葉片作為實現(xiàn)航空發(fā)動機性能的關鍵零部件，具有薄壁異形結構復雜、材料難加工、加工精度與表面質(zhì)量要求高等典型特點，如何實現(xiàn)葉片的精密高效加工是目前航空發(fā)動機制造領域的重大挑戰(zhàn)。通過對影響葉片加工精度關鍵因素的分析，全面總結了葉片精密加工工藝及裝備的研究現(xiàn)狀，并對航空發(fā)動機葉片加工技術的發(fā)展趨勢做了展望。
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序言
在航空航天產(chǎn)業(yè)中，輕質(zhì)高強的薄壁零件被廣泛地使用，是實現(xiàn)航空發(fā)動機等重要裝備性能的關鍵零部件[1]。例如，大涵道比航空發(fā)動機的鈦合金風扇葉片（見圖1）長度可達到1m，具有復雜的葉身型面和阻尼臺結構，而最薄部位的厚度僅有1.2mm，屬于典型的大尺寸薄壁異形零件[2]。葉片作為典型的薄壁異形弱剛性零件，在加工過程中容易出現(xiàn)加工變形和振顫問題[3]，這些問題嚴重影響葉片的加工精度和表面質(zhì)量。
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發(fā)動機的性能很大程度上取決于葉片的制造水平，發(fā)動機運行過程中葉片需要在高溫高壓等極端運行環(huán)境下穩(wěn)定工作，這要求葉片材料必須具備良好的強度、疲勞抗力以及耐高溫腐蝕能力，并保證組織穩(wěn)定性[2]。通常，航空發(fā)動機葉片會使用鈦合金或者高溫合金材料。但是，鈦合金與高溫合金的切削加工性差，切削過程中切削力大、刀具磨損快，隨著刀具磨損程度加劇，切削力會進一步增大，導致加工變形和振動更加嚴重，造成零件加工的尺寸精度低、表面質(zhì)量差。為滿足極端工況下發(fā)動機的服役性能要求，葉片的加工精度和表面質(zhì)量要求極高。以國產(chǎn)某型大涵道比渦扇發(fā)動機使用的鈦合金風扇葉片為例，葉片總長度達到681mm，而厚度則＜6mm，型面輪廓度要求－0.12～+0.03mm，進排氣邊尺寸精度要求－0.05～+0.06mm，葉身截面扭轉(zhuǎn)誤差±10′以內(nèi)，表面粗糙度值R a優(yōu)于0.4μm。這通常需要在五軸數(shù)控機床上進行精密加工。然而，由于葉片自身剛性弱、結構復雜而且材料難加工，為了保證加工的精度與質(zhì)量，工藝人員不得不在加工過程中對切削參數(shù)進行多次調(diào)整，這嚴重限制了數(shù)控加工中心的性能發(fā)揮，造成了巨大的效率浪費[4]。因此，在數(shù)控加工技術快速發(fā)展的今天，如何實現(xiàn)薄壁零件加工變形控制和振動抑制，充分發(fā)揮數(shù)控加工中心的加工能力，已成為先進制造企業(yè)的迫切需求。
對薄壁弱剛性零件變形控制技術的研究從很早就引起了工程師和研究者的關注。在早期的生產(chǎn)實踐中，人們常用在薄壁結構兩側進行交替銑削的水線策略[5]，這在一定程度上可以簡便地減弱變形和振動對尺寸精度帶來的不良影響。此外，還有通過設置加強筋等預制犧牲結構的方式來提高加工剛度[6]。
本文將首先對葉片常用難加工材料的切削技術發(fā)展進行簡述；其次，全面總結國內(nèi)外航空發(fā)動機葉片精密加工工藝以及數(shù)控智能工藝裝備的相關研究成果；最后，對航空發(fā)動機葉片加工技術的發(fā)展趨勢做展望。
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難加工材料切削技術
