车铣复合加工的数控技术与应用前景

　　为了提高航空复杂产品的加工效率和加工精度，工艺人员一直在寻求更为高效精密的加工工艺方法。车铣复合加工设备的出现为提高航空零件的加工精度和效率提供了一种有效解决方案。

　　加工效率与精度是金属加工领域追求的永恒目标。随着数控技术、计算机技术、机床技术以及加工工艺技术的不断发展，传统的加工理念已不能满足人们对加工速度、效率和精度的要求。在这样的背景下，复合加工技术应运而生。一般来说，复合加工是指在一台加工设备上能够完成不同工序或者不同工艺方法的加工技术的总称。目前的复合加工技术主要表现为2 种不同的类型，一种是以能量或运动方式为基础的不同加工方法的复合；另一种是以工序集中原则为基础的、以机械加工工艺为主的复合，车铣复合加工是近年来该领域发展最为迅速的加工方式之一。

　　目前的航空产品零件突出表现为多品种小批量、工艺过程复杂，并且广泛采用整体薄壁结构和难加工材料，因此制造过程中普遍存在制造周期长、材料切除量大、加工效率低以及加工变形严重等瓶颈。为了提高航空复杂产品的加工效率和加工精度，工艺人员一直在寻求更为高效精密的加工工艺方法。车铣复合加工设备的出现为提高航空零件的加工精度和效率提供了一种有效解决方案。

　　与常规数控加工工艺相比，复合加工具有的突出优势主要表现在以下几个方面。

　　（1）缩短产品制造工艺链，提高生产效率。

　　车铣复合加工可以实现一次装卡完成全部或者大部分加工工序，从而大大缩短产品制造工艺链。这样一方面减少了由于装卡改变导致的生产辅助时间，同时也减少了工装卡具制造周期和等待时间，能够显著提高生产效率。

　　（2）减少装夹次数，提高加工精度。

　　装卡次数的减少避免了由于定位基准转化而导致的误差积累。同时，目前的车铣复合加工设备大都具有在线检测的功能，可以实现制造过程关键数据的在位检测和精度控制，从而提高产品的加工精度。

　　（3）减少占地面积，降低生产成本。

　　虽然车铣复合加工设备的单台价格比较高，但由于制造工艺链的缩短和产品所需设备的减少，以及工装夹具数量、车间占地面积和设备维护费用的减少，能够有效降低总体固定资产的投资、生产运作和管理的成本。

复合加工的关键技术

　　尽管复合加工具有常规单一加工无法比拟的优势，但实际上目前在航空制造领域里车铣复合加工的利用率并未得到充分发挥。其关键原因在于车铣复合加工在航空制造领域的应用时间还比较短，适用于航空零件结构工艺特性的车铣复合加工工艺、数控编程技术、后置处理以及仿真技术尚处于摸索阶段。为了充分发挥车铣复合加工设备的效能，提高产品的加工效率和精度，必须全面攻克和解决上述关键基础，并实现集成化应用。

　　1 车铣复合加工的工艺技术

　　与常规加工设备不同的是，一台车铣复合加工中心实际上相当于一条生产线。如何根据零件工艺特性和车铣复合加工的工艺特点制定合理的工艺路线、装卡方法和选用合理的刀具是实现高效精密加工的关键。

　　工序集中是复合加工最为鲜明的工艺特点。因此，科学合理的工艺路线是提高车铣复合加工效率和精度的关键因素。以图1所示瑞士宝美公司的S192F 铣车复合加工中心为例，该机床具有五轴铣、车削、镗削、钻孔、锯断以及自动进料等功能，采用FANUC 31i 数控系统，具有刀矢平滑、超强前瞻、高速插补等功能，特别适合轴类、回转类等零件的高速精密加工。在航空叶轮加工中，该加工中心具有突出的优势。当采用棒料作为叶轮毛坯时，常规的叶轮加工工艺路线首先利用数控车床车削叶轮外部轮廓，然后精车加工基准；在此基础上利用五轴数控加工中心进行开槽、粗加工、半精加工以及型面和轮毂的精加工；最后在五轴加工中心或钻孔设备上进行孔加工。而采用S192F 铣车加工中心不仅可以通过一次装卡完成上述工艺的全部加工，而且当采用棒料进行加工时还可以通过锯断、自动送料等功能实现叶轮的批量加工，整个过程无需人工干预可以全部自动完成。其工艺路线的设置可采用如下方式：主轴装卡棒料→粗车叶轮外部轮廓→精车外部轮廓→五轴铣削开槽→流道粗加工→流道半精加工→流道精加工→钻孔→背主轴装卡→车削叶轮底部平面→钻孔。可以看出，一次装卡即完成全部叶轮加工工序，加工效率及精度可以得到大幅提高。

图1瑞士宝美公目的S192F加工工作示意图

　　对于具有双刀架的车铣加工中心（如图2所示奥地利的WFL 车铣复合加工中心），双刀塔的设备都具有双通道的控制系统，上下刀架可单独控制，同步加工可以通过代码中的同步语句来实现。为充分发挥设备的加工能力，可以在加工条件允许的前提下，通过双刀架的同步操作实现零件的多个工序同时加工。可以通过上下刀架的同步设置，在粗车外形的同时完成内孔的粗镗加工，从而进一步提高加工效率。通过上下刀架的同步运动，完成一系列孔的加工，不仅提高了加工的效率，同时还可以通过钻孔轴向力的相互抵消来减少工件变形的影响。为实现这种功能，需要在前期工艺设计的时候对工艺方案进行系统深入的研究，确定工艺路线的串行和并行顺序，并通过对加工程序的合理组合实现上述功能。

图2奥地利WFL车铣复合加工中心