目前的航空產(chǎn)品零件突出表現(xiàn)為多品種小批量、工藝過程復(fù)雜，并且廣泛采用整體薄壁結(jié)構(gòu)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、加工效率低以及加工變形嚴(yán)重等瓶頸。為了提高航空復(fù)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高效精密的加工工藝方法。車銑復(fù)合加工設(shè)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。

　　與常規(guī)數(shù)控加工工藝相比，復(fù)合加工具有的突出優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

　　(1)縮短產(chǎn)品制造工藝鏈，提高生產(chǎn)效率。

　　車銑復(fù)合加工可以實(shí)現(xiàn)一次裝卡完成全部或者大部分加工工序，從而大大縮短產(chǎn)品制造工藝鏈。這樣一方面減少了由于裝卡改變導(dǎo)致的生產(chǎn)輔助時(shí)間，同時(shí)也減少了工裝卡具制造周期和等待時(shí)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。

　　裝卡次數(shù)的減少避免了由于定位基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化而導(dǎo)致的誤差積累。同時(shí)，目前的車銑復(fù)合加工設(shè)備大都具有在線檢測(cè)的功能，可以實(shí)現(xiàn)制造過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)的在位檢測(cè)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(fù)合加工設(shè)備的單臺(tái)價(jià)格比較高，但由于制造工藝鏈的縮短和產(chǎn)品所需設(shè)備的減少，以及工裝夾具數(shù)量、車間占地面積和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用的減少，能夠有效降低總體固定資產(chǎn)的投資、生產(chǎn)運(yùn)作和管理的成本。

　　復(fù)合加工的關(guān)鍵技術(shù)

　　盡管復(fù)合加工具有常規(guī)單一加工無法比擬的優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際上目前在航空制造領(lǐng)域里車銑復(fù)合加工的利用率并未得到充分發(fā)揮。其關(guān)鍵原因在于車銑復(fù)合加工在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)間還比較短，適用于航空零件結(jié)構(gòu)工藝特性的車銑復(fù)合加工工藝、數(shù)控編程技術(shù)、后置處理以及仿真技術(shù)尚處于摸索階段。為了充分發(fā)揮車銑復(fù)合加工設(shè)備的效能，提高產(chǎn)品的加工效率和精度，必須全面攻克和解決上述關(guān)鍵基礎(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)集成化應(yīng)用。

　　1 車銑復(fù)合加工的工藝技術(shù)

　　與常規(guī)加工設(shè)備不同的是，一臺(tái)車銑復(fù)合加工中心實(shí)際上相當(dāng)于一條生產(chǎn)線。如何根據(jù)零件工藝特性和車銑復(fù)合加工的工藝特點(diǎn)制定合理的工藝路線、裝卡方法和選用合理的刀具是實(shí)現(xiàn)高效精密加工的關(guān)鍵。

　　工序集中是復(fù)合加工最為鮮明的工藝特點(diǎn)。因此，科學(xué)合理的工藝路線是提高車銑復(fù)合加工效率和精度的關(guān)鍵因素。以圖1 所示瑞士寶美公司的S192F 銑車復(fù)合加工中心為例，該機(jī)床具有五軸銑、車削、鏜削、鉆孔、鋸斷以及自動(dòng)進(jìn)料等功能，采用FANUC 31i 數(shù)控系統(tǒng)，具有刀矢平滑、超強(qiáng)前瞻、高速插補(bǔ)等功能，特別適合軸類、回轉(zhuǎn)類等零件的高速精密加工。在航空葉輪加工中，該加工中心具有突出的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)采用棒料作為葉輪毛坯時(shí)，常規(guī)的葉輪加工工藝路線首先利用數(shù)控車床車削葉輪外部輪廓，然后精車加工基準(zhǔn);在此基礎(chǔ)上利用五軸數(shù)控加工中心進(jìn)行開槽、粗加工、半精加工以及型面和輪轂的精加工;最后在五軸加工中心或鉆孔設(shè)備上進(jìn)行孔加工。而采用S192F 銑車加工中心不僅可以通過一次裝卡完成上述工藝的全部加工，而且當(dāng)采用棒料進(jìn)行加工時(shí)還可以通過鋸斷、自動(dòng)送料等功能實(shí)現(xiàn)葉輪的批量加工，整個(gè)過程無需人工干預(yù)可以全部自動(dòng)完成。其工藝路線的設(shè)置可采用如下方式：主軸裝卡棒料→粗車葉輪外部輪廓→精車外部輪廓→五軸銑削開槽→流道粗加工→流道半精加工→流道精加工→鉆孔→背主軸裝卡→車削葉輪底部平面→鉆孔?？梢钥闯?，一次裝卡即完成全部葉輪加工工序，加工效率及精度可以得到大幅提高。