為了滿足在高溫高壓環(huán)境下的穩(wěn)定服役要求，航空發(fā)動機葉片常用材料為鈦合金或高溫合金，近年來，鈦鋁金屬間化合物也成為一種極有應用潛力的葉片材料。鈦合金具有導熱性低、塑性低、彈性模量低以及親合力強等特點，使其切削過程中出現(xiàn)切削力大、切削溫度高、加工硬化嚴重和刀具磨損大等問題，是典型的難加工材料（微觀組織形貌見圖2a）[7]。高溫合金的主要特點是塑性及強度高，導熱性差，并且內(nèi)部含有大量致密的固溶體[8]。在切削過程中塑性變形使得晶格嚴重扭曲，變形抗力大，導致切削力大并伴隨嚴重的冷硬現(xiàn)象，也是典型的難加工材料（微觀組織形貌見圖2b）。因此，研發(fā)鈦合金與高溫合金等難加工材料的高效精密切削技術至關重要。為了實現(xiàn)難加工材料的高效精密加工，國內(nèi)外學者從創(chuàng)新切削加工方法、優(yōu)選加工刀具材料以及優(yōu)化切削參數(shù)等方向進行深入研究。
2.1 切削加工方法創(chuàng)新
在切削加工方法的創(chuàng)新研發(fā)方面，學者們通過引入激光加熱、低溫冷卻等輔助手段，改善材料的可加工性，實現(xiàn)高效切削加工。激光加熱輔助加工[9]（見圖3a）的工作原理是將高功率激光束聚焦到切削刃前的工件表面，通過光束局部加熱的方式軟化材料，降低材料的屈服強度，從而降低切削力和減小刀具磨損，提升切削加工的質(zhì)量和效率。
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低溫冷卻輔助加工[10]（見圖3b）則是使用液氮、高壓二氧化碳氣體等冷卻介質(zhì)噴涂到切削部位，對切削加工過程進行冷卻，避免因為材料導熱性能差引起的局部切削溫度過高問題，還使得工件局部冷脆，增強斷屑效果。英國的Nuclear AMRC公司成功使用高壓二氧化碳氣體對鈦合金的加工過程進行冷卻，與干切削狀態(tài)對比分析表明，低溫冷卻輔助加工不僅能夠降低切削力，提高切削加工表面的質(zhì)量，還能有效減小刀具磨損，增長刀具的使用壽命。此外，超聲振動輔助加工[11，12]（見圖3c）也是難加工材料高效切削加工的有效方法。通過在刀具上施加高頻、微小幅度的振動，實現(xiàn)加工過程中刀具與工件之間發(fā)生間斷性分離，改變了材料去除機理，增強了動態(tài)切削的穩(wěn)定性，有效避免刀具與已加工表面間的摩擦，降低切削溫度和切削力，降低表面粗糙度值，減小刀具磨損，其優(yōu)良的工藝效果已經(jīng)得到廣泛的關注。
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2.2 刀具材料的選用
對于鈦合金等難加工材料，優(yōu)選刀具材料可以有效改善切削加工效果[8，13]。研究表明，對于鈦合金加工，根據(jù)加工速度可以選擇不同刀具進行加工，低速切削采用高鈷高速鋼加工，中速切削采用帶有三氧化二鋁涂層的硬質(zhì)合金刀具，高速切削采用立方氮化硼（CBN）刀具；對于高溫合金加工，應選用硬度高、耐磨性好的高釩高速鋼或YG硬質(zhì)合金刀具進行加工。
2.3 優(yōu)選切削參數(shù)
切削參數(shù)同樣是影響加工效果的重要因素，對應材料使用合適的切削參數(shù)加工能夠有效提高加工質(zhì)量與效率。以切削速度參數(shù)為例，切削速度低容易在材料表面形成積屑瘤區(qū)，降低表面加工精度；切削速度高容易發(fā)生熱量積聚，引起工件和刀具的燒傷。對此，哈爾濱理工大學翟元盛教授團隊分析常用難加工材料的機械物理性質(zhì)，通過正交加工試驗總結出難加工材料切削速度推薦表[14]（見表1），使用表中推薦的刀具和切削速度進行加工能夠有效減小加工缺陷與刀具磨損，提高加工質(zhì)量。
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葉片復雜曲面的精密數(shù)控加工工藝
