高且集中于刀具切削刃附近很窄的區域內，故刀具后刀面磨損嚴重，耐用度低，不

298、僅影響產品的形狀、尺寸精度及加工表面質量，而且生產成本居高不下 作業環境粉塵污染，損害設備。碳纖維復合材料手工作業產生的粉塵不僅對工人的健康極為有害，由于碳纖維具有導電性，容易引起周圍電控系統或電網短路和污染環境。針對以上的問題提出的鉆孔技術：“以磨代鉆”高效率加工孔的工具與技術?！耙阅ゴ@”刀具切削原理和普通的鉆頭不同，“以磨代鉆”刀具鉆孔的實質為加工過程中每一個磨粒的運動軌跡是螺旋線。如圖 2-38 所示，刀具端面上的磨粒為主切削部分，這些磨粒大多數是負前角，一個具有很大負前角的切削刃以很高的速度切入復合材料表面，磨粒切削刃和纖維之間產生摩擦、擠壓作用，并且克服碳纖維和基體的彈性變形的阻力

299、而形成切屑，刀具磨粒群分布在刀具圓環形端面，鉆孔過程中，鉆孔中心形成柱狀切屑，當鉆出材料后，柱狀切屑脫落完成孔的加工。137 圖2-38“以磨代鉆”刀具鉆孔示意圖 3）鋸 切 玻璃纖維增強熱固性基體層壓板采用手鋸或圓鋸切割。這時要 注意克服材料的低熱導性和因振動造成的分層。由于材料的磨蝕，要保持鋸條的鋒利是非常難的。熱塑性復合材料鋸切時要解決的主要問題是如何排除產生的熱量。采用帶鋸和圓鋸等常用工具時要加冷卻劑。石墨/環氧復合材料最好用鑲有硬質合金的刀具切割，切割速度在10.220m/s 之間。鋸切時控制鋸的力度對保證表面質量至關重要。雖然鋸切溫度也是一種要控制的因素，但一般影響不大，因鋸切時碰

300、到的最高溫度一般不會超過環氧樹脂的軟化溫度（182）。金屬基復合材料可用鑲有金剛石的線鋸鋸切，不過其切割速度較慢，而且只能作直線鋸切。采用金鉗石砂輪對陶瓷基復合材料進行常規鋸切時，選擇了兩種速度一種是 250r/min，另一種是4000r/min。這種鋸切會使切割面的陶瓷基復合材料有相當大的損壞。不過切割速度較快時，損壞雖大，而斷面較為均勻。1384）其他常規機械加工方法 熱固性聚合物基復合材料層合板也可以使用其他特殊機械（自動螺紋切割機、切齒機、剃齒機、鉸孔機、沖床和沖孔機等）進行加工，加工工藝隨所用設備而定。熱塑性聚合物基復合材料層合板可以沖切、沖孔、剪切、熱割、鉸孔、滾光去毛刺、沙布磨削

301、和拋光。沖裁一般用鋼模和沖床就可完成。沖孔和剪切在標準金屬加工設備上進行，工件可以是熱的，也可以是冷的。不過這些方法常會發生缺口、破裂和潛在的分層現象，材料越脆，發生這些現象就愈嚴重。因此必須注意工作溫度，必要時可適當對材料加熱。熱切割技術采用了熱導線或火焰，以便熔化切割線上的工件材料。熱切割進刀速度可以調整，以便與材料熔化速度相匹配。拋光時要小心，要保證工件不會過熱。（四）復合材料特種機械加工技術 機加工部件質量差和刀具磨損大是大多數常規機械加工方法的通病，因此有必要開發刀具幾乎不與工件接觸或根本不接觸的切割方法。非接觸式刀具切割法的優點在于刀具磨損小和容易監控，因而有利于自動化操作，由于刀