　　對(duì)于具有雙刀架的車銑加工中心(如圖2 所示奧地利的WFL 車銑復(fù)合加工中心)，雙刀塔的設(shè)備都具有雙通道的控制系統(tǒng)，上下刀架可單獨(dú)控制，同步加工可以通過代碼中的同步語句來實(shí)現(xiàn)。為充分發(fā)揮設(shè)備的加工能力，可以在加工條件允許的前提下，通過雙刀架的同步操作實(shí)現(xiàn)零件的多個(gè)工序同時(shí)加工?？梢酝ㄟ^上下刀架的同步設(shè)置，在粗車外形的同時(shí)完成內(nèi)孔的粗鏜加工，從而進(jìn)一步提高加工效率。通過上下刀架的同步運(yùn)動(dòng)，完成一系列孔的加工，不僅提高了加工的效率，同時(shí)還可以通過鉆孔軸向力的相互抵消來減少工件變形的影響。為實(shí)現(xiàn)這種功能，需要在前期工藝設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)に嚪桨高M(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，確定工藝路線的串行和并行順序，并通過對(duì)加工程序的合理組合實(shí)現(xiàn)上述功能。

　　2 車銑復(fù)合加工的數(shù)控編程技術(shù)

　　車銑復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展，也對(duì)數(shù)控編程技術(shù)提出了更高的要求，這也是制約車銑復(fù)合加工設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的一個(gè)瓶頸環(huán)節(jié)。由于車銑復(fù)合加工投入實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用時(shí)間較短，在沒有專業(yè)的復(fù)合加工解決方案的情況下，通常是利用通用CAM 軟件規(guī)劃出部分加工程序，然后工藝人員再對(duì)程序進(jìn)行手工整合，以滿足復(fù)合加工機(jī)床對(duì)加工程序的要求。這種解決方法對(duì)工藝人員的要求非常高。與傳統(tǒng)的數(shù)控編程技術(shù)相比，車銑復(fù)合加工的程序編制難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

　　(1)工藝種類繁雜。對(duì)于工藝人員來說，不僅要能掌握數(shù)控車削、多軸銑削、鉆孔等多種加工方式的編程方法，而且對(duì)于工序間的銜接與進(jìn)退刀方式需要準(zhǔn)確界定。因此在進(jìn)行數(shù)控編程時(shí)，需要對(duì)當(dāng)前工序加工完成后的工序模型和加工余量的分布有直觀的認(rèn)識(shí)，以便于下一道工序的程序編制和進(jìn)退刀的設(shè)置。

　　(2)程序編制過程中的串并行順序的確定必須嚴(yán)格按照工藝路線確定。許多零件在車銑復(fù)合加工中心上加工時(shí)可實(shí)現(xiàn)從毛料到成品的完整加工，因此加工程序的編制結(jié)果必須同工藝路線保持一致。同時(shí)，對(duì)于多通道并行加工也需要在數(shù)控加工程序編制的過程中進(jìn)行綜合考慮?？梢?，為實(shí)現(xiàn)高效的復(fù)合加工應(yīng)該發(fā)展工藝 - 編程- 仿真一體化的工藝解決方案。

　　(3)對(duì)于車銑復(fù)合加工的某些功能，目前的通用CAM 軟件尚不支持。與常規(guī)單臺(tái)設(shè)備加工相比，車銑復(fù)合加工具備的機(jī)床運(yùn)動(dòng)和加工功能要復(fù)雜的多，目前的通用CAM 軟件尚不足以完全支持這些先進(jìn)功能的程序編制，如在線測(cè)量、鋸斷、自動(dòng)送料、尾座控制等。因此，利用通用CAM 軟件編制出來的程序仍然需要大量的手工或交互的方式才能應(yīng)用于自動(dòng)化的車銑復(fù)合加工。

