航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的典型代表。它集制造業(yè)的設(shè)計(jì)、工藝、材料、加工、質(zhì)量控制等領(lǐng)域的高、精、尖技術(shù)為一體，具有承受載荷大、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、數(shù)量種類多、制造精度高、質(zhì)量要求嚴(yán)、加工難度大等特點(diǎn)。其中的重要零部件制造是集新材料切削技術(shù)、適應(yīng)新型結(jié)構(gòu)零件的新工藝、刀具制造技術(shù)、多軸數(shù)控編程及優(yōu)化處理技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、切削變形控制技術(shù)、型面精確檢測(cè)技術(shù)和無損探傷等前沿技術(shù)于一體的多方位、多種技術(shù)的交叉綜合研究與應(yīng)用。

　　復(fù)合加工技術(shù)主要解決2 個(gè)方面的問題：特殊結(jié)構(gòu)與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工、難加工材料及脆硬材料的加工。復(fù)合加工的主要特點(diǎn)是綜合應(yīng)用機(jī)械、光學(xué)、化學(xué)、電力、磁力流體和聲波等多種能量進(jìn)行綜合加工，在提高加工效率和生產(chǎn)效率的同時(shí)，兼顧加工精度、加工表面質(zhì)量及工具損耗等，具有常規(guī)單一加工技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造對(duì)復(fù)合加工技術(shù)的需求分析

　　目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝過程中應(yīng)用較為廣泛的復(fù)合加工技術(shù)有以下2種：（1）基于工序集中原則，以多種機(jī)械加工工藝為主的復(fù)合加工技術(shù)。例如：車削、銑削、磨削、鉆削、鏜削和絞削等工藝，其中的部分工藝可以一次性裝夾完成。（2）特種加工方法與切削、磨削組合，去除材料工藝方式的復(fù)合。例如：激光、電火花和超聲波等特種加工方法與切削、磨削的組合。

　　以機(jī)械加工工藝為主的復(fù)合加工，是指零件在機(jī)床上僅用一次裝夾便可完成多種機(jī)加工藝的加工。特別適用于零件進(jìn)入精加工階段后，在一個(gè)工位上完成精車、精銑、鉆、鏜、絞、攻絲多工序的連續(xù)加工。這種加工具有消除重復(fù)裝夾定位誤差、提高加工精度、縮短零件的生產(chǎn)周期、減少工裝數(shù)量、簡(jiǎn)化工藝流程等優(yōu)越性，這是單一功能機(jī)床加工無法實(shí)現(xiàn)的。對(duì)實(shí)現(xiàn)工序集中復(fù)合加工技術(shù)，應(yīng)用較多的有五軸車銑復(fù)合加工中心和五軸銑車復(fù)合加工中心2 種典型的機(jī)床。五軸車銑加工中心以車削功能為主，同時(shí)集成了銑削和鏜削等功能。機(jī)床有3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸X、Y、Z 和2個(gè)圓周旋轉(zhuǎn)軸A、B 或B、C，配有刀具自動(dòng)交換裝置和刀庫(kù)[2]。在車削中心基礎(chǔ)上增添用于回轉(zhuǎn)刀具的切削裝置發(fā)展而成，其功能相當(dāng)于1臺(tái)車削中心和1臺(tái)加工中心的復(fù)合，典型代表有奧地利WFL 臥式車銑復(fù)合加工中心。適合加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤、軸和中小結(jié)構(gòu)類零件，這類零件以車削為主導(dǎo)工藝、車削部位形位公差精度高，車削去除材料量大。

　　五軸銑車復(fù)合加工中心則以銑削功能為主，除了具備加工中心原有的五軸運(yùn)動(dòng)功能外，在加工中心的基礎(chǔ)之上又增加了使工件回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置。相當(dāng)于1臺(tái)加工中心和1臺(tái)車削中心的復(fù)合。適合加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件中的機(jī)匣、葉盤類零件。這類零件以銑削為主導(dǎo)工藝，銑削工藝去除材料量大于車削工藝，銑削工藝比車削工藝復(fù)雜程度高。零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得對(duì)機(jī)床的銑削功能要求較高。例如第五軸（A 或B）要有較寬的擺動(dòng)范圍；主軸可以立式、臥式轉(zhuǎn)換，不僅可以加工軸向端面孔，也可以加工與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線垂直的徑向孔或成一定角度的斜孔。較為典型的有德國(guó)DMG銑車復(fù)合加工中心。