近年來，隨著航空產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，市場需求攀升，使得薄壁葉片的高效精密加工要求日益提高，對更高精度的變形控制技術的需求更加迫切。在智能制造技術背景下，結合現(xiàn)代電子信息技術來實現(xiàn)航空發(fā)動機葉片加工變形和振動的智能控制，是許多研究人員的關注熱點。將智能數(shù)控系統(tǒng)引入葉片復雜曲面的精密加工工藝，基于智能數(shù)控系統(tǒng)對加工過程的誤差進行主動補償，可有效抑制變形與振動。
對于加工過程中的主動誤差補償，為了實現(xiàn)刀具路徑等加工參數(shù)的優(yōu)化調(diào)控，需要首先得到工藝參數(shù)對加工變形和振動的影響關系。常用的手段有兩種：一是通過在機測量及誤差分析對每次走刀的結果進行分析和推理[15]；二是通過動力學分析[16]、有限元建模[17]、試驗[18]和神經(jīng)網(wǎng)絡[19]等方法建立加工變形和振動的預測模型（見圖4）。
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基于上述的預測模型或在機測量技術，人們能夠?qū)庸?shù)進行優(yōu)化甚至是實時調(diào)控。主流的方向是通過刀具路徑的重新規(guī)劃來對變形和振動造成的誤差進行補償。這一方向常用的方法是“鏡像補償法”[20]（見圖5），該方法通過對名義刀具軌跡進行修正，補償單次切削的變形量。但是單次補償會產(chǎn)生新的加工變形，因此需要通過多次補償在切削力和加工變形之間建立迭代關系，逐次修正變形量。除了基于刀具路徑規(guī)劃進行主動誤差補償?shù)姆椒ㄖ猓S多學者也在研究通過優(yōu)化調(diào)控切削參數(shù)、刀具參數(shù)等方式來控制變形和振動。對于某型號航空發(fā)動機葉片的切削加工，改變加工參數(shù)進行多輪正交試驗，基于試驗數(shù)據(jù)分析各切削參數(shù)、刀具參數(shù)對葉片加工變形、振動響應的影響規(guī)律[21-23]，建立經(jīng)驗預測模型，從而優(yōu)選加工參數(shù)，有效減小
加工變形、抑制切削振顫。
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基于上述模型與方法，許多企業(yè)研發(fā)或改進了數(shù)控加工中心的數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)薄壁零件加工參數(shù)的實時自適應調(diào)控。以色列OMAT公司的優(yōu)銑系統(tǒng)[24]是這一領域的典型代表，主要是通過自適應技術調(diào)整進給速度，達到恒力銑削的目的，實現(xiàn)復雜產(chǎn)品高效率高質(zhì)量加工。此外，北京精雕通過在機測量自適應補償完成蛋殼表面圖案雕刻的經(jīng)典技術案例也應用了類似的技術[25]。美國G E公司的THERRIEN[26]提出了加工過程中數(shù)控加工代碼實時修正方法，為復雜薄壁葉片的自適應加工和實時調(diào)控提供了基礎技術手段。歐盟航空發(fā)動機渦輪部件自動化修復系統(tǒng)（AROSATEC）在葉片進行增材修復后實現(xiàn)自適應精密銑削加工，已應用于德國MTU公司及愛爾蘭SIFCO公司的葉片修復生產(chǎn)[27]。
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基于智能工藝裝備的加工剛度提升