　　(4)加工程序的整合。目前通用CAM 軟件編制完成后的NC 程序之間是相互獨(dú)立的，要實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合這樣復(fù)雜的自動(dòng)化完整加工，需要對(duì)這些獨(dú)立的加工程序進(jìn)行集成和整合。這種整合必須以零件的工藝路線為指導(dǎo)，首先確定出哪些程序是并行的，然后對(duì)不同工藝方法的加工順序進(jìn)行確定，并給出準(zhǔn)確的換刀、裝卡更換、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化以及進(jìn)退刀指令等。

　　可以看出，車銑復(fù)合加工數(shù)控程序編制難度非常大，而目前的通用CAM 軟件用于車銑復(fù)合加工仍然存在很多缺陷和不足。為彌補(bǔ)這些不足，在現(xiàn)有通用CAD/CAM 軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)適用于產(chǎn)品工藝和復(fù)合加工設(shè)備的專用編程系統(tǒng)是一種更為現(xiàn)實(shí)的解決方案。這一方面降低了軟件購置的重復(fù)投資，同時(shí)也能避免由于編程平臺(tái)不統(tǒng)一而造成的工藝知識(shí)不能重用、人員配置復(fù)雜等缺陷。

　　3 車銑復(fù)合加工的后置處理技術(shù)

　　與數(shù)控編程技術(shù)相對(duì)應(yīng)，車銑復(fù)合加工由于工藝方法復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)部件多等原因，從而對(duì)目前的后置處理軟件及技術(shù)提出了更高的要求。與常規(guī)數(shù)控設(shè)備相比，其后置處理的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

　　(1)不同工序間的銜接運(yùn)動(dòng)要求嚴(yán)格準(zhǔn)確。由于在車銑復(fù)合設(shè)備上進(jìn)行的加工工藝種類繁多，因此在當(dāng)前工序加工完成之后必須及時(shí)、準(zhǔn)確地完成加工方式、刀具、運(yùn)動(dòng)部件的自動(dòng)切換，以保證加工過程的正確和安全。為了達(dá)到這個(gè)目的，一方面要求設(shè)置合理的進(jìn)退刀方式以及自動(dòng)換刀、冷卻液開和停的時(shí)機(jī)，另外更為重要的是在進(jìn)行當(dāng)前工序加工時(shí)需要設(shè)定其他非運(yùn)動(dòng)部件所處的位置。這樣才能避免機(jī)床在換刀和加工過程中運(yùn)動(dòng)部件與非運(yùn)動(dòng)部件之間的碰撞，確保加工過程安全穩(wěn)定。

　　(2)需要對(duì)工藝順序和數(shù)控程序進(jìn)行自動(dòng)判定。由于復(fù)合加工中工藝路線相對(duì)較長，依靠人工去對(duì)后置完成后的NC 代碼進(jìn)行組織和集成不僅效率低而且也容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的發(fā)生。理想的解決方法是在后置處理過程中能夠?qū)庸ろ樞蚝偷段晃募刑N(yùn)含的工藝方法進(jìn)行自動(dòng)判定，并能在后置處理完成后的NC 代碼中自動(dòng)保持。為此，數(shù)控編程完成后的刀位文件信息中不僅需要包含相應(yīng)的工藝方法、刀位信息，還需要包含對(duì)應(yīng)的加工順序、所采用的刀具種類和編號(hào)，這樣才能在后置處理的過程中達(dá)到工藝順序、工藝方法和刀具的自動(dòng)判定。

　　(3)不同加工方式的后置處理技術(shù)。車銑復(fù)合加工的后置處理程序不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)多軸數(shù)控銑削、車削、鉆削加工的后置處理，還要能夠?qū)崿F(xiàn)鋸斷、自動(dòng)進(jìn)料、尾座控制以及程序循環(huán)調(diào)用等功能，車銑復(fù)合加工的后置處理算法基本上囊括了現(xiàn)有數(shù)控加工所有工藝種類的后置處理方法，并且還要能夠?qū)崿F(xiàn)不同加工方式之間的無縫集成和運(yùn)動(dòng)銜接。