　　復(fù)合加工技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部分零件中的應(yīng)用

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的整體化、結(jié)構(gòu)化、輕量化是大推比發(fā)動(dòng)機(jī)的重要設(shè)計(jì)特性之一。整體結(jié)構(gòu)件具有減重、減級(jí)、增效并提高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，符合航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件易維護(hù)、高可靠性和長(zhǎng)壽命的服役需求。例如將壓氣機(jī)盤和軸頸設(shè)計(jì)為一體的壓氣機(jī)盤，將轉(zhuǎn)子葉片和壓氣機(jī)盤設(shè)計(jì)為一體的整體葉盤等。整體結(jié)構(gòu)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，和原單體零件相比裝夾定位效果明顯削弱，使得零件剛性減弱，加工中容易產(chǎn)生振顫。因而加工中零件個(gè)別部位容易產(chǎn)生變形，幾何尺寸和表面質(zhì)量受到一定程度影響。單體葉片加工時(shí)可以?shī)A緊葉片的軸頸部位，同時(shí)用頂尖頂住葉冠，一個(gè)方向夾緊，一個(gè)方向支撐。整體葉盤銑削葉片時(shí)只能以?shī)A緊輪轂的前后緣板，葉冠無支撐，葉片在懸臂狀態(tài)下加工，工藝性明顯劣于單體葉片。因此整體結(jié)構(gòu)零件基本上融合了原來兩個(gè)單體零件，盤和葉片的加工難度。

　　整體葉盤和機(jī)匣類零件是公認(rèn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中難度最大的零件之一。其工藝流程復(fù)雜既包含常見的機(jī)械加工車、銑、鉆、鏜、絞、磨，又包括了特種加工如噴涂、噴丸、熱處理等，工藝流程長(zhǎng)達(dá)幾十或數(shù)百道工序，如圖1所示。

　　整體葉盤類零件可以應(yīng)用銑車復(fù)合加工中心，葉身型面銑削加工，輪盤表面的精車加工，以及進(jìn)、排氣兩端的精密連接孔加工可以同時(shí)集中在一臺(tái)機(jī)床上加工。同理，機(jī)匣類零件也可以將機(jī)匣外型面銑削和內(nèi)型腔的車削以及前后端面精密連接孔鉆、鏜加工，同時(shí)在銑車復(fù)合加工中心上集中完成。加工結(jié)束后，可以應(yīng)用機(jī)床上配備的在線測(cè)量功能，檢查加工結(jié)果，形成加工、測(cè)量一體化。這類機(jī)床應(yīng)該具備立式、臥式轉(zhuǎn)換功能，其中銑削以臥式加工為主，車削則以立式加工為主。

　　由若干級(jí)壓氣機(jī)盤裝配而成的轉(zhuǎn)子，可以在配備了動(dòng)力磨削頭的車加工中心上，精修圓周徑向基準(zhǔn)后，在車削裝夾定位基礎(chǔ)之上，立即磨削各級(jí)葉片葉冠端面，是應(yīng)用復(fù)合加工的又一實(shí)例。

　　車銑復(fù)合加工中心適合加工以車削工藝為主，銑削工藝為輔的零件。五軸車銑復(fù)合加工中心的B 軸擺頭車削技術(shù)，對(duì)于加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件中一些形狀復(fù)雜的半封閉型腔凸顯出相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，是近年來發(fā)展較快的新技術(shù)。一些機(jī)床廠家已經(jīng)將該項(xiàng)功能作為出售機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。圖2所示為車銑加工中心B 軸。

　　圖2 車銑加工中心B軸

　　B 軸擺頭車削特別適合加工壓氣機(jī)盤、軸頸一體結(jié)構(gòu)盤類零件和進(jìn)、氣排邊雙側(cè)帶篦齒環(huán)的整體葉盤類零件。這類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：輻板長(zhǎng)、型腔狹小、盤心孔部位刀具入口處狹窄、內(nèi)腔底部變寬，輻板與盤心孔的高度差較大。加工難點(diǎn)在于薄壁結(jié)構(gòu)加工中容易受切削力影響產(chǎn)生變形，且封閉腔切削中刀具和內(nèi)腔型面容易產(chǎn)生碰撞、干涉。特別是干涉的處理，成為能否加工出完整、準(zhǔn)確型腔的重要前提。通常要請(qǐng)刀具制造工程師設(shè)計(jì)特殊形狀的非標(biāo)刀具，致使刀具成本幾乎增加一倍，對(duì)企業(yè)來說是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。封閉內(nèi)型腔結(jié)構(gòu)在常規(guī)車加工中心上加工，需要3把非標(biāo)刀具才能將型面全部加工完成，其運(yùn)動(dòng)方向和切削區(qū)域如圖3所示。應(yīng)用了車銑復(fù)合加工中心B 軸擺頭車功能后，型腔用如圖4所示的2把刀具加工就可以完全覆蓋整個(gè)區(qū)域。

　　當(dāng)引入B 軸車削加工技術(shù)時(shí)，利用B 軸在車削中可以擺頭的功能，使銑削主軸頭帶動(dòng)刀具同步擺動(dòng)，使得車刀桿軸線隨著加工部位的變化逐漸地調(diào)整其與型腔之間的角度，最大限度利用型腔的有限空間，拓展了每一把刀的運(yùn)動(dòng)方位，彌補(bǔ)了常規(guī)車削中刀桿固定不動(dòng)的不足，減少了不同刀具換刀加工所產(chǎn)生的接刀痕，改善了表面質(zhì)量，這一點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)零件的加工中尤為重要。

