隨著航空制造技術(shù)的發(fā)展，新一代飛機發(fā)動機的機動性、靈敏性、可靠性大幅提高，美國已經(jīng)投入使用的第四代飛機發(fā)動機F119 推重比達到10 的量級，具有超聲速巡航、隱身、高機動性、良好的敏捷性和可靠性等特點。高性能飛機發(fā)動機大量采用了整體、薄壁復雜結(jié)構(gòu)及難加工材料零件，復雜整體薄壁結(jié)構(gòu)的采用，減輕了發(fā)動機零部件的重量，有利于提高發(fā)動機推重比，但同時也增加了加工難度。航空發(fā)動機復雜結(jié)構(gòu)薄壁機匣外型面及安裝座需要五軸聯(lián)動銑削加工、內(nèi)腔表面及前后安裝邊需要數(shù)控車削加工，前后安裝邊上的定位孔、連接孔需要鉆、擴、鏜、鉸的加工，在薄壁機匣加工及不同工序的周轉(zhuǎn)過程中存在變形現(xiàn)象，因此造成后續(xù)加工工序裝夾、找正困難，嚴重影響了機匣的加工質(zhì)量和效率。自1952 年世界第一臺數(shù)控機床在美國誕生以來，數(shù)控機床的種類越來越多、功能越來越強，多功能、復合加工中心在航空制造業(yè)得到了廣泛的應用，解決了航空復雜結(jié)構(gòu)、難加工材料零件加工的難題。德馬吉五坐標銑車復合加工中心具有鉆、鏜、銑、車等功能，配置了40 刀位的刀庫，具備自動換刀加工功能，并配置了雷尼紹紅外測頭和在線測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)機匣件多工序復合加工，避免薄壁機匣加工過程二次裝夾、找正帶來的誤差，提高加工自動化程度。

　　近些年，在航空發(fā)動機機匣加工領(lǐng)域，國外對銑車復合加工技術(shù)進行了大范圍的應用，大大地提高了生產(chǎn)效率，減少了加工工藝流程，縮短了加工周期，節(jié)省了引進其他設(shè)備廠地，降低了不同設(shè)備等待和撞車的幾率，同時還提高了零件加工質(zhì)量，保證銑、車、鉆孔的一致性，刀具的成本也隨之降低。國內(nèi)尚無國產(chǎn)五坐標銑車復合加工中心設(shè)備，也沒有銑車復合加工技術(shù)在國內(nèi)航空發(fā)動機機匣件應用的成熟案例，某些進口的高端復合加工中心設(shè)備功能沒有得到充分發(fā)揮，個別進口五坐標銑車復合加工中心被當作五坐標加工中心或數(shù)控立車使用。本文以德馬吉五坐標銑車復合加工中心和整體環(huán)形薄壁機匣為載體，介紹了銑車復合加工技術(shù)在航空發(fā)動機薄壁機匣加工中的應用，主要包括：德馬吉五坐標銑車復合加工中心介紹、整體環(huán)形薄壁機匣工藝分析、銑車復合加工技術(shù)的工藝路線的規(guī)劃、銑車復合加工數(shù)控程序的編制及虛擬仿真加工驗證過程等內(nèi)容。

　　整體環(huán)形薄壁機匣加工工藝分析

　　1 零件結(jié)構(gòu)

　　外機匣是飛機發(fā)動機高壓壓氣機殼體的組成部分，屬于典型的整體薄壁環(huán)形機匣。它的內(nèi)表面為回轉(zhuǎn)體，由車加工完成;外表面有不等均布的凸臺島嶼，由銑加工完成;該機匣前后和徑向表面分布著安裝邊和徑向孔，該機匣的結(jié)構(gòu)完全符合銑車復合加工技術(shù)的要求。零件的主要尺寸是，最大外徑φ 468.1mm，最小內(nèi)徑φ 433.4mm，高度69.75mm，最小壁厚(1+0.2)mm，端面平面度0.03mm，端面及徑向孔最小的位置度φ 0.03mm，見圖1。

