■ 湖北三江航天紅陽機電有限公司 （湖北孝感 432000） 王華僑 明先承 張 穎 張守明趙華軍 張 海 付忠奎 石章靖

王華僑

航空產(chǎn)品零件突出表現(xiàn)為多品種、小批量、工藝過程復雜，并且廣泛采用整體薄壁結構和難加工材料，因此制造過程中普遍存在制造周期長、材料切除量大、加工效率低及加工變形嚴重等瓶頸。為了提高航空復雜產(chǎn)品的加工效率和加工精度，工藝人員一直在尋求更為精密的加工工藝方法。車銑復合機床加工設備的出現(xiàn)為提高航空零件的加工精度和效率提供了一種有效解決方案。

車銑復合加工中心（Turning-Milling-Compound-Machining-Center）是在一臺機床上集約了包括車床、銑床一并加工的場所。車銑復合加工中心的出現(xiàn)為提高航空零件的加工精度和效率提供了一種有效的解決方案，對一個國家的航空航天、軍事、科研、精密器械及高精醫(yī)療設備等行業(yè)有著舉足輕重的影響力。

1. 航空制造車銑復合加工應用現(xiàn)狀

目前，車銑復合聯(lián)動數(shù)控加工中心及系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機轉(zhuǎn)子、汽輪機轉(zhuǎn)子及大型柴油機曲軸等加工最高效的手段。車銑復合聯(lián)動加工中心有高效率、高精度的特點，工件一次裝夾就可完成復雜的加工，能夠適應如汽車零部件、飛機結構件等現(xiàn)代模具的加工。

車銑復合加工中心和五面體加工中心有很大區(qū)別。車銑復合加工中心有x、y、z、a、c五個軸，x、y、z軸和a、c軸形成車銑復合聯(lián)動加工，擅長空間曲面加工、異形加工、鏤空加工、打孔、斜孔及斜切等。而“五面體加工中心”則是類似于三軸加工中心，只是其可以同時做五個面，但是無法做異形加工、打斜孔及切割斜面等。典型案例如大隈車銑復合系列拳頭產(chǎn)品MULTUS B300Ⅱ（見圖1），一直受到非常高的評價，該裝備采用Thermo-Friendly Concept（熱親和概念），確保了其穩(wěn)定的加工精度，搭載Collision Avoidance System（防撞擊系統(tǒng)）實現(xiàn)了放心操作。通過車銑復合實現(xiàn)從毛坯到成品一次裝夾完成全部車、銑、鉆、攻螺紋及深鏜孔等多種工序的集成粗精加工。

圖1 大隈MUlTUS B300Ⅱ車銑復合加工

機床復合化是機床發(fā)展的重要方向之一。復合機床又包括車銑復合、車銑磨復合、銑磨復合、切削與3D打印復合、切削與超聲振動復合、激光與沖壓復合等多種多樣的形式，復合的目的就是讓一臺機床具有多功能性，可一次裝夾完成多任務，提高加工效率和精度。復合機床中，車銑復合機床最多見，也是使用最多的復合機床種類。歐洲是世界機床領先的地區(qū)，復合機床同樣走在世界前列。當前車銑復合加工中心主要設備提供商有奧地利WFL、巨浪（Chiron）、德馬吉（DMG MORI）等國際知名品牌。

為此，許多國外公司除能滿足用戶所需的精度要求外，并能加工到最大車削直徑在1 500mm、兩頂尖最大加工質(zhì)量在8 000kg以上的細長、復雜等大型工件，在設備的參數(shù)和結構上下功夫。這些具有代表性的機床制造公司有德國WOHLENBERG（沃倫貝格機床制造有限公司）、德國SIMMONS（西蒙斯公司）和奧地利WFL公司及西班牙BOST公司等。他們都充分地應用了復合車銑加工中心先進的加工理念和加工方法，并且都共同具有先進的模塊化結構設計和多軸設計理論，在軟件上應用了世界上目前較先進的隨動加工技術。圖2、圖3為采用大型車銑復合加工中心完成的航空發(fā)動機及燃氣輪機核心關鍵部件。

