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)的設計、工藝、材料、加工、質量控制等領域的高、精、尖技術為一體，具有承受載荷大、結構形狀復雜、數(shù)量種類多、制造精度高、質量要求嚴、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、適應新型結構零件的新工藝、刀具制造技術、多軸數(shù)控編程及優(yōu)化處理技術、虛擬仿真技術、切削變形控制技術、型面精確檢測技術和無損探傷等前沿技術于一體的多方位、多種技術的交叉綜合研究與應用。
復合加工技術主要解決2 個方面的問題：特殊結構與復雜結構的加工、難加工材料及脆硬材料的加工。復合加工的主要特點是綜合應用機械、光學、化學、電力、磁力流體和聲波等多種能量進行綜合加工，在提高加工效率和生產效率的同時，兼顧加工精度、加工表面質量及工具損耗等，具有常規(guī)單一加工技術無法比擬的優(yōu)點。
航空發(fā)動機制造對復合加工技術的需求分析
目前航空發(fā)動機制造工藝過程中應用較為廣泛的復合加工技術有以下2種：（1）基于工序集中原則，以多種機械加工工藝為主的復合加工技術。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裝夾定位誤差、提高加工精度、縮短零件的生產周期、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)工序集中復合加工技術，應用較多的有五軸車銑復合加工中心和五軸銑車復合加工中心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]。在車削中心基礎上增添用于回轉刀具的切削裝置發(fā)展而成，其功能相當于1臺車削中心和1臺加工中心的復合，典型代表有奧地利WFL 臥式車銑復合加工中心。適合加工航空發(fā)動機盤、軸和中小結構類零件，這類零件以車削為主導工藝、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，在加工中心的基礎之上又增加了使工件回轉的驅動裝置。相當于1臺加工中心和1臺車削中心的復合。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雜程度高。零件結構復雜，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銑車復合加工中心。
復合加工技術在航空發(fā)動機部分零件中的應用
航空發(fā)動機零件的整體化、結構化、輕量化是大推比發(fā)動機的重要設計特性之一。整體結構件具有減重、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計為一體的壓氣機盤，將轉子葉片和壓氣機盤設計為一體的整體葉盤等。整體結構零件結構復雜，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，加工中容易產生振顫。因而加工中零件個別部位容易產生變形，幾何尺寸和表面質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。因此整體結構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，工藝流程長達幾十或數(shù)百道工序，如圖1所示。
整體葉盤類零件可以應用銑車復合加工中心，葉身型面銑削加工，輪盤表面的精車加工，以及進、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，同時在銑車復合加工中心上集中完成。加工結束后，可以應用機床上配備的在線測量功能，檢查加工結果，形成加工、測量一體化。這類機床應該具備立式、臥式轉換功能，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，精修圓周徑向基準后，在車削裝夾定位基礎之上，立即磨削各級葉片葉冠端面，是應用復合加工的又一實例。
車銑復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。五軸車銑復合加工中心的B 軸擺頭車削技術，對于加工航空發(fā)動機零件中一些形狀復雜的半封閉型腔凸顯出相當大的優(yōu)勢，是近年來發(fā)展較快的新技術。一些機床廠家已經將該項功能作為出售機床的標準配置之一。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、軸頸一體結構盤類零件和進、氣排邊雙側帶篦齒環(huán)的整體葉盤類零件。這類零件的結構特點是：輻板長、型腔狹小、盤心孔部位刀具入口處狹窄、內腔底部變寬，輻板與盤心孔的高度差較大。加工難點在于薄壁結構加工中容易受切削力影響產生變形，且封閉腔切削中刀具和內腔型面容易產生碰撞、干涉。特別是干涉的處理，成為能否加工出完整、準確型腔的重要前提。通常要請刀具制造工程師設計特殊形狀的非標刀具，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擔。封閉內型腔結構在常規(guī)車加工中心上加工，需要3把非標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。應用了車銑復合加工中心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。
當引入B 軸車削加工技術時，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生的接刀痕，改善了表面質量，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 軸擺頭車削技術的誕生使得復雜結構零件的車削工藝能力得到極大的提升。
以能量復合為基礎的復合加工技術應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、難加工結構的加工效率和加工質量。
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)象嚴重，導致刀具磨損加劇。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?shù)毒咧睆叫∮讦?mm時，刀具系統(tǒng)剛性迅速減弱，進給降幅較大，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留一定余量。然后進行五坐標銑削，即將電火花加工后的葉片進行光整加工，使葉身各處余量均勻，給后續(xù)精銑加工奠定基礎。同直徑電極的造價遠遠低于硬質合金刀具，其價位還不到硬質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。由于車銑復合加工中心增加了銑削加工時的主軸刀具回轉功能，使其不同于原來車床的滑枕加刀夾結構，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（或轉盤）產生干涉與碰撞。解決的方法是，應用幾何虛擬仿真技術，虛擬仿真軟件環(huán)境建立零件、夾具、機床工作臺（或轉盤）和機床銑削主軸準確的三維數(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。車銑復合或銑車復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)設備上進行。這樣既可以規(guī)避高端設備資源緊張的情況，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。
結束語
復合加工技術為保證航空發(fā)動機復雜結構零件的加工質量、提高加工效率、降低生產成本、簡化工藝流程、縮短新產品的研制周期，提供了一個可行的方法。但是復合加工，應綜合考慮零件的精度、結構復雜性和加工成本的性價比，畢竟具有復合加工功能的機床目前仍屬于高端設備，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。在市場競爭日益激烈的今天，一個新產品研發(fā)周期的長短，是衡量企業(yè)綜合實力的體現(xiàn)，因此復合加工技術具有廣泛的應用前景。