　　從某種意義上說，數(shù)控車床的誕生使得車削非線性曲面變得輕而易舉，而B 軸擺頭車削技術(shù)的誕生使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的車削工藝能力得到極大的提升。

　　以能量復(fù)合為基礎(chǔ)的復(fù)合加工技術(shù)應(yīng)用了多種形式的能量綜合作用來實(shí)現(xiàn)材料的去除，提高了難加工材料、難加工結(jié)構(gòu)的加工效率和加工質(zhì)量。

　　高溫合金屬于難加工材料，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件常用材料之一。高溫合金切削時(shí)產(chǎn)生的切削力大、切削溫度高，造成工件熱變形，使尺寸和形狀精度發(fā)生變化。同時(shí)加工中冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致刀具磨損加劇。高溫合金零件的加工普遍存在加工成本較高、加工周期較長(zhǎng)的特點(diǎn)。特別是高溫合金材料的整體葉盤，加工中需要切削掉的材料占整體毛坯鍛件的90％左右。當(dāng)?shù)毒咧睆叫∮讦?mm時(shí)，刀具系統(tǒng)剛性迅速減弱，進(jìn)給降幅較大，加工中容易出現(xiàn)斷刀現(xiàn)象，影響零件的表面質(zhì)量。我公司針對(duì)難加工材料的開展了特種工藝加工研究。對(duì)高溫合金材料的整體葉盤和機(jī)匣，采用電火花仿型銑工藝進(jìn)行粗加工，取代數(shù)控銑削的方法去除流道部位大部分材料。以葉盤為例，粗開槽加工時(shí)，采用棒狀電極，分別給葉盆和葉背預(yù)留一定余量。然后進(jìn)行五坐標(biāo)銑削，即將電火花加工后的葉片進(jìn)行光整加工，使葉身各處余量均勻，給后續(xù)精銑加工奠定基礎(chǔ)。同直徑電極的造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬質(zhì)合金刀具，其價(jià)位還不到硬質(zhì)合金刀具的十分之一。與加工中心相比，電火花機(jī)床小時(shí)折舊費(fèi)用也低。

　　復(fù)合加工工藝注意要點(diǎn)：（1）防止加工中出現(xiàn)干涉。由于車銑復(fù)合加工中心增加了銑削加工時(shí)的主軸刀具回轉(zhuǎn)功能，使其不同于原來車床的滑枕加刀夾結(jié)構(gòu)，顯得較為龐大。在加工零件時(shí)，必須要考慮是否會(huì)與零件、夾具、機(jī)床工作臺(tái)（或轉(zhuǎn)盤）產(chǎn)生干涉與碰撞。解決的方法是，應(yīng)用幾何虛擬仿真技術(shù)，虛擬仿真軟件環(huán)境建立零件、夾具、機(jī)床工作臺(tái)（或轉(zhuǎn)盤）和機(jī)床銑削主軸準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)模型，運(yùn)行數(shù)控加工程序，檢查刀具軌跡是否過切，判斷銑削主軸是否與零件、夾具以及工作臺(tái)干涉，并根據(jù)干涉具體情況采取有效措施予以調(diào)整，通過加長(zhǎng)刀具刀桿的長(zhǎng)度，加高夾具的高度，使銑削主軸有足夠的運(yùn)動(dòng)行程空間。（2）工藝路線編排合理。車銑復(fù)合或銑車復(fù)合工序盡量安排在零件的精加工階段，也即零件的最終成形加工階段。粗加工或半精加工工序安排在常規(guī)設(shè)備上進(jìn)行。這樣既可以規(guī)避高端設(shè)備資源緊張的情況，又最大化的將車、銑、鉆、鏜等多個(gè)工藝集中，一次性加工完成工件大部分加工，提高零件的加工精度。

　　結(jié)束語

　　復(fù)合加工技術(shù)為保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工質(zhì)量、提高加工效率、降低生產(chǎn)成本、簡(jiǎn)化工藝流程、縮短新產(chǎn)品的研制周期，提供了一個(gè)可行的方法。但是復(fù)合加工，應(yīng)綜合考慮零件的精度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和加工成本的性價(jià)比，畢竟具有復(fù)合加工功能的機(jī)床目前仍屬于高端設(shè)備，資源較少。展望國(guó)家航空業(yè)的發(fā)展前景，加快研制民用大飛機(jī)、大推比發(fā)動(dòng)機(jī)步伐，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展，是企業(yè)追求的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，一個(gè)新產(chǎn)品研發(fā)周期的長(zhǎng)短，是衡量企業(yè)綜合實(shí)力的體現(xiàn)，因此復(fù)合加工技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。