302、具機械運動造成的工件切割面損傷可以忽略不計。值得一提的是，這些方法不會像常規機械加工方法（銑、車等）那樣造成工件的形狀變化。有些非常規機械加工方法很適宜作復合材料的二次加工（鉆孔，開槽等）。下面將分節介紹用于復合材料的一些非常規機械加工方法超聲波加工技術、高壓水射流加工技術、纖維鋪放技術、大型復合材料成型工藝方法、激光束加工、電火花加工、電化學加工、真空釬焊技術。1391、復合材料超聲波加工技術 1）超聲波加工技術概述 超聲波加工簡稱超聲加工是一種新興的加工方法，超聲加工 具有許多優點既能加工導電材料，亦能加工絕緣材料材料硬度對 加工工藝影響不大可以加工復雜的三維型面，且加工速度與加 工簡單型

303、面一樣快時，加工區域不存在熱效應區加工表面的化學性 質和電性質不會發生變化。超聲加工技術一般用于玻璃、陶瓷及 其復合材料的鉆孔、銑槽和加工一些不規則型面的器件。超聲加工在航空航天領域已應用于陶瓷復合材料渦輪葉片的冷卻孔及金屬基復合材料渦輪葉片的加工。2）復合材料超聲波加工應用舉例 超聲輔助車削加工技術 碳/碳復合材料由脆性的碳纖維和韌性的碳基體組成，碳纖維具有很高的比強度，其強度是碳基體的若干倍，所以切削過程是碳基體破壞、碳纖維斷裂相互交織的復雜過程。在此過程中，碳纖維類似于砂輪中的磨料，對刀具進行研磨，使刀具磨損加快，切削條件惡化，同時由于碳/碳復合材料導熱性差，碳纖維斷裂和基體剪切，切屑與

304、刀具的前刀面、后刀面以及己被加工的表面之間的摩擦所產生的大量切削熱難以在加工中隨切屑排除，大部分傳給了刀具本身，使切削區域的溫度迅速上升，加速刀具的磨損。所以碳/碳復合材料加工時刀具基本難以完成切削的全過程，加工效率低下，加工精度很難達到要求。所以，選用耐熱性能優良的刀具材料具有非常重要的現實意義，在此基礎上選用合理的刀具結構及幾何參數可以在不改變其他工藝參數情況下大大提高刀具的使用壽命，從而實現提高加工效率和精度的目地。超聲輔助切削加工是在傳統切削加工中工具與工件相對運 140動的基礎上，在切削工具或工件上施加超聲振動，以獲得更好加工性能的加工方法。超聲輔助切削加工過程中，通過工具對被加工材

305、料的機械和超聲復合作用，使得工具與被加工材料的接觸狀態和作用機制發生變化，主要通過機械切削作用、高頻微撞擊作用以及超聲空化作用等進行材料去除。由于超聲振動的引入，改變了材料去除機理，降低了工具與工件之間的摩擦力，減少了工具與工件的接觸時間，增強了工具對工件的切削去除作用，從而有效地提高了材料去除率，減小切削力，降低切削熱，減少刀具磨損，改善加工精度和質量。圖2-39 超聲輔助車削系統 超聲輔助車削設備一般包括超聲波發生器、超聲振動系統（包括換能器、變幅桿和刀具）、機床本體、冷卻系統四部分。根據實踐經驗，碳/碳復合材料在傳統車削加工中車刀在特定角度下能獲得較好加工質量。具體為:前、后角均為 7，

306、主偏角為107.5，副偏角為 37.5，刀尖半徑為 0.4mm。具體超聲輔助車削系統如圖 2-39 所示，其中圖 a 為超聲輔助車削系統示意，141圖 b 為系統加工實物圖。對比相同加工條件下獲得的各種典型的表面質量，結果表明:各加工參數下，超聲輔助車削相比普通車削在四種典型面上的粗糙度值均下降 10%一 30%左右。碳/碳復合材料的車削加工中，超聲輔助車削具有非常明顯的優勢。旋轉超聲振動切削加工技術 近年來，SiC 顆粒增強鋁基復合材料引起了廣泛的關注，SiC 顆粒與鋁合金的復合使顆粒增強鋁基復合材料展現出優異的性能，如低密度、高的比強度和比剛度、高彈性模量、耐磨性能好、高熱導率和低熱膨脹系