　　2 零件材料

　　根據(jù)設(shè)計圖紙的要求，材料的牌號為1Cr11Ni2W2MoV，該材料屬于奧氏體的不銹鋼，設(shè)計要求硬度為HB311~352，其強度可以根據(jù)工藝熱處理予以調(diào)整，但耐熱性和抗腐蝕疲勞優(yōu)于其他不銹鋼。

　　3 加工難點分析

　　外機匣最小壁厚僅1mm，端面孔相對于端面及止口的位置度僅為φ 0.03mm，屬于典型的整體環(huán)形薄壁機匣，該零件的加工難點在于如何保證設(shè)計圖要求的φ 0.03mm 位置度，如果零件加工后產(chǎn)生變形，零件端面及止口跳動超過0.015mm，通過二次裝夾找正加工的定位孔位置度難以保證。

　　整體環(huán)形機匣銑車復合加工工藝方案

　　1 總體方案

　　外機匣工藝分析發(fā)現(xiàn)，由于該機匣壁厚較薄，屬于典型的整體環(huán)形機匣，在車加工后會產(chǎn)生一定程度的變形，通常機匣件車加工后，再安排前后安裝邊及徑向安裝座孔的加工，這樣會造成零件二次裝夾找正的困難，二次裝夾找正的誤差會影響精密定位孔加工的位置度，很難保證加工質(zhì)量。

　　銑車復合技術(shù)的加工理念是“一次裝夾，高效加工，完成零件所有表面及孔加工”，即在1 臺機床上完成1 個零件上內(nèi)表面車加工和外表面銑加工及零件表面上孔加工，可保證零件高精度裝配的要求。因此，針對該整體薄壁環(huán)形機匣結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求，制定了外機匣銑車復合加工方案，使端面孔與端面基準及止口表面通過一道工序、一次裝夾找正完成加工，避免二次裝夾找正產(chǎn)生的誤差，縮短工藝路線，提高加工效率，保證加工質(zhì)量。

　　2 銑車復合加工工藝路線

　　銑車加工工藝的編制原則：盡量在一次裝夾下完成零件多個方向工位的加工。按照上述的銑車復合工藝編制方法與原則, 將該零件的工藝路線定為：0 毛料圖表— 5 車超聲波一面— 10 車超聲波另一面— 15超聲波檢查— 20 粗車后端— 25 粗車前端— 30 鉆鏜前端角向孔— 35粗銑凸臺— 40 去毛刺— 45 穩(wěn)定處理— 50 修前端基準— 55 半精車后端— 60 半精車前端及精鏜角向孔—65 精車后端、銑凸臺及鉆鏜端面孔— 70 精車前端及鉆鏜端面孔— 75去毛刺及鉗修表面— 80 標印— 83中間檢驗—85 清洗—90 熒光檢查—95 清洗— 100 最終檢查。

　　從工藝路線上來看，該零件的粗加工是在數(shù)控立車上加工，考慮到銑車工作臺上沒有四爪卡盤的定位槽，不能實現(xiàn)在銑車加工中心進行粗加工，出于機床精度考慮，粗加工也不能在銑車設(shè)備上進行。從30 工序開始，其余的機加工序全都在銑車加工中心進行，共7 次周轉(zhuǎn)實現(xiàn)零件粗銑、半精加工、精加工。