使用智能化工藝裝備提高工藝系統(tǒng)剛度、改善阻尼特性，同樣是抑制薄壁葉片加工變形振動以及提高加工精度、改善表面質(zhì)量的有效方法。近幾年，在航空發(fā)動機各類葉片的加工工藝中，大量不同的工藝裝備得到應用[28]。由于航空發(fā)動機葉片普遍具有薄壁異形的結構特征，裝夾定位區(qū)域小，加工剛度低，在切削載荷作用下會出現(xiàn)局部變形，因此，葉片加工工藝裝備通常在滿足六點定位原理的基礎上對工件施加輔助支撐[29]，以優(yōu)化工藝系統(tǒng)剛性、抑制加工變形。薄壁異形曲面對工裝的定位與裝夾提出了兩點要求：一是工裝的夾緊力或接觸力應在曲面上盡可能均勻分布，以避免工件在夾緊力作用下出現(xiàn)嚴重局部變形；二是工裝的定位、夾緊和輔助支撐元件需要較好地配合工件的復雜曲面，以在每個接觸部位產(chǎn)生均勻的面接觸力。針對這兩點要求，學者提出了柔性工裝系統(tǒng)。柔性工裝系統(tǒng)可以分為相變?nèi)嵝怨ぱb和自適應柔性工裝。相變?nèi)嵝怨ぱb利用流體相變前后的剛度和阻尼變化：處于液態(tài)相或流動相的流體剛度和阻尼較低，可以在低壓作用下適應工件的復雜曲面，之后利用電/磁/熱等外界作用使流體轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)相或固結，剛度和阻尼大幅提高，從而為工件提供均勻柔順的支撐，起到抑制變形和振動的作用。
航空發(fā)動機葉片傳統(tǒng)加工工藝中的工藝裝備是使用低熔點合金等相變材料進行填充輔助支撐，即對工件毛坯進行六點定位夾持后，將工件的定位基準通過低熔點合金澆注成為一個澆注塊，對工件進行輔助支撐，并且把復雜的點定位轉(zhuǎn)換成規(guī)則的面定位，進而進行待加工部位的精密加工（見圖6）。這種工藝方法存在明顯的缺陷：定位基準轉(zhuǎn)換導致定位精度下降；生產(chǎn)準備復雜、低熔點合金的澆注和融化也帶來了工件表面的殘留和清理問題，同時澆注和融化的工況也比較惡劣[30]。為了解決上述工藝缺陷，常用的方法是引入一種多點支撐結構與相變材料相結合[31]，支撐結構上端與工件接觸進行定位，下端浸入低熔點合金腔室中，基于低熔點合金的相變特性實現(xiàn)柔性輔助支撐。雖然引入支撐結構能夠避免低熔點合金接觸葉片產(chǎn)生的表面缺陷，但是受到相變材料的性能限制，相變?nèi)嵝怨ぱb無法同時滿足高剛度和高響應速度兩大需求，難以應用于高效率自動化生產(chǎn)當中。
為了解決相變?nèi)嵝怨ぱb存在的弊端，眾多學者將自適應理念融入柔性工裝的研發(fā)設計中。自適應柔性工裝能夠通過機電系統(tǒng)來自適應匹配復雜葉身形狀和可能存在的形狀誤差。為保證接觸力在整個葉身均勻分布，工裝通常使用多點輔助支撐形成支撐矩陣。清華大學王輝團隊提出了一種適用于近凈成形葉片加工的多點柔性輔助支撐工藝裝備[32，33]（見圖7）。該工裝采用多個柔性材料夾緊元件對近凈成形葉片的葉身曲面進行輔助支撐，提高了每個接觸區(qū)域的接觸面積，保證夾緊力在每個接觸部位以及整個葉身上的均勻分布，從而提高工藝系統(tǒng)剛度，有效地防止葉片的局部變形。該工裝具有多個被動自由度，在避免過定位的同時能夠自適應匹配葉身形狀及其誤差。
除了通過柔性材料實現(xiàn)自適應支撐外，電磁感應原理也應用于自適應柔性工裝的研發(fā)。北京航空航天大學楊毅青團隊發(fā)明了一種基于電磁感應原理的輔助支撐裝置[34]。該工裝使用由電磁信號激勵的柔性輔助支撐，能夠改變工藝系統(tǒng)阻尼特性。在裝夾過程中，輔助支撐在永磁鐵作用下自適應匹配工件形狀。在加工過程中，工件產(chǎn)生的振動會傳遞到輔助支撐上，根據(jù)電磁感應原理激發(fā)反向電磁力，實現(xiàn)對薄壁工件加工振動的抑制。