307、數，在航空航天領域得到廣泛關注。SiCp/Al 復合材料以顆粒狀 SiC 為增強相，以鋁及其合金為基體材料，其中的 SiC 顆粒增強體的硬度很高，高于常用的刀具硬度，加工時刀具后刀面磨損嚴重，切削力和摩擦力大，加工工藝性差。旋轉超聲振動切削加工技術是在傳統超聲加工技術基礎上發展起來的一種新型加工方法，該方法不同于傳統超聲加工技術，采用拷貝式加工法即利用形狀拷貝原理，通過懸浮磨料對工件的沖擊、拋磨及由此產生的空化作用來去除材料，將工具的形狀復制在工件上。旋轉超聲振動切削加工技術采用燒結或電鍍金剛石刀具，磨粒固著在刀具表面，加工過程中不再使用懸浮磨粒，刀具既作超聲振動，同時又繞軸線高速旋轉（加工示

308、意見圖 2-40）。142 圖2-40 旋轉超聲振動切削加工示意圖 在加工過程中，刀具中的金剛石磨粒不斷地沖擊和劃擦工件表面，把工件材料粉碎成很小的微粒，用切削液來帶走被加工材料微粒。超聲振動復合切削加工技術具備加工效率及加工精度高、適應性強（不受加工特征形狀限制）等特點，能夠解決復雜型腔加工難題。超聲切割技術 超聲切割技術是近 2 0 年興起的一項工藝技術，目的在于更有效、更精確地加工在 航空制造領域得到越來越廣泛應用的復合材料，如玻璃纖維、碳纖維、凱夫拉纖維、各種蜂窩材料、預浸纖維材料和各種泡沫材料等。不同于傳統的高速銑鉆工藝，超聲切割技術的核心是超聲切割頭，其基本原理是利用一個電子超聲發

309、生器，先產生頻率在 2 03 0 k H Z 范 圍內的超聲波，然后通過置于超聲切 割頭內的超聲一機械 轉換器，將原本振幅和能量都很小的超聲振動轉換成同頻率的機械 振動，再通過共振放大得到足夠大的、可以滿足切割工件要求的振幅和能量（功率），最后 將這部分能量傳導至超聲切割頭頂端的刀具上，對上述復合材料進行切割加工。1432、復合材料高壓水射流加工技術 1）高壓水射流加工技術概述 在高壓水射流（或統稱水射流 Waterjet）加工中，由于水射 流與工件之間的能量傳遞效率較低，故只能用于切割較軟較薄 的復合材料，而且切口坡形度較大，通常用來粗加工。2）復合材料高壓水射流加工應用舉例 磨料水射流加工

310、 碳纖維復合材料作為商用飛機的結構材料，其應用得到了引人矚目的增長。這種材料在波音 787 飛機的用量占飛機結構重量的 50%，在空客 350XWB 飛機中的用量占飛機結構重量的 52%。由于技術、環境和成本的原因，磨料水射流（AWJ）已成為碳纖維復合材料修邊和切割的一項重要的技術。AWJ 的切割速度比傳統的刨削快，同時采用 AWJ 切割可獲得良好的表面光潔度和高的整體性。近年來，AWJ 在硬件、軟件、工藝可靠性、機動性和生產率等方面取得了重要進展，已成為飛機制造商及其子公司承包商的主要工具。采用常用固態工具加工碳纖維復合材料時，經常會遇到基體開裂、纖維拔出、層間空洞、分層以及樹脂熔融等問題，

