■ 湖北三江航天紅陽(yáng)機(jī)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(guò)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(guò)程中普遍存在制造周期長(zhǎng)、材料切除量大、加工效率低及加工變形嚴(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精密的加工工藝方法。車(chē)銑復(fù)合機(jī)床加工設(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。

車(chē)銑復(fù)合加工中心（Turning-Milling-Compound-Machining-Center）是在一臺(tái)機(jī)床上集約了包括車(chē)床、銑床一并加工的場(chǎng)所。車(chē)銑復(fù)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(duì)一個(gè)國(guó)家的航空航天、軍事、科研、精密器械及高精醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)有著舉足輕重的影響力。

1. 航空制造車(chē)銑復(fù)合加工應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，車(chē)銑復(fù)合聯(lián)動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子及大型柴油機(jī)曲軸等加工最高效的手段。車(chē)銑復(fù)合聯(lián)動(dòng)加工中心有高效率、高精度的特點(diǎn)，工件一次裝夾就可完成復(fù)雜的加工，能夠適應(yīng)如汽車(chē)零部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等現(xiàn)代模具的加工。

車(chē)銑復(fù)合加工中心和五面體加工中心有很大區(qū)別。車(chē)銑復(fù)合加工中心有x、y、z、a、c五個(gè)軸，x、y、z軸和a、c軸形成車(chē)銑復(fù)合聯(lián)動(dòng)加工，擅長(zhǎng)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(lèi)似于三軸加工中心，只是其可以同時(shí)做五個(gè)面，但是無(wú)法做異形加工、打斜孔及切割斜面等。典型案例如大隈車(chē)銑復(fù)合系列拳頭產(chǎn)品MULTUS B300Ⅱ（見(jiàn)圖1），一直受到非常高的評(píng)價(jià)，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(shí)現(xiàn)了放心操作。通過(guò)車(chē)銑復(fù)合實(shí)現(xiàn)從毛坯到成品一次裝夾完成全部車(chē)、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(chē)銑復(fù)合加工

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

為此，許多國(guó)外公司除能滿(mǎn)足用戶(hù)所需的精度要求外，并能加工到最大車(chē)削直徑在1 500mm、兩頂尖最大加工質(zhì)量在8 000kg以上的細(xì)長(zhǎng)、復(fù)雜等大型工件，在設(shè)備的參數(shù)和結(jié)構(gòu)上下功夫。這些具有代表性的機(jī)床制造公司有德國(guó)WOHLENBERG（沃倫貝格機(jī)床制造有限公司）、德國(guó)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(yīng)用了復(fù)合車(chē)銑加工中心先進(jìn)的加工理念和加工方法，并且都共同具有先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多軸設(shè)計(jì)理論，在軟件上應(yīng)用了世界上目前較先進(jìn)的隨動(dòng)加工技術(shù)。圖2、圖3為采用大型車(chē)銑復(fù)合加工中心完成的航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)核心關(guān)鍵部件。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸車(chē)銑復(fù)合加工

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)核心部件車(chē)銑復(fù)合加工

2. 航空制造車(chē)銑復(fù)合加工典型應(yīng)用

（1）飛機(jī)起落架車(chē)銑復(fù)合加工 奧地利WFL公司作為車(chē)銑技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，是專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)多功能車(chē)－鏜－銑加工中心的生產(chǎn)廠(chǎng)家，一直致力于針對(duì)用戶(hù)特殊需求的技術(shù)開(kāi)發(fā)和不斷的技術(shù)完善，為航空航天、石油機(jī)械、船用曲軸、印刷機(jī)械、塑料機(jī)械及風(fēng)電行業(yè)等高精度復(fù)雜零件，特別是具有深孔、內(nèi)孔及內(nèi)腔復(fù)雜形狀零件的加工提供更加柔性及有效的解決方案，帶來(lái)加工方法和工藝技術(shù)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(fù)雜零部件的機(jī)床，圖4為采用WFL M80 MillTURN車(chē)銑復(fù)合加工飛機(jī)起落架的工藝過(guò)程示意，包含起落架上的齒輪加工等。

（2）核心傳動(dòng)軸車(chē)銑復(fù)合加工 五軸車(chē)銑中心是五軸車(chē)銑技術(shù)的載體，是指一種以車(chē)削功能為主，并集成了銑削和鏜削等功能，至少具有三個(gè)直線(xiàn)進(jìn)給軸和兩個(gè)圓周進(jìn)給軸，且配有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的機(jī)床的統(tǒng)稱(chēng)。這種車(chē)銑復(fù)合加工中心是在三軸車(chē)削中心基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，相當(dāng)于一臺(tái)車(chē)削中心和一臺(tái)加工中心的復(fù)合。因此可以在一臺(tái)車(chē)銑中心上，經(jīng)過(guò)一次裝夾，完成全部車(chē)、銑、鉆、鏜、攻螺紋等加工，其工藝范圍之廣和能力之強(qiáng)，已成為當(dāng)今復(fù)合加工機(jī)床的佼佼者。

圖4 WFL M80 MillTURN車(chē)銑復(fù)合加工飛機(jī)起落架及起落架齒輪

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：①縮短產(chǎn)品制造工藝鏈，提高生產(chǎn)效率。車(chē)銑復(fù)合機(jī)床加工可以實(shí)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(dǎo)致的生產(chǎn)輔助時(shí)間，同時(shí)也減少了工裝夾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。裝夾次數(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(chē)銑復(fù)合機(jī)床加工設(shè)備大都具有在線(xiàn)檢測(cè)功能，可以實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程關(guān)鍵數(shù)據(jù)的在線(xiàn)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(chē)銑復(fù)合機(jī)床加工設(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(chē)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，以及生產(chǎn)運(yùn)作和管理的成本。