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目前在工藝裝備設計過程中，普遍使用有限元分析、遺傳算法等手段來優(yōu)化多點輔助支撐的布局[35]，但是優(yōu)化的結果通常只能保證在一點上的加工變形量達到最小，而并不能保證在其他加工部位也能起到同等的抑制變形效果。在葉片加工過程中，通常在同一機床上對工件進行一系列的走刀加工，但加工不同部位的裝夾需求是不同的，甚至可能是時變的。對于靜態(tài)多點支撐方法，如果通過增加輔助支撐的數(shù)量來提高工藝系統(tǒng)剛度，一方面會增大工裝的質(zhì)量和體積，另一方面也壓縮了刀具的運動空間。而如果在加工不同部位時重新設置輔助支撐的位置，則必然會中斷加工過程，降低加工效率。因此，根據(jù)加工過程自動在線調(diào)節(jié)支撐布局和支撐力的隨動工藝裝備[36-38]被提出。隨動工藝裝備（見圖8）能夠在任一加工工序開始前，基于時變切削過程的刀具軌跡與工況轉(zhuǎn)變，通過刀具與工裝的協(xié)同配合實現(xiàn)動態(tài)支撐：先將輔助支撐移動到有助于抑制當前加工變形的位置，使工件的加工區(qū)域受到積極支撐，而工件其他部位在盡可能少的接觸下保持定位不變，從而匹配加工過程中時變的裝夾需求。
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為了進一步提升工藝裝備的自適應動態(tài)支撐能力，匹配加工過程中更復雜的裝夾需求，提高葉片加工生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，將隨動輔助支撐拓展為多個動態(tài)輔助支撐形成的群，要求各個動態(tài)輔助支撐協(xié)調(diào)行動，根據(jù)制造過程的時變要求，自動快速重構支撐群與工件的接觸，并且重構過程不干擾整個工件的定位、不引起局部位移或振動，基于這一概念的工藝裝備稱為自重構群夾具[39]，具有靈活性、可重構性和自主性的優(yōu)點。
自重構群夾具能夠根據(jù)制造過程的需求將多個輔助支撐分配到待支撐表面的不同位置，能夠適應較大面積的復雜形狀工件，在保證足夠剛度的同時消除冗余支撐。夾具的工作方法是控制器按照編定的程序發(fā)送指令，移動基座按照指令將支撐元件帶到目標位置，支撐元件自適應工件局部幾何形狀實現(xiàn)順應支撐。單個支撐元件與工件局部的接觸區(qū)域的動力學特性（剛度和阻尼）可通過改變支撐元件的參數(shù)進行控制（例如，對液壓支撐元件通?？筛淖冚斎氲囊簤毫亩淖兘佑|特性）。工藝系統(tǒng)的動力學特性由多個支撐元件與工件的接觸區(qū)域的動力學特性耦合而成，與每個支撐元件的參數(shù)、支撐元件群的布局有關。
對于自重構群夾具的多點支撐重構的方案設計需要考慮以下三個問題：適應工件的幾何形狀、支撐元件快速重新定位、多點支撐協(xié)調(diào)配合[40]。因此，自重構群夾具在使用時，需要以工件形狀、載荷特性及固有邊界條件為輸入，求解不同加工狀態(tài)下的多點支撐布局與支撐參數(shù)，規(guī)劃多點支撐移動路徑，將求解結果生成控制代碼，導入控制器。
目前，國內(nèi)外學者均在自重構群夾具方面進行了一些研究與嘗試。國外方面，歐盟項目SwarmItFIX開發(fā)了一種新的高度適應性自重構夾具系統(tǒng)[41]，該系統(tǒng)使用一組移動輔助支撐在工作臺上自由移動并實時重新定位，以更好地支撐加工零件。SwarmItFIX系統(tǒng)的原型已在該項目中實現(xiàn)（見圖9a），并在一家意大利飛機制造商的場地上進行了測試。國內(nèi)則是有清華大學王輝團隊制作了一種可與機床協(xié)同控制的四點裝夾支撐工作臺[42]（見圖9b），可以在渦輪葉片榫根的精加工過程中對處于懸臂狀態(tài)的榫根進行支撐以及自動刀具避讓。在加工過程中，四點輔助支撐與數(shù)控加工中心協(xié)同配合，根據(jù)刀具運動位置重構四點接觸狀態(tài)，既避免了刀具與輔助支撐相互干涉，又保證了支撐效果。
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未來發(fā)展趨勢討論
5.1 新型材料
