复合加工数控技术在航空发动机零件制造中的应用

　　航空发动机制造是一个国家制造业的典型代表。它集制造业的设计、工艺、材料、加工、质量控制等领域的高、精、尖技术为一体，具有承受载荷大、结构形状复杂、数量种类多、制造精度高、质量要求严、加工难度大等特点。其中的重要零部件制造是集新材料切削技术、适应新型结构零件的新工艺、刀具制造技术、多轴数控编程及优化处理技术、虚拟仿真技术、切削变形控制技术、型面精确检测技术和无损探伤等前沿技术于一体的多方位、多种技术的交叉综合研究与应用。

　　复合加工技术主要解决2 个方面的问题：特殊结构与复杂结构的加工、难加工材料及脆硬材料的加工。复合加工的主要特点是综合应用机械、光学、化学、电力、磁力流体和声波等多种能量进行综合加工，在提高加工效率和生产效率的同时，兼顾加工精度、加工表面质量及工具损耗等，具有常规单一加工技术无法比拟的优点。

　　航空发动机制造对复合加工技术的需求分析

　　目前航空发动机制造工艺过程中应用较为广泛的复合加工技术有以下2种：（1）基于工序集中原则，以多种机械加工工艺为主的复合加工技术。例如：车削、铣削、磨削、钻削、镗削和绞削等工艺，其中的部分工艺可以一次性装夹完成。（2）特种加工方法与切削、磨削组合，去除材料工艺方式的复合。例如：激光、电火花和超声波等特种加工方法与切削、磨削的组合。

　　以机械加工工艺为主的复合加工，是指零件在机床上仅用一次装夹便可完成多种机加工艺的加工。特别适用于零件进入精加工阶段后，在一个工位上完成精车、精铣、钻、镗、绞、攻丝多工序的连续加工。这种加工具有消除重复装夹定位误差、提高加工精度、缩短零件的生产周期、减少工装数量、简化工艺流程等优越性，这是单一功能机床加工无法实现的。对实现工序集中复合加工技术，应用较多的有五轴车铣复合加工中心和五轴铣车复合加工中心2 种典型的机床。五轴车铣加工中心以车削功能为主，同时集成了铣削和镗削等功能。机床有3个直线运动轴X、Y、Z 和2个圆周旋转轴A、B 或B、C，配有刀具自动交换装置和刀库[2]。在车削中心基础上增添用于回转刀具的切削装置发展而成，其功能相当于1台车削中心和1台加工中心的复合，典型代表有奥地利WFL 卧式车铣复合加工中心。适合加工航空发动机盘、轴和中小结构类零件，这类零件以车削为主导工艺、车削部位形位公差精度高，车削去除材料量大。

　　五轴铣车复合加工中心则以铣削功能为主，除了具备加工中心原有的五轴运动功能外，在加工中心的基础之上又增加了使工件回转的驱动装置。相当于1台加工中心和1台车削中心的复合。适合加工航空发动机零件中的机匣、叶盘类零件。这类零件以铣削为主导工艺，铣削工艺去除材料量大于车削工艺，铣削工艺比车削工艺复杂程度高。零件结构复杂，使得对机床的铣削功能要求较高。例如第五轴（A 或B）要有较宽的摆动范围；主轴可以立式、卧式转换，不仅可以加工轴向端面孔，也可以加工与发动机轴线垂直的径向孔或成一定角度的斜孔。较为典型的有德国DMG铣车复合加工中心。

　　复合加工技术在航空发动机部分零件中的应用

　　航空发动机零件的整体化、结构化、轻量化是大推比发动机的重要设计特性之一。整体结构件具有减重、减级、增效并提高可靠性的优点，符合航空发动机零部件易维护、高可靠性和长寿命的服役需求。例如将压气机盘和轴颈设计为一体的压气机盘，将转子叶片和压气机盘设计为一体的整体叶盘等。整体结构零件结构复杂，和原单体零件相比装夹定位效果明显削弱，使得零件刚性减弱，加工中容易产生振颤。因而加工中零件个别部位容易产生变形，几何尺寸和表面质量受到一定程度影响。单体叶片加工时可以夹紧叶片的轴颈部位，同时用顶尖顶住叶冠，一个方向夹紧，一个方向支撑。整体叶盘铣削叶片时只能以夹紧轮毂的前后缘板，叶冠无支撑，叶片在悬臂状态下加工，工艺性明显劣于单体叶片。因此整体结构零件基本上融合了原来两个单体零件，盘和叶片的加工难度。

　　整体叶盘和机匣类零件是公认的航空发动机制造中难度最大的零件之一。其工艺流程复杂既包含常见的机械加工车、铣、钻、镗、绞、磨，又包括了特种加工如喷涂、喷丸、热处理等，工艺流程长达几十或数百道工序，如图1所示。

　　整体叶盘类零件可以应用铣车复合加工中心，叶身型面铣削加工，轮盘表面的精车加工，以及进、排气两端的精密连接孔加工可以同时集中在一台机床上加工。同理，机匣类零件也可以将机匣外型面铣削和内型腔的车削以及前后端面精密连接孔钻、镗加工，同时在铣车复合加工中心上集中完成。加工结束后，可以应用机床上配备的在线测量功能，检查加工结果，形成加工、测量一体化。这类机床应该具备立式、卧式转换功能，其中铣削以卧式加工为主，车削则以立式加工为主。

　　由若干级压气机盘装配而成的转子，可以在配备了动力磨削头的车加工中心上，精修圆周径向基准后，在车削装夹定位基础之上，立即磨削各级叶片叶冠端面，是应用复合加工的又一实例。

　　车铣复合加工中心适合加工以车削工艺为主，铣削工艺为辅的零件。五轴车铣复合加工中心的B 轴摆头车削技术，对于加工航空发动机零件中一些形状复杂的半封闭型腔凸显出相当大的优势，是近年来发展较快的新技术。一些机床厂家已经将该项功能作为出售机床的标准配置之一。图2所示为车铣加工中心B 轴。