311、容易產生邊緣磨損或邊緣分層現象，進而需要昂貴的重修正，降低了生產效率。而且由于復合材料的耐磨本質，當刨削或鉆孔時需要頻繁更換工具。從環保的角度上看，固態工具會生成灰塵和碳粉末，這些灰塵和碳粉末對電氣系統和人體會產生致命的影響。復合材料在飛機主體結構上應用的快速增長，迫切需要一種能降低制造和工具成本并減少缺陷技術。對于復合材料結構的二維、三維切割和加工來說，AWJ 技術相對傳統加工方法有一些獨特的優勢，具體包括：144（1）采用有限的射流力和微加工動作而不會產生變形；（2）無熱影響區；（3）比刨削更高的切割速度；（4）無分層；（5）無后續處理；（6）無邊緣磨損或開裂；（7）工藝自動化和并行化可能

312、；（8）無灰塵 磨料水射流工藝 用于飛機結構的最常用的水射流工藝包括修邊、外形切割和鉆孔。修邊是典型在邊緣操作的工藝，而外形切割則是在內表面操作以生成諸如檢查孔或窗口之類的開口。（1）修邊和外形切割。應用水射流和磨料水射流在復合材料零件修邊方面有過重要的進展。由于復合材料制造工藝中零件一般存在余量，因此切邊十分必要。對于廣泛厚度范圍（2 100mm）的碳纖維環氧復合材料的加工來說，寬裕的加工參數區域被證明是可行的。在相對較高生產率水平條件下，可獲得優于 10m（波音公司的典型數據）的切割表面。例如，500mm/min 的 切 割 速 度 在 采 用 0.15mmAWJ 和 380MPa 條件下

313、可用來修邊 10mm 厚的碳纖維復合材料。一些邊緣可能采用斜角修邊，當圍繞曲線和復雜型面切割時，射流切割的有效深度是變化的。因此，水射流運動學參數（如速度和角度）需仔細編程以保證統一的邊緣質量。復合材料工字梁（長桁）的修邊需要特殊的工具（如機械手和切割頭）。圖 2-41（a）為一個長桁橫截面，上緣條采用 AWJ 成 90 145修邊，下緣條為修邊前的邊緣條件。圖 2-41（b）為波音 787 飛機長桁的修邊實例。上下緣條修形和修邊以滿足端部和中肋靠齊或接近的條件，而且下緣條需要成 45斜角。圖2-41 復合材料修邊和外形切割 在加強肋中間鉆有一些檢查孔。長桁尤其是機翼長桁相對較長，在 40m

314、以上，因此在切割時需要特殊的設備處理。外形切割需要一個穿透的初始孔。一些系統采用機械鉆孔設備預生成初始孔，但現在大部分采用 AWJ 鉆孔這已成為外形切割工藝的一部分。在這個過程中，采用真空輔助噴嘴可降低復合材料分層的風險。一種最小尺寸的 AWJ 噴嘴被用于下緣條附近區域的切割。不同平面修邊的三維本質使其修邊和外形切割非常復雜。其中夾持工裝的設計是關鍵所在。大部分修邊的應用都是處理比較?。ǖ陀?20mm）的截面，但在機翼機身連接附近位置存在厚截面（達到 76mm）的切割應用。復合材料厚截面的切割在采用較少的工裝和重型設備的條件下，AWJ 比傳統機械工具要快一個量級。復合材料長桁（工字梁）的端部修

315、邊是另外一個需要精細五軸操作方案以防外射流損傷長桁另一邊的應用。采用 25mm/min 的加工速率切割 76mm 的厚截面，可獲得滿意的 10.16m 的表面粗糙度。在復合材料的切割中，最有難度的是復合材料蜂窩結構的切割，因為這一類材料切割路徑不連續，所以其切割會帶來 146額外的挑戰。切割后蜂窩底會存在一系列的沖孔，以一定導程角切割能有效減少這種現象。（2）鉆孔（穿透）。采用噴射鉆孔碳環氧復合材料時，分層是主要的失效形式。真空輔助和合適的參數選擇可解決這個問 題，在 碳 纖 維復合材料中完成數以千計的鉆孔且沒有任何不利影響。采用合適的工藝時間規程，鉆孔可迅速完成。盡管噴射沒有激光的速度快，但