圖2 發(fā)動機傳動軸車銑復合加工

圖3 燃氣輪機核心部件車銑復合加工

2. 航空制造車銑復合加工典型應用

（1）飛機起落架車銑復合加工 奧地利WFL公司作為車銑技術的領導者，是專業(yè)生產(chǎn)多功能車－鏜－銑加工中心的生產(chǎn)廠家，一直致力于針對用戶特殊需求的技術開發(fā)和不斷的技術完善，為航空航天、石油機械、船用曲軸、印刷機械、塑料機械及風電行業(yè)等高精度復雜零件，特別是具有深孔、內(nèi)孔及內(nèi)腔復雜形狀零件的加工提供更加柔性及有效的解決方案，帶來加工方法和工藝技術的革命。在眾多高科技公司中，“MILLTURN”品牌代表的是生產(chǎn)高精度復雜零部件的機床，圖4為采用WFL M80 MillTURN車銑復合加工飛機起落架的工藝過程示意，包含起落架上的齒輪加工等。

（2）核心傳動軸車銑復合加工 五軸車銑中心是五軸車銑技術的載體，是指一種以車削功能為主，并集成了銑削和鏜削等功能，至少具有三個直線進給軸和兩個圓周進給軸，且配有自動換刀系統(tǒng)的機床的統(tǒng)稱。這種車銑復合加工中心是在三軸車削中心基礎上發(fā)展起來的，相當于一臺車削中心和一臺加工中心的復合。因此可以在一臺車銑中心上，經(jīng)過一次裝夾，完成全部車、銑、鉆、鏜、攻螺紋等加工，其工藝范圍之廣和能力之強，已成為當今復合加工機床的佼佼者。

圖4 WFL M80 MillTURN車銑復合加工飛機起落架及起落架齒輪

與常規(guī)數(shù)控加工工藝相比，復合加工具有的突出優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：①縮短產(chǎn)品制造工藝鏈，提高生產(chǎn)效率。車銑復合機床加工可以實現(xiàn)一次裝夾完成全部或者大部分加工工序，從而大幅縮短產(chǎn)品制造工藝鏈。一方面減少了由于裝夾改變導致的生產(chǎn)輔助時間，同時也減少了工裝夾具制造周期和等待時間，能夠顯著提高生產(chǎn)效率。②減少裝夾次數(shù)，提高加工精度。裝夾次數(shù)的減少避免了由于定位基準轉(zhuǎn)化而導致的誤差積累。同時，目前的車銑復合機床加工設備大都具有在線檢測功能，可以實現(xiàn)制造過程關鍵數(shù)據(jù)的在線檢測和精度控制，從而提高產(chǎn)品的加工精度。③減少占地面積，降低生產(chǎn)成本。雖然車銑復合機床加工設備的單臺價格比較高，但由于制造工藝鏈的縮短和產(chǎn)品所需設備的減少，以及工裝夾具數(shù)量、車間占地面積和設備維護費用的減少，能夠有效降低總體固定資產(chǎn)的投資，以及生產(chǎn)運作和管理的成本。

圖5、圖6為WFL車銑復合加工各種精密傳動軸及典型復雜精密產(chǎn)品。

日本山崎馬扎克M A Z A K INTEGREX i-V系列車銑復合加工中心，采用頭部傾斜方式，是實現(xiàn)重型工件高精度加工的五軸機。型號為INTEGREX i-500V/5和INTEGREX i-630V/6車銑復合加工中心等系列產(chǎn)品是MAZAK第5代復合加工機的代表，實現(xiàn)了DONE IN ONE（一次裝夾完成全部加工）理念，具有銑削、車削、滾齒、剮齒、B軸傾斜加工、五軸聯(lián)動加工等工序集約能力，可高效率、高精度地應對重型、大型零件的復合加工。圖7為MAZAK車銑復合加工航空領域整體傳動軸類產(chǎn)品。

圖5 WFL車銑復合加工復雜精密傳動軸

圖6 WFL車銑復合加工典型復雜精密產(chǎn)品

圖7 MAZAK車銑復合加工整體傳動軸

如今，INTEGREX i-V系列產(chǎn)品能夠成為智能網(wǎng)絡化工廠的核心設備，不僅在于其銑削功能與車削功能的簡單“相加”，而是沿革了包括控制系統(tǒng)在內(nèi)軟件系統(tǒng)的不斷革新性研發(fā)的思維，使得機械主體與軟件相輔相成，發(fā)揮出了“相乘”效應，切實地為用戶創(chuàng)造了價值。在自動化應用方面，該系列產(chǎn)品便于用戶根據(jù)生產(chǎn)需求，隨時增加托盤生產(chǎn)單元模塊，組成自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，還方便同類機型拓展成生產(chǎn)線，甚至可以與其他類別機型組成混合式生產(chǎn)線，助力用戶實現(xiàn)更高產(chǎn)的目標。

