航空發(fā)動機制造是一個國家制造業(yè)的典型代表,。它集制造業(yè)的設(shè)計、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,。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)合加工的主要特點是綜合應(yīng)用機械,、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，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。
航空發(fā)動機制造對復(fù)合加工技術(shù)的需求分析
目前航空發(fā)動機制造工藝過程中應(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,。
以機械加工工藝為主的復(fù)合加工，是指零件在機床上僅用一次裝夾便可完成多種機加工藝的加工,。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,、簡化工藝流程等優(yōu)越性，這是單一功能機床加工無法實現(xiàn)的,。對實現(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 種典型的機床。五軸車銑加工中心以車削功能為主,，同時集成了銑削和鏜削等功能,。機床有3個直線運動軸X、Y,、Z 和2個圓周旋轉(zhuǎn)軸A,、B 或B、C,，配有刀具自動交換裝置和刀庫[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臺車削中心和1臺加工中心的復(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)動機盤、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動功能外，在加工中心的基礎(chǔ)之上又增加了使工件回轉(zhuǎn)的驅(qū)動裝置,。相當(dāng)于1臺加工中心和1臺車削中心的復(fù)合,。適合加工航空發(fā)動機零件中的機匣、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,，使得對機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)動機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DMG銑車復(fù)合加工中心,。
復(fù)合加工技術(shù)在航空發(fā)動機部分零件中的應(yīng)用
航空發(fā)動機零件的整體化、結(jié)構(gòu)化,、輕量化是大推比發(fā)動機的重要設(shè)計特性之一,。整體結(jié)構(gòu)件具有減重、減級,、增效并提高可靠性的優(yōu)點,，符合航空發(fā)動機零部件易維護,、高可靠性和長壽命的服役需求,。例如將壓氣機盤和軸頸設(shè)計為一體的壓氣機盤，將轉(zhuǎn)子葉片和壓氣機盤設(shè)計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,。單體葉片加工時可以夾緊葉片的軸頸部位,，同時用頂尖頂住葉冠，一個方向夾緊,，一個方向支撐,。整體葉盤銑削葉片時只能以夾緊輪轂的前后緣板，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單體零件,，盤和葉片的加工難度,。
整體葉盤和機匣類零件是公認(rèn)的航空發(fā)動機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集中在一臺機床上加工。同理,，機匣類零件也可以將機匣外型面銑削和內(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)用機床上配備的在線測量功能，檢查加工結(jié)果,，形成加工,、測量一體化。這類機床應(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,。
由若干級壓氣機盤裝配而成的轉(zhuǎn)子,，可以在配備了動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,，立即磨削各級葉片葉冠端面，是應(yīng)用復(fù)合加工的又一實例,。
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),，對于加工航空發(fā)動機零件中一些形狀復(fù)雜的半封閉型腔凸顯出相當(dāng)大的優(yōu)勢,，是近年來發(fā)展較快的新技術(shù)。一些機床廠家已經(jīng)將該項功能作為出售機床的標(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)特點是：輻板長、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。通常要請刀具制造工程師設(shè)計特殊形狀的非標(biāo)刀具,，致使刀具成本幾乎增加一倍,，對企業(yè)來說是一個不小的負(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,，其運動方向和切削區(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區(qū)域,。
當(dāng)引入B 軸車削加工技術(shù)時,，利用B 軸在車削中可以擺頭的功能,，使銑削主軸頭帶動刀具同步擺動，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動方位，彌補了常規(guī)車削中刀桿固定不動的不足,，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，這一點在發(fā)動機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)動機零件常用材料之一。高溫合金切削時產(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、加工周期較長的特點,。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,，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,。我公司針對難加工材料的開展了特種工藝加工研究。對高溫合金材料的整體葉盤和機匣,，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,，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),。同直徑電極的造價遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬質(zhì)合金刀具，其價位還不到硬質(zhì)合金刀具的十分之一,。與加工中心相比,，電火花機床小時折舊費用也低。
復(fù)合加工工藝注意要點：（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,，必須要考慮是否會與零件、夾具,、機床工作臺（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、機床工作臺（或轉(zhuǎn)盤）和機床銑削主軸準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)模型,，運行數(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,，通過加長刀具刀桿的長度，加高夾具的高度,，使銑削主軸有足夠的運動行程空間,。（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)動機復(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,、簡化工藝流程,、縮短新產(chǎn)品的研制周期,，提供了一個可行的方法,。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比,，畢竟具有復(fù)合加工功能的機床目前仍屬于高端設(shè)備，資源較少,。展望國家航空業(yè)的發(fā)展前景,，加快研制民用大飛機、大推比發(fā)動機步伐,，實現(xiàn)航空發(fā)動機行業(yè)長期可持續(xù)發(fā)展,，是企業(yè)追求的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。在市場競爭日益激烈的今天,，一個新產(chǎn)品研發(fā)周期的長短,，是衡量企業(yè)綜合實力的體現(xiàn)，因此復(fù)合加工技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景,。