　　(4)控制系統(tǒng)先進(jìn)功能的充分利用。目前用于車銑復(fù)合加工中心的數(shù)控系統(tǒng)都是非常先進(jìn)的控制系統(tǒng)，如寶美S192FT 采用的FANUC 31i系統(tǒng)、WFL 150 采用的SINUMERIK840D 系統(tǒng)。這些先進(jìn)的控制系統(tǒng)大都具備進(jìn)給自動(dòng)優(yōu)化、刀矢平滑、超強(qiáng)前瞻以及高速、高精度插補(bǔ)等先進(jìn)功能。因此，必須要將這些先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)的功能反映在后置處理階段完成的加工代碼中的合適位置，才能實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合加工設(shè)備效能的充分利用。

　　(5)非切削功能的處理和調(diào)用。復(fù)合加工機(jī)床除了具備車、銑、鉆、鏜等切削功能外，還具備在各工序之間過渡所需的非切削功能，如自動(dòng)送料、卸料、主軸對(duì)接、尾座控制等。在后置處理中需要將這些功能作為一個(gè)公用模塊供程序調(diào)用，調(diào)用的順序和時(shí)機(jī)需要根據(jù)工藝路線來確定。這些功能目前的后置處理軟件尚不能提供。

　4 車銑復(fù)合加工的仿真技術(shù)

　　車銑復(fù)合加工由于運(yùn)動(dòng)部件多、功能復(fù)雜，程序編制完成后的加工仿真就顯得尤為重要。由于我國航空制造廠車銑復(fù)合加工投入實(shí)際生產(chǎn)的時(shí)間較短，目前還沒有成熟的仿真應(yīng)用技術(shù)，因此大部分廠家是通過試切加工來驗(yàn)證和優(yōu)化程序，這就導(dǎo)致工藝準(zhǔn)備周期長、研制風(fēng)險(xiǎn)和加工成本高。

　　為了提高車銑復(fù)合加工的應(yīng)用水平和編程效率，必須大力推動(dòng)仿真技術(shù)的應(yīng)用。目前用于車銑復(fù)合加工仿真的軟件主要有TopSolid、Gibbs 等，但這些軟件普遍價(jià)格昂貴，我國航空制造領(lǐng)域引進(jìn)較少。實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合加工的仿真也可借助目前的通用數(shù)控加工仿真軟件(如Vericut、 NCSimul 等)，根據(jù)車銑復(fù)合加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、特殊功能及數(shù)控系統(tǒng)，通過定制及宏功能開發(fā)實(shí)現(xiàn)加工過程的運(yùn)動(dòng)仿真。

　　利用通用的數(shù)控加工仿真軟件實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合加工的仿真需要首先在仿真系統(tǒng)里構(gòu)建相對(duì)真實(shí)的機(jī)床環(huán)境，重點(diǎn)在于機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系和幾何位置關(guān)系的建立。在此基礎(chǔ)上，建立加工過程中所采用的刀具庫及相應(yīng)的刀具編號(hào)。然后配置機(jī)床設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控程序的加工基準(zhǔn)，并將后置完成的NC 代碼載入仿真系統(tǒng)中，即可執(zhí)行加工過程的仿真工作。與常規(guī)數(shù)控加工不同的是，有些功能(如多通道加工、尾座控制等)還需要通過宏功能的開發(fā)和定制來完成。

　　車銑復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用前景及發(fā)展建議

　　近年來，車銑復(fù)合加工中心在我國飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及附件廠等航空制造廠家都有引進(jìn)。設(shè)備類型主要集中于奧地利WFL 公司的車銑復(fù)合系列產(chǎn)品和瑞士寶美公司銑車復(fù)合加工中心等。但由于投入實(shí)際應(yīng)用的時(shí)間不長，普遍缺乏與產(chǎn)品工藝特點(diǎn)和設(shè)備工藝特性相適應(yīng)的成熟的加工工藝、編程手段和后置處理等技術(shù)手段。因此，目前引進(jìn)的車銑復(fù)合加工設(shè)備基本上處于相對(duì)較低的運(yùn)行水平。