3. 我國航空制造車銑復合加工應用展望

不同系列車銑復合加工中心高檔數(shù)控機床裝備在我國飛機、航空航天發(fā)動機及附件廠等航空航天制造廠家都有引進。設備類型主要集中于奧地利WFL公司的車銑復合系列產(chǎn)品、德國DMG公司系列車銑復合加工中心、HYPERTURN公司EMCO系列車銑復合加工中心及瑞士寶美公司車銑復合加工中心等。但由于投入實際應用的時間不長，普遍缺乏與產(chǎn)品工藝特點和設備工藝特性相適應的成熟的加工工藝、編程和后置處理等技術手段。因此，目前引進的車銑復合加工設備基本上處于相對較低的運行水平。

航空航天產(chǎn)品制造過程中面臨的主要問題突出表現(xiàn)為工藝路線長、工藝過程復雜、加工效率低、加工變形嚴重、加工成本高等，車銑復合加工無論是在飛機制造還是在發(fā)動機制造領域都有著極為廣闊的發(fā)展空間。如飛機機身整體框的銑削加工通常要經(jīng)過下料/毛坯制備、基準加工、粗加工內(nèi)形、粗加工外形、精修基準、半精和精加工內(nèi)形、半精和精加工外形、孔加工、鉗工修整及檢測等數(shù)十個工序、多次翻轉(zhuǎn)裝夾才能完成。而目前航空航天發(fā)動機領域的整體葉盤加工也是采用整體鍛造毛坯，經(jīng)過車削、銑削、拋光、表面處理及強化、檢測探傷等幾十道工序才能完成。

這些零件往往制造周期長，占機時間通常達到幾百個小時，而且加工過程中都需要使用多臺不同類型的數(shù)控機床和大量的夾具、刀具及量具等。另外，裝夾的反復更換不僅造成零件制造過程中的等待時間過長，影響生產(chǎn)周期，而且也會造成裝夾誤差的積累，從而影響零件的尺寸精度和加工結果。車銑復合加工可以通過一次裝夾實現(xiàn)上述典型航空航天零件的全部或大部分工序的加工，從而為復雜航空航天零件的高效、精密加工提供一種新途徑。

為了充分發(fā)揮先進的復合加工裝備的加工效能，進一步提高航空航天產(chǎn)品的制造效率和質(zhì)量，迫切需要開展以下四方面的工作：①結合航空航天產(chǎn)品零件的工藝特點，深入研究與之相適應的復合加工工藝，包括制定工藝路線，以及裝夾方式、刀具、冷卻及切削參數(shù)等的合理選取。②根據(jù)復合加工設備的運動結構和產(chǎn)品的工藝特點，開發(fā)和定制相應的數(shù)控編程、后置處理、切削仿真等系統(tǒng)，形成工藝－編程－后置－仿真的一體化解決方案，降低復合加工對工藝人員的要求。③形成工藝規(guī)范。結合仿真、試切及實際生產(chǎn)中積累的工藝經(jīng)驗，形成適用于車銑復合加工的固化的工藝規(guī)范，用以指導后續(xù)其他零件的加工。④注重人才的培養(yǎng)。復合加工設備是目前機械加工領域前沿技術的代表，無論是工藝編制還是操作維護都要比常規(guī)設備復雜，高水平的研發(fā)隊伍是實現(xiàn)設備健康、高效運行的關鍵。

目前高檔車銑復合加工裝備正朝著更大工藝范圍、更高效率、大型化及模塊化的方向發(fā)展。航空航天產(chǎn)品制造領域一直是先進制造技術發(fā)揮作用的重要舞臺，隨著航空航天產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的日益加快，工序分散的加工設備將逐漸被工序集中的柔性自動化裝備所取代，這為復合加工技術提供了更為廣闊的發(fā)展和應用空間，同時也是發(fā)展國產(chǎn)高檔數(shù)控機床尤其是車銑復合加工機床的恰好時機。