316、是噴射的鉆孔具備高整體性和良好的表面粗糙度。AWJ 工藝已被成功應用于復合材料的快速鉆孔。鉆孔尺寸是通過選擇工藝參數和駐留時間來控制的。駐留時間越長，出口位置的空洞尺寸越大，精確控制駐留時間可以控制空洞尺寸在容差范圍內?？赏ㄟ^減少孔洞中的水流速率和增加磨料的流動速率來提高鉆孔時間。（3）新興應用 由于復合材料鋪層及其磨損特性的多方向性，采用傳統車削和磨削技術，復合材料會產生嚴重的問題。因此，一般不用車削技術生產有機復合材料零件。目前，AWJ 技術已具備車削有機復合材料的能力，并已加工出多種幾何形狀的復合材料。（2）高壓水切割技術 高壓水切割是用高壓水射流進行加工，把高速液體（水或水與添加劑混合

317、物）所具有的能量用來作為加工能量的一種噴射加工新技術，所用噴嘴直徑約 0.2mm、系統工作壓力接近 400MPa、噴射速度約 800m/s，對復合材料層板進行細縫切割。高壓水切割由于不使用刀具，無刀具磨損問題，無纖維粉塵，切口質量好，無毛刺、切割速度快、效率高，且可切割多種材料是一種很有使用價值的切割加工工藝新技術。1473、復合材料纖維鋪放技術 復合材料纖維鋪放成型技術（Fiber placement，FP）是自動鋪絲束成型技術（Automated tow placement，ATP）和自動窄帶鋪放成型技術（Automanted tap placement，ATP）的統稱，是在已有纏繞和自動

318、鋪放基礎上發展起來的一種全自動制造技術。如圖 2-42 所示，類似于多自由度纏繞技術，纖維鋪放成型設備由旋轉芯和多自由度的鋪放頭（機器手）系統構成，由計算機協調系統、控制成型過程。按結構所確定的鋪層方向和鋪層厚度，用多自由度的鋪放頭，將多組纖維預浸紗束/窄帶自動鋪放在旋轉的芯的表面，鋪放過程中同時加熱軟化預浸紗束/帶，壓實形成制品型面。對于熱固性復合材料體系，既可以成型后采用傳統方法放入熱壓罐熱固化，也可以與電子束固化技術結合邊鋪放邊固化從而取消熱壓罐；對熱塑性復合材料體系，一般在鋪放過程中直接加熱固結定型。后兩種固化方式均屬于原位固結（Insitu consoidate），也稱為直接固結（D

319、irectional consolidate，DC），對低成本制造技術有極大的吸引力。圖2-42 纖維鋪放原理 纖維鋪放成形兼備了纖維纏繞和自動鋪帶工藝的優點，但比纖維纏繞和自動鋪帶工藝更先進，對制品的適應性更強。目前纏繞成型多限于凸曲面回轉體成型，如固體火箭發動機、容器等。1484、大型復合材料成型工藝方法及主要裝備 1）手工鋪層 目前，手工鋪層仍是被廣泛使用的傳統成型方法，甚至像 B-2 轟炸機以及一些通用飛機的制造也采用了大量的手工鋪層工序。因為這些產品的定貨量往往是一位數，而質量要求很高。手工鋪貼方法的優點是可使蒙皮厚度有大的變化，進行局部加強，嵌入接頭用的金屬加強片，形成加強筋和蜂窩

320、夾芯區等。目前，手工鋪層使用了許多專用設備來控制和保證鋪層的質量，如復合材料預浸料自動剪裁下料系統和鋪層激光定位系統等，即采用專門的數控切割設備來進行預浸料和輔助材料的平面切割，從而將依賴于樣板的制造過程轉變為可根據復合材料設計軟件產生的數據文件進行全面運作的制造過程。手工鋪層的缺點是要求鋪層人員有很高的技藝和施工經驗，手工鋪貼費工費時，因此效率低、成本高（占總成本的 1/4），難以適應大批量生產和大型復雜復合材料制件的生產要求。2）先進拉擠成型技術 自動化制造是提高復合材料產量和產品質量、降低成本以及改善工藝環境、實現綠色制造的關鍵。其中以預浸料自動成型技術，包括自動鋪帶技術（ATL）、自動