　　航空產(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(fù)雜、加工效率低、加工變形嚴(yán)重、加工成本高，車銑復(fù)合加工無論是在飛機(jī)制造還是在發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域都有著極為廣闊的發(fā)展空間。

　　如飛機(jī)機(jī)身整體框的銑削加工通常要經(jīng)過下料/ 毛坯制備、基準(zhǔn)加工、粗加工內(nèi)形、粗加工外形、精修基準(zhǔn)、半精及精加工內(nèi)形、半精和精加工外形、孔加工、鉗工修整、檢測(cè)等數(shù)十個(gè)工序、多次翻轉(zhuǎn)裝夾才能完成。而目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的整體葉盤加工也是采用整體鍛造毛坯，經(jīng)過車銑、銑削、拋光、表面處理及強(qiáng)化、檢測(cè)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(jī)時(shí)間通常達(dá)到幾百小時(shí)，而且加工過程中都需要使用多臺(tái)不同類型的數(shù)控機(jī)床和大量的夾具、刀具、測(cè)具等。另外，裝卡的反復(fù)更換不僅造成零件制造過程中的等待時(shí)間過長，影響生產(chǎn)周期，而且也會(huì)造成裝卡誤差的積累，從而影響零件的尺寸精度和加工結(jié)果。

　　車銑復(fù)合加工可以通過一次裝卡實(shí)現(xiàn)上述典型航空零件的全部或大部分工序的加工，從而為復(fù)雜航空零件的高效、精密加工提供了一種新途徑。其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)裝卡次數(shù)顯著減少，提高加工效率的同時(shí)消除因機(jī)床和裝卡方式的改變而導(dǎo)致的誤差。(2)工序更加集中，能夠明顯縮短加工工藝鏈，減少等待時(shí)間和機(jī)床非工作時(shí)間。(3)不改變定位狀態(tài)的前提下實(shí)現(xiàn)車削、銑削、鉆孔等多種加工方式的加工過程，減少夾具數(shù)量，保證尺寸精度的一致性。(4)目前的車銑復(fù)合加工大都具有在線測(cè)量的功能，可以利用該功能對(duì)工序過程中以及工序間的加工結(jié)果進(jìn)行在位測(cè)量，實(shí)現(xiàn)整個(gè)加工過程的精度控制?？梢钥闯觯囥姀?fù)合加工設(shè)備具有的這些優(yōu)點(diǎn)可以有效地彌補(bǔ)目前航空復(fù)雜零件制造過程中的不足，能夠顯著提高產(chǎn)品的加工精度和效率。

　　為了充分發(fā)揮先進(jìn)的復(fù)合加工裝備的加工效能，進(jìn)一步提高航空產(chǎn)品的制造效率和質(zhì)量，迫切需要開展以下幾方面的工作。

　　(1)結(jié)合航空產(chǎn)品零件的工藝特點(diǎn)，深入研究與之相適應(yīng)的復(fù)合加工工藝，包括制定工藝路線，裝卡方式、刀具、冷卻以及切削參數(shù)等的合理選取。

    (2)根據(jù)復(fù)合加工設(shè)備的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)，開發(fā)和定制相應(yīng)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(fù)合加工對(duì)工藝人員的要求。

    (3)形成工藝規(guī)范。結(jié)合仿真、試切以及實(shí)際生產(chǎn)中積累的工藝經(jīng)驗(yàn)，形成適用于車銑復(fù)合加工的固化的工藝規(guī)范，用以指導(dǎo)后續(xù)其他零件的加工。

    (4)注重人才的培養(yǎng)。復(fù)合加工設(shè)備是目前機(jī)械加工領(lǐng)域的前沿技術(shù)的代表，無論是工藝編制還是操作維護(hù)都要比常規(guī)設(shè)備復(fù)雜，高水平的研發(fā)隊(duì)伍是實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康、高效運(yùn)行的關(guān)鍵。