复合加工技术在航空复杂零件加工中的应用

　　随着新一代飞机对航空发动机性能要求的不断提高，国外有关资料介绍第五代飞机发动机推重比将达到15~20，涡轮前温度超过1700℃以上，高性能发动机大量采用了复杂整体薄壁结构、难加工材料，如整体叶盘、化学铣结构的机匣、盘轴一体化转子、单晶定向叶片、钛铝合金及陶瓷基复合材料等。航空发动机复杂整体薄壁结构、难加工材料零件加工成为发动机制造的关键所在，采用传统的单一加工方法已经难以解决航空发动机复杂机匣、整体叶盘、整体叶环和盘轴一体化结构复杂零件的加工难题。航空难加工材料的广泛应用给传统的加工方法带来了严峻的挑战，传统的去除材料机械加工方法难以满足工艺要求，特种加工方法、复合加工技术在航空难加工材料加工中起了重要作用。复合加工技术不再局限于冷热加工方法的划分、去除材料方式的加工，而是综合利用多种能量，如机械能、热能、电能和化学能等，实现难加工脆硬材料的高精度、高效率加工。现代化装备制造业的发展，使得大量多功能、复合加工机床在各行业广泛应用，镗铣、车铣加工中心实现了多工序的复合，大幅提高了加工效率和自动化加工水平，实现了航空发动机典型零件高效、精密、柔性化、自动化加工。

复合加工技术的内涵

　　1复合加工技术的定义

　　复合加工技术是将多种加工方法融合在一起，充分发挥各自的优势，互为补充，同时在加工过程起作用，能够在一道工序内、使用1 台多功能设备，实现多种加工方法的集成加工。一方面，基于电场控制、溶解与切削相结合的复合加工技术可以实现高效光整、高效精密模具成形加工或光整及精密模具成形的一体化加工。另一方面，复合加工技术依托强大的设备功能，将多种加工工序合并在一起，不仅能够实现不同机械加工方法的复合加工，而且还能够实现机械加工方法与特种加工方法的复合加工。复合加工技术包括电化学机械复合加工技术，化学机械加工技术，超声放电复合加工技术，时变场控制、磁场辅助的电化学及电化学机械复合加工技术，时变场控制的电解在线修整砂轮磨削加工技术，时变场控制电化学及磁粒研磨的复合加工技术等。

　　2复合加工技术的种类

　　（1）传统机械加工方法的复合加工。

　　·钻、镗、铣复合加工。

　　镗铣复合加工中心是集钻、镗、铰、攻丝和铣加工功能为一体的高精度、多功能加工中心，不仅具有坐标镗的高精度，而且具备较高的刚性和主轴转速，能够实现航空发动机机匣类零件外型铣削和定位孔的钻镗复合加工。

　　·卧式车铣复合加工。

　　车铣复合加工中心是集车削和镗铣加工为一体多功能复合加工中心，旋转工作台不仅具有车加工需要的高转速、高扭矩，而且具备铣加工要求的高精度分度功能，配备刚性铣头，能够安装车刀、铣刀、镗刀和测头的多种工具，能够实现自动换刀车铣复合加工。车铣复合加工中心以车加工为主，在进行零件主要型面车加工的同时，辅助完成定位孔、安装孔、键槽和凸台的镗铣加工，实现工序集中、保持较好的加工一致性，有利于提高加工效率，实现加工过程自动化。

　　·立式铣车复合加工。

　　铣车复合加工中心是以铣加工功能为主的铣、车一体结构的复合加工中心，该设备采用高速直线驱动电机，具有较高的主轴刚性和转速，旋转工作台具有较高的定位精度，并且具备大扭矩和高转速的特点，不仅能进行航空难切削材料高速、高效铣削加工，而且能够进行内、外圆车加工，适合航空发动机机匣等零件铣车复合集约式加工。

　　（2）特种加工方法的复合加工。

　　·电火花铣复合加工。

　　电火花铣是在电火花放电产生的高能热的基础上，采用铣削加工刀具运动方式，以去除材料为目的加工方法。电火花铣加工工具是管状电极，电极高速旋转，进行直线或圆弧插补运动，能够实现复杂曲面仿型加工。与传统铣加工相比，电火花铣没有切削力，适合薄壁零件加工；没有刀具消耗，电极损耗费用比刀具消耗费用小得多，节约大量刀具费用；电火花铣机床与加工中心设备费用相差很多，使用电火花铣会大幅降低加工成本。

　　·电火花磨复合加工。

　　电火花磨削实质上是运用磨削加工的形式进行电火花加工，工具电极和工件各自作回转运动，使工具电极与工件有相对回转运动。电极局部放电，径向进给实现磨削方式的加工，电极损耗可以通过进给予以补偿。对放电间隙进行伺服控制，保持加工间隙。如REDM-100型电火花磨床，主轴头沿垂直方向或水平方向作单轴伺服进给，而工件安装在水平工作台上作定速旋转来实现电火花磨削加工。

　　·化学铣复合加工。

　　化学铣是将金属坯料浸没在化学腐蚀溶液中，利用溶液的腐蚀作用去除表面金属的工艺方法[1]。化学铣切已经成为现代航空航天工业中广泛应用的一种特种加工工艺。化学铣切工艺过程是：将金属零件清洗除油，在表面上涂覆能够抵抗腐蚀溶液作用的可剥性保护涂料，经室温或高温固化后进行刻形，然后将涂覆于需要铣切加工部位的保护涂料剥离。

　　（3）传统加工方法与特种加工方法的复合加工。

　　·化学机械复合加工。

　　化学机械复合加工是指化学加工方法与机械加工方法的综合，利用化学腐蚀机理，结合机械振动、磨削、铣削等机械加工方法，实现脆硬难加工材料、薄壁复杂结构零件，高效、高精度加工。包括：化学铣、化学机械振动抛光等。

　　·加热辅助切削复合加工。

　　加热辅助切削是通过对加工零件表面局部瞬间加热，改变零件加工部位局部表层材料物理、力学性能，降低加工表面机械强度、表层硬度，改善零件加工性能，降低刀具磨损，延长刀具使用寿命，提高加工效率，保证加工质量[2]。

　　·超声振动辅助切削复合加工。

　　超声振动辅助切削复合加工是难加工材料、细长孔等复杂结构零件加工的一种有效加工方法，其机理是加工刀具或工具以适当的方向、一定的频率和振幅振动，以脉冲式进给方式切削零件，从而改善加工工况及断屑条件，通过连续有规律的脉冲切削减少切削力、降低切削变形、消除加工自激振动，达到提高加工精度，延长刀具使用寿命的目的。

　　3复合加工技术的应用范围

　　复合加工技术在航空发动机零件加工领域主要应用于两个方面：（1）难加工脆硬材料和复杂薄壁弱刚性结构零件加工，如：陶瓷基复合材料、超硬合金材料、蜂窝结构薄壁零件、化学铣结构机匣等零件；（2）多工序集成、自动化加工，航空发动机机匣、整体叶盘等零件结构复杂、加工特征多、加工余量大，高压压气机前机匣有数百个叶片安装孔，采用普通的钻、扩、镗、铰分工步加工方法，存在加工效率低、一致性差等问题。可以采用复合刀具实现钻、扩、镗、铰多工步复合加工，节省安装调试刀具等辅助加工时间，能够提高加工效率，提高加工自动化程度。