321、纖維鋪放技術（AFP）和先進拉擠（ADP）等為核心的自動化制造技術成為發展的重要方向之一。目前，發達國家在航空航天復合材料制造業廣泛采用自動化技術，采用預浸料和數字化設計與自動化制造高效高速低成本。ADP 成形技術綜合了手工預浸料鋪疊力學性能優勢和拉擠成形自動化的優勢，根據最終型材外形和性能要求，選擇預浸料的合適寬度、預浸料的層數和鋪層方向。由于原材料采用的是預浸料，可以根據構件的設計要求，實現任何鋪層（包括單向和45 149織物預浸料）的組合。ADP 技術與傳統的連續拉、擠技術不同，為間歇式，通常要經過幾個不同的處理裝置（圖 2-43）。圖2-43 預浸料拉擠成型技術原理 ADP 成形復合材

322、料構件的突出優點是纖維取向性好、纖維體積含量高（可達到 65%）和構件制造成本低，尤其是采用航空認證的預浸料體系時，構件成形的質量成本大大降低。ADP 成形構件的孔隙率1%（與傳統拉、擠成形的孔隙率 3%相比較，全尺寸構件可以通過自動超聲檢測），ADP 成形構件可用于航空主承力構件，這也是 ADP 成形的重要優點。3）自動鋪帶（ATL）自動鋪帶技術采用有隔離襯紙的單向預浸帶，其裁剪、定位、鋪疊、輥壓均采用數控技術自動完成，由自動鋪帶機實現。多軸龍門式機械臂完成鋪帶位置的自動控制，鋪帶頭上裝有預浸帶輸送和切割系統，根據待鋪放工件邊界輪廓自動完成預浸帶的鋪放和特定形狀位置的切割。預浸帶在加熱狀態時

323、，在壓輥的壓力作用下鋪疊到模具表面。自動鋪帶機根據鋪放制件的幾何特征可分為平面鋪帶和曲面鋪帶兩類。隨著自動鋪帶設備、編程、計算機軟件、鋪帶技術以及材料的進一步發展，自動鋪帶的效率變得更高，性能更可靠，操作性更友好。與手工相比，先進的鋪帶技術可降低制造成本的 30%50，可成型超大尺寸和形狀復雜的復合材料制件，而且質量穩定，縮短了鋪層及裝配時間，工件近凈成型，切削加工及原材料耗費減少。目前，最先進的第五代鋪帶機是帶有雙超聲 150切割刀和縫隙光學探測器的十軸鋪帶機，鋪帶寬度最大可達到 300mm，生產效率可達到手工鋪疊的數十倍。自動鋪帶機要成型復雜雙曲率型面，需采用窄帶，工作效率會降低，而一臺鋪

324、帶機的價格需要 3 5 百萬美元，成本太高。由此，Hercules 率先開發了自動絲束鋪放（ATP）設備。4）自動絲束鋪放技術（ATP）自動絲束鋪放技術結合了自動鋪帶和纖維纏繞技術的優點，鋪束頭把纏繞技術所用的不同預浸紗束獨立輸送和鋪帶技術所用的壓實、切割、重送功能結合在一起，由鋪束頭將數根預浸紗束在壓輥下集束成為一條寬度可變的預浸帶，然后鋪放在芯模表面，鋪放過程中加熱軟化預浸紗束并壓實定型。與自動鋪帶相比，自動鋪絲束技術可以成型更復雜的結構件，材料消耗率低，是自動化制造技術的頂峰，ATP 設備對復合材料的重要性相當于銑床對金屬材料結構的重要性。它是介于自動纏繞與自動鋪帶之間的一種鋪層方法，特