　　實施過程

　　1 銑車復合加工設(shè)備的選擇

　　外機匣加工設(shè)備選用了德馬吉五坐標銑車復合加工中心，該機床采用45°角的電主軸頭，直線電機驅(qū)動，伺服驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行元件精度高、可靠性好、響應速度快，有足夠的靜態(tài)、動態(tài)剛度，保證系統(tǒng)具有良好的動態(tài)品質(zhì)及熱穩(wěn)定性。該設(shè)備應具有高精度、高效、高可靠性，同時具有以太網(wǎng)接口，可與計算機及其他設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)控加工程序、各種工藝參數(shù)和機床狀態(tài)信息的傳輸，能適應高溫合金、鈦合金等難加工材料的加工，能在一次裝夾下完成銑、車、鉆、擴、鉸、鏜、等多種加工，可用于航空零件上的精密定位孔以及外表面的半精加工和精加工。該設(shè)備銑加工功能強大，配備SHOPMILL銑加工功能軟件，工作臺能夠?qū)崿F(xiàn)動平衡及分析平衡作用點，輔助車削功能，具有在線檢測功能，能夠?qū)崿F(xiàn)車、銑加工在線仿真，該機床主要技術(shù)參數(shù)如下：軸行程： ≥ 1250mm;Y 軸行程： ≥ 1000 mm;Z 軸行程： ≥ 1000 mm;工作臺尺寸： ≥φ 1250mm;最大車削直徑： ≥φ 1400mm;工作臺承重： ≥ 2000 kg。C 軸(工作臺)回轉(zhuǎn)范圍： ≥±360°，定位精度：≤ 7″，重復定位精度：≤ 4″。工作臺銑削最高轉(zhuǎn)速：≥ 20r/min，車削最高轉(zhuǎn)速：≥ 500r/min，最大回轉(zhuǎn)扭矩(S1)： ≥ 5400N?m，車削最大功率(S1)： ≥ 35kW。

　　2 銑車工藝的夾具設(shè)計

　　銑車復合加工技術(shù)要實現(xiàn)一次裝夾完成大部分尺寸的加工，工裝夾具啟到至關(guān)重要的作用，否則就得多次裝夾，勢必降低加工效率。銑車復合加工技術(shù)特點是內(nèi)表面一般采用車削加工，外表面包括車削和鏜銑加工，端面或徑向孔采用鉆、鏜、鉸加工。因此銑車復合加工需設(shè)計一種夾具，內(nèi)外都可以定位和夾緊的結(jié)構(gòu)，同時可以快速拆卸。外機匣銑車復合加工夾具采用了內(nèi)外壓板結(jié)構(gòu)(如圖所示)，通過倒壓板的方式實現(xiàn)內(nèi)外型面一次裝夾、車銑復合一體化加工。

　　3 銑車復合加工刀具的選擇

　　德馬吉五坐標銑車復合加工中心配置了40 把刀位的ATC 刀庫，主軸錐孔規(guī)格為HSK-A100，為了充分發(fā)揮加工中心自動換刀功能，外機匣加工中采用了伊斯卡模塊結(jié)構(gòu)機夾刀具(如圖4 所示)，結(jié)合德馬吉五坐標銑車復合加工中心主軸頭的旋轉(zhuǎn)功能，改變車刀的方位姿態(tài)，實現(xiàn)了一把刀具加工內(nèi)外表面不同位置，節(jié)省了刀具數(shù)量，降低了刀具成本。

　　4 銑車復合程序的編制

　　根據(jù)銑車復合加工中心數(shù)控編程的特點分為銑加工和車加工兩種模式，銑加工模式為DM_MILL，車加工模式為DM_TURN。在編制五軸聯(lián)動銑加工程序時，需要激活五軸加工刀尖跟蹤功能，數(shù)控加工路徑前瞻功能G64 和加工軸同步協(xié)調(diào)功能FGROUP。在編制數(shù)控車加工程序時，需要使用德馬吉五坐標加工中心的平衡功能，在機床屏幕指示的配重位置，按系統(tǒng)提示的重量配置相同重量的配重塊，保證車削系統(tǒng)平衡。

　　在編制銑車程序過程中，通過西門子系統(tǒng)銑車復合加工后置處理開發(fā)，應用西門子840D 高級語言指令和機床特有功能，例如，TRAORI (1)、CYCLE800、CYCLE81-CYCLE86、極坐標，實現(xiàn)了機床車、銑、鉆、鏜、攻絲等多種方式集中于一體的加工。

