航空制造車銑復合加工應用研發進展

■ 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

航空產品零件突出表現為多品種、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、精密器械及高精醫療設備等行業有著舉足輕重的影響力。

1. 航空制造車銑復合加工應用現狀

目前，車銑復合聯動數控加工中心及系統是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發電機轉子、汽輪機轉子及大型柴油機曲軸等加工最高效的手段。車銑復合聯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），確保了其穩定的加工精度，搭載Collision Avoidance System（防撞擊系統）實現了放心操作。通過車銑復合實現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，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、兩頂尖最大加工質量在8 000kg以上的細長、復雜等大型工件，在設備的參數和結構上下功夫。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動機及燃氣輪機核心關鍵部件。

圖2 發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，是專業生產多功能車－鏜－銑加工中心的生產廠家，一直致力于針對用戶特殊需求的技術開發和不斷的技術完善，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等高精度復雜零件，特別是具有深孔、內孔及內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的機床的統稱。這種車銑復合加工中心是在三軸車削中心基礎上發展起來的，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

與常規數控加工工藝相比，復合加工具有的突出優勢主要表現在：①縮短產品制造工藝鏈，提高生產效率。車銑復合機床加工可以實現一次裝夾完成全部或者大部分加工工序，從而大幅縮短產品制造工藝鏈。一方面減少了由于裝夾改變導致的生產輔助時間，同時也減少了工裝夾具制造周期和等待時間，能夠顯著提高生產效率。②減少裝夾次數，提高加工精度。裝夾次數的減少避免了由于定位基準轉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，可以實現制造過程關鍵數據的在線檢測和精度控制，從而提高產品的加工精度。③減少占地面積，降低生產成本。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品所需設備的減少，以及工裝夾具數量、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的投資，以及生產運作和管理的成本。

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品是MAZAK第5代復合加工機的代表，實現了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品

圖7 MAZAK車銑復合加工整體傳動軸

如今，INTEGREX i-V系列產品能夠成為智能網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在內軟件系統的不斷革新性研發的思維，使得機械主體與軟件相輔相成，發揮出了“相乘”效應，切實地為用戶創造了價值。在自動化應用方面，該系列產品便于用戶根據生產需求，隨時增加托盤生產單元模塊，組成自動化生產系統，還方便同類機型拓展成生產線，甚至可以與其他類別機型組成混合式生產線，助力用戶實現更高產的目標。

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控機床裝備在我國飛機、航空航天發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。

航空航天產品制造過程中面臨的主要問題突出表現為工藝路線長、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動機制造領域都有著極為廣闊的發展空間。如飛機機身整體框的銑削加工通常要經過下料/毛坯制備、基準加工、粗加工內形、粗加工外形、精修基準、半精和精加工內形、半精和精加工外形、孔加工、鉗工修整及檢測等數十個工序、多次翻轉裝夾才能完成。而目前航空航天發動機領域的整體葉盤加工也是采用整體鍛造毛坯，經過車削、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品的制造效率和質量，迫切需要開展以下四方面的工作：①結合航空航天產品零件的工藝特點，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、冷卻及切削參數等的合理選取。②根據復合加工設備的運動結構和產品的工藝特點，開發和定制相應的數控編程、后置處理、切削仿真等系統，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形成工藝規范。結合仿真、試切及實際生產中積累的工藝經驗，形成適用于車銑復合加工的固化的工藝規范，用以指導后續其他零件的加工。④注重人才的培養。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設備復雜，高水平的研發隊伍是實現設備健康、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展。航空航天產品制造領域一直是先進制造技術發揮作用的重要舞臺，隨著航空航天產品更新換代速度的日益加快，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展和應用空間，同時也是發展國產高檔數控機床尤其是車銑復合加工機床的恰好時機。