圖5、圖6為WFL車(chē)銑復(fù)合加工各種精密傳動(dòng)軸及典型復(fù)雜精密產(chǎn)品。

日本山崎馬扎克M A Z A K INTEGREX i-V系列車(chē)銑復(fù)合加工中心，采用頭部?jī)A斜方式，是實(shí)現(xiàn)重型工件高精度加工的五軸機(jī)。型號(hào)為INTEGREX i-500V/5和INTEGREX i-630V/6車(chē)銑復(fù)合加工中心等系列產(chǎn)品是MAZAK第5代復(fù)合加工機(jī)的代表，實(shí)現(xiàn)了DONE IN ONE（一次裝夾完成全部加工）理念，具有銑削、車(chē)削、滾齒、剮齒、B軸傾斜加工、五軸聯(lián)動(dòng)加工等工序集約能力，可高效率、高精度地應(yīng)對(duì)重型、大型零件的復(fù)合加工。圖7為MAZAK車(chē)銑復(fù)合加工航空領(lǐng)域整體傳動(dòng)軸類(lèi)產(chǎn)品。

圖5 WFL車(chē)銑復(fù)合加工復(fù)雜精密傳動(dòng)軸

圖6 WFL車(chē)銑復(fù)合加工典型復(fù)雜精密產(chǎn)品

圖7 MAZAK車(chē)銑復(fù)合加工整體傳動(dòng)軸

如今，INTEGREX i-V系列產(chǎn)品能夠成為智能網(wǎng)絡(luò)化工廠(chǎng)的核心設(shè)備，不僅在于其銑削功能與車(chē)削功能的簡(jiǎn)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(jī)械主體與軟件相輔相成，發(fā)揮出了“相乘”效應(yīng)，切實(shí)地為用戶(hù)創(chuàng)造了價(jià)值。在自動(dòng)化應(yīng)用方面，該系列產(chǎn)品便于用戶(hù)根據(jù)生產(chǎn)需求，隨時(shí)增加托盤(pán)生產(chǎn)單元模塊，組成自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，還方便同類(lèi)機(jī)型拓展成生產(chǎn)線(xiàn)，甚至可以與其他類(lèi)別機(jī)型組成混合式生產(chǎn)線(xiàn)，助力用戶(hù)實(shí)現(xiàn)更高產(chǎn)的目標(biāo)。

3. 我國(guó)航空制造車(chē)銑復(fù)合加工應(yīng)用展望

不同系列車(chē)銑復(fù)合加工中心高檔數(shù)控機(jī)床裝備在我國(guó)飛機(jī)、航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)及附件廠(chǎng)等航空航天制造廠(chǎng)家都有引進(jìn)。設(shè)備類(lèi)型主要集中于奧地利WFL公司的車(chē)銑復(fù)合系列產(chǎn)品、德國(guó)DMG公司系列車(chē)銑復(fù)合加工中心、HYPERTURN公司EMCO系列車(chē)銑復(fù)合加工中心及瑞士寶美公司車(chē)銑復(fù)合加工中心等。但由于投入實(shí)際應(yīng)用的時(shí)間不長(zhǎng)，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、編程和后置處理等技術(shù)手段。因此，目前引進(jìn)的車(chē)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。

航空航天產(chǎn)品制造過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題突出表現(xiàn)為工藝路線(xiàn)長(zhǎng)、工藝過(guò)程復(fù)雜、加工效率低、加工變形嚴(yán)重、加工成本高等，車(chē)銑復(fù)合加工無(wú)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(guò)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(cè)等數(shù)十個(gè)工序、多次翻轉(zhuǎn)裝夾才能完成。而目前航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的整體葉盤(pán)加工也是采用整體鍛造毛坯，經(jīng)過(guò)車(chē)削、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(zhǎng)，占機(jī)時(shí)間通常達(dá)到幾百個(gè)小時(shí)，而且加工過(guò)程中都需要使用多臺(tái)不同類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床和大量的夾具、刀具及量具等。另外，裝夾的反復(fù)更換不僅造成零件制造過(guò)程中的等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響生產(chǎn)周期，而且也會(huì)造成裝夾誤差的積累，從而影響零件的尺寸精度和加工結(jié)果。車(chē)銑復(fù)合加工可以通過(guò)一次裝夾實(shí)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(fù)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(jìn)的復(fù)合加工裝備的加工效能，進(jìn)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(kāi)展以下四方面的工作：①結(jié)合航空航天產(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(xiàn)，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(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(kāi)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、試切及實(shí)際生產(chǎn)中積累的工藝經(jīng)驗(yàn)，形成適用于車(chē)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)域前沿技術(shù)的代表，無(wú)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。

目前高檔車(chē)銑復(fù)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(lǐng)域一直是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)揮作用的重要舞臺(tái)，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(shè)備將逐漸被工序集中的柔性自動(dòng)化裝備所取代，這為復(fù)合加工技術(shù)提供了更為廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間，同時(shí)也是發(fā)展國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床尤其是車(chē)銑復(fù)合加工機(jī)床的恰好時(shí)機(jī)。