325、別適于復雜構件的制造。自動鋪放技術的基礎是鋪放機的設計與開發。自動鋪放技術包括自動鋪絲和自動鋪帶。共同特點是使用航空級預浸料，數字化、自動化制造。自動鋪絲技術主要用于機身等大曲率部件成型，自動鋪絲技術在 Premier I 的成功應用為大型飛機應用奠定了堅實的基礎，A380 飛機開始在尾段采用自動鋪絲技術，而 B787 全部機身采用自動鋪絲技術整體制造；分別由不同承包商分段制造、在西雅圖 Boeing 工廠組裝（圖 2-44）。自動鋪帶技術主要用于機翼壁板等小曲率部件成型。自動鋪帶技術的另一種應用是制造翼梁，先整體鋪放平板，然后采用熱成型工藝形成翼梁后再固化。生產效率提高 33 倍。自動鋪放技

326、術的發展趨勢是采用多頭專機快速成型，實現高效率。151 圖2-44 機身自動鋪絲技術 5）RTM 及其預制件技術 復合材料液體成型已是十分普及的工藝，它是以樹脂轉移成型（RTM）為主體，包括各種派生的 RTM 技術，大約有 25 30 種之多，其中，RTM、真空輔助 RTM（VARTM）、真空輔助樹脂注射成型（VARI）、樹脂膜熔浸成型（RFI）和樹脂浸漬成形（SCRIMP）被稱為 RTM 的 5 大主要成型工藝，也是目前應用最多的 RTM 工藝。RTM 的優點是成品的損傷容限高，可成型精度高、孔隙率小的復雜構件及大型整體件。RTM 成型的關鍵是，要有適當的增強預形件以及適當黏度的樹脂或樹脂膜

327、。RTM 要求樹脂在注射溫度下的黏度值低，第一代環氧樹脂的粘度要求在 500cps（0.5Pas）以下，以前對于較大尺寸的構件要求樹脂黏度低于 250cps（0.25Pas），RTM 工藝的主要設備是各種樹脂注射機和整體密閉型模具。RTM 適于形狀較為復雜的制件，并且可以根據載荷對纖維分布進行設計。纖維預制件的研究至關重要，研究低成本預制件技術已經成為關鍵技術（圖 2-45）。152 圖2-45 縫合工藝與RTM制作 6）熱壓罐固化成型。熱壓罐固化成形，目前仍采用航空航天復合材料結構件傳統的制造工藝，它有產品重復性好、纖維體積含量高、孔隙率低或無孔隙、力學性能可靠等優點。熱壓罐固化的缺點主要是

328、耗能高以及運行成本高等。而目前大型復合材料構件必需在大型或超大型熱壓罐內固化，以保證制件的內部質量，因此熱壓罐的三維尺寸也在不斷加大，以適應大尺寸復合材料制件的加工要求。目前，熱壓罐成形過程都采用先進的加熱控溫系統和計算機控制系統，能夠有效地保證在罐內工作區域的溫度分布均勻，保證復合材料制件的內部質量和批次穩定性，如準確的樹脂含量、低或無空隙率和無內部其他缺陷。這也是熱壓罐沿用至今的主要原因。7）預浸料工藝方法 在零件固化工序前預先將基體樹脂浸漬增強纖維，并將被樹脂浸漬的纖維鋪放于特殊載體之上，形成布/帶狀預浸料。然后將布/帶狀預浸料在模具上鋪疊，形成零件疊層，并將疊層固化成型。8）樹脂轉移工

329、藝方法 在零件固化工序中將基體樹脂轉移至增強纖維預成型體內部，使基體樹脂與增強纖維合為一體，進而固化成型。9）纖維絲束纏繞/鋪放工藝方法 153在零件固化工序前將被基體樹脂浸漬的增強纖維束纏繞或鋪放于零件的模具表面，形成零件疊層，并將疊層固化成型。5、復合材料激光加工技術 1）復合材料激光加工技術概述 近 20 多年來，激光加工已在制造業得到較大的發展。它可一次加工成形，適應性強，不存在刀具磨損問題。因此激光材料加工一般比常規加工成本低。以前激光主要用于加工金屬、陶瓷、塑料和木基材料，近幾年亦 成功地用來加工復合材料，主要是切削纖維增強樹脂基復合材料，鋼塑材料和纖維增強金屬基復合材料，也用來鉆