隨著航空發(fā)動機推重比設計要求的不斷提高，零件數(shù)量逐漸減少，零件的應力水平越來越高，傳統(tǒng)的兩種主要高溫結構材料的使用性能已經(jīng)到了其極限水平。近幾年，航空發(fā)動機葉片新型材料發(fā)展迅速，越來越多性能優(yōu)良的材料被用來制作薄壁葉片，其中γ-TiAl合金[43]具備比強度高、耐高溫和抗氧化性好等優(yōu)良性能的同時，密度是3.9g/cm3，僅為高溫合金的一半，未來作為700～800℃承溫區(qū)間的葉片很有潛力。盡管γ-TiAl合金具有優(yōu)良的力學性能，但是其硬度大、熱導率低、斷裂韌度低以及脆性大等特征，導致γ-TiAl合金材料切削加工表面完整性差，精度低，嚴重影響零件的使用壽命，因此γ-TiAl合金的加工研究具有重要的理論意義與價值，是當前葉片加工技術的一個重要研究方向。
氧化性好等優(yōu)良性能的同時，密度是3.9g/cm3，僅為高溫合金的一半，未來作為700～800℃承溫區(qū)間的葉片很有潛力。盡管γ-TiAl合金具有優(yōu)良的力學性能，但是其硬度大、熱導率低、斷裂韌度低以及脆性大等特征，導致γ-TiAl合金材料切削加工表面完整性差，精度低，嚴重影響零件的使用壽命，因此γ-TiAl合金的加工研究具有重要的理論意義與價值，是當前葉片加工技術的一個重要研究方向。
5.2 時變自適應加工
航空發(fā)動機葉片曲面復雜并且形狀精度要求高，其精密加工目前主要采用基于路徑規(guī)劃、模型重構的幾何自適應加工方法，該方法能有效減小定位、裝夾等產(chǎn)生的誤差對葉片加工精度的影響。但是，由于模鍛葉片毛坯的余量厚度不均勻，導致刀具在按照規(guī)劃路徑進行切削加工的過程中，不同區(qū)域的切削深度不同，為切削加工帶來不確定因素，影響加工穩(wěn)定性。未來，在數(shù)控自適應加工過程中，應該更好地跟蹤實際加工的狀態(tài)變化[44]，從而顯著改進復雜曲面的加工精度，形成基于實時反饋數(shù)據(jù)調(diào)整切削參數(shù)的時變調(diào)控自適應加工方法。
5.3 智能化工藝裝備
葉片作為發(fā)動機中數(shù)量最大的一類零件，其制造效率直接影響發(fā)動機整體的制造效率，而葉片的制造品質(zhì)直接影響發(fā)動機的性能與壽命。因此，葉片智能化精密加工已成為當今世界發(fā)動機葉片制造的發(fā)展方向。機床與工藝裝備的研發(fā)是實現(xiàn)葉片加工智能化的關鍵。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，機床的智能化水平迅速提高，加工生產(chǎn)能力大幅增強。因此，智能工藝裝備的研發(fā)創(chuàng)新是薄壁葉片高效精密加工的重要發(fā)展方向。高度智能化的數(shù)控機床與工藝裝備結合，形成葉片智能化加工系統(tǒng)（見圖10），實現(xiàn)薄壁葉片的高精度、高效率和自適應數(shù)控加工。
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結束語
葉片是航空發(fā)動機制造領域長期的重大需求，是航空發(fā)動機制造的難點之一，也是一個國家先進制造技術發(fā)展水平的重要體現(xiàn)。為實現(xiàn)葉片的高效率高質(zhì)量加工，眾多學者在精密加工工藝創(chuàng)新和智能工藝裝備研發(fā)等方面開展研究，取得了突破性進展。未來，以時變調(diào)控為核心的自適應加工工藝與智能化數(shù)控工藝裝備是航空發(fā)動機葉片精密加工的重要研究方向。應圍繞國家航空發(fā)動機先進制造重大戰(zhàn)略需求，深入探究葉片加工工藝的基礎理論和關鍵技術，促進我國航空發(fā)動機葉片先進加工技術的跨越發(fā)展。
編輯：藝匠精密加工http://m.tqgs.com.cn/
原文來源：
王輝1，鄭洋2，吳動波2
1. 北京航空航天大學航空發(fā)動機研究院
2. 清華大學機械工程系