330、削復合陶瓷。用激光焊接金屬基復合材料亦進行了研究。激光切削的一個特點是切削效率與增強纖維的方向有密切關系。工件對激光束的熱響應決定于切削方向。這一效應在碳纖維復合 材料中表現得最明顯。在該材料中，成分之間的熱性能差異很大。用單向碳纖維板進行切削試驗表明，當切削方向與纖維垂直時，熱損失最大，切削速度最低。用激光加工樹脂基復合材料其切削表面出現的某些現象，如基體材料的熱分解或纖維脫出，在加工金屬或陶瓷材料時是不會出現 的，由于纖維的熱傳導作用，在纖維尤其是碳纖維增強的樹脂基復合材料切口上都有明顯的肉眼可見的熱影響區，并趨向于沿纖維排列方 向擴展，在切削芳綸環氧復合材料時，還會產生大量對人體有害的氰

331、化氫氣體。2）應用舉例：復合材料的激光切割技術 激光切割的基本原理是將聚集的具有極高功率密度的激光束，射到被加工材料的指定位置，按一定的速度和方位移動，被吸收的光使材料內部變熱，材料由于溫度的急劇升高而被切開。154激光切割所用激光器，應根據不同的加工材料來選擇，通常用得最多的是二氧化碳激光器、紅寶石激光器等。試驗結果表明，激光切割不僅具有切縫小，速度快，熱影響區域小，能夠最大限度節省原材料等優點，日還可以沿任意方向切割出各種復雜形狀。6、復合材料電火花加工（EDM）這是一種基于電火花侵蝕的電加工方法。在介電材料隔開的工件與電極之間加一電壓，當所加電壓足以擊穿介質時即產生電火花，電火花產生的局

332、部高溫可達 12000，這足以熔融、汽化材料，在工件表面形成一個小火口。該方法適宜于均勻導電性材料的切割加工。工件的機械性能對電火花切割速率影響不大，但工件熔點對切割速度影響頗大。電火花加工主要用于金屬基復合材料和其他具有良好導電性能的復合材料的切割。與其他大多數切割方法相比，這種方法不會產生微裂紋，因而可減少疲勞致損。用此法加工出的表面光潔度優于 0.25mm。電火花加工存在的一個主要問題是工具磨損太快，這無形中就增加了加工成本。陶瓷和陶瓷基復合材料由于性能獨特，現已成為工業上的兩種重要工程材料。但它們太脆、太硬，為此研究人員正在開發適宜于電火花加工的加有導電添加劑的陶瓷基復合材料，比如Si

333、3N4。這種材料的機加工性能與硬質合金鋼類似，用現有的電火花加工機械完全可對它進行加工。7、電化學加工（ECM）簡單的說，電化學加工是電鍍的逆轉。加工時，由電解質溶解工件上的電化學反應產物。電解質常用 NaCI 水溶液、NaNq溶液和其他能與特殊工件起化學反應的流體。155金屬基復合材料用電化學加工時，工具和工件之間存在著一個電場，工具作陰極，工件作陽極。陰極形狀由切口幾何形狀確定。電化學加工時，施加一定電場，陽極材料逐漸溶解轉移到陰極上，溶解形狀取決于特形陰極。離子型電解質在陰極與陽極工件間隙中流動，以便帶走沒有溶解的纖維碎片。用這種方法切削長纖維較為困難，當然與機械磨削相結合，用化學切削也無償不可。但在常規電化學加工中，電極和工件是不接觸的，因而幾乎不會對工件造成損傷。對大多數電化學加工來說，電流密度一般在 1.57.8A/m 耐之間，電壓一般在 525V 之間。這種方法適于大多數具有