　　采用銑車復合加工技術(shù)，實現(xiàn)了車、銑、鉆、鏜多工序合并加工。在車銑復合加工過程中，需保證整體剛性足夠的條件下，去除余量不均勻部位，使銑、車余量一致;根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和剛性，選擇銑加工保證壁厚還是車加工保證壁厚;基準面留余量，在所有尺寸加工完成后，測量基準面技術(shù)條件，再修基準面;在所有車、銑加工完成后，進行鉆鏜孔、攻絲。

　　針對該零件，安排數(shù)控工藝的路線是：粗銑外型(留0.3mm 余量)—粗車內(nèi)外表面(留0.3mm 余量)—精車內(nèi)外表面(基準面留0.1mm 余量)—精銑外型—精車基準面—鉆鏜徑向孔及銑螺紋—鉆鏜端面孔。

　　5 銑車復合過程在線測量

　　德馬吉五坐標銑車復合加工中心配置了雷尼紹測頭和紅外線接收裝置，具有在線測量功能。在外機匣銑車復合加工過程中，應用了在線測量功能，使用雷尼紹測頭完成了零件自動找正，自動設(shè)置加工坐標系，實現(xiàn)了在線測量、銑車復合一體化加工(如圖5 所示)。外機匣在線測量自動找正程序如下：

　　CYCLE800

　　TRAFOOF

　　DM_MILL

　　T999

　　M6

　　…

　　;______ 單點測量Z 軸零點位

　　置，設(shè)定坐標框架G54 中_______

　　_TUL=1 _TLL=-1

　　_PRNUM=1 _NMSP=1 _VMS=0

　　_TSA=20 _FA=15 _KNUM=1

　　_MVAR=100 _MA=3

　　_SETVAL=0

　　CYCLE978

　　G54

　　;____ 單點測量Z 軸零點位置，

　　設(shè)定坐標框架G54 中_________

　　G0 X0 Y0

　　Z-2

　　;____ 單點測量X 、Y 軸零點位

　　置，設(shè)定坐標框架G54 中_________

　　_TUL=1 _TLL=-1

　　_PRNUM=1 _NMSP=1 _VMS=0

　　_TSA=20 _FA=15 _KNUM=1

　　_MVAR=101 _MA=3

　　_SETVAL=433 _STA1=0

　　_INCA=90 _CPA=0 _CPO=0

　　_KNUM=1

　　CYCLE979

　　G54

　　;____ 單點測量X 、Y 軸零點位

　　置，設(shè)定坐標框架G54 中_________

　　M28

　　G0 Z500

　　M02

　　6 銑車復合程序的仿真與驗證

　　VERICUT 是一種功能強大的加工仿真軟件，通過仿真可對數(shù)控程序進行分析，能夠發(fā)現(xiàn)在加工中是否存在過切、殘留等現(xiàn)象，防止干涉、碰撞現(xiàn)象發(fā)生，驗證數(shù)控加工程序的正確性、合理性。尤其是在進行新件研制的過程中，它可以通過加工仿真來驗證程序是否正確，這樣既可以節(jié)省昂貴的試件費用，又可以節(jié)省不必要的加工時間，對新件研制發(fā)揮著非常重要的作用。為了驗證銑車程序編制的準確性，采用VERICUT7.0 軟件構(gòu)建了DMU125FD 銑車五坐標加工中心仿真環(huán)境，完成了外機匣銑車復合加工程序的虛擬仿真加工驗證，保證了程序的正確性，仿真機床結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

　　結(jié)果分析

　　常規(guī)方法路線存在的問題：

　　(1) 車、銑、鉆、鏜工序過于分散，生產(chǎn)準備時間和工序間周轉(zhuǎn)的等待時間長，占用多臺加工設(shè)備，影響加工效率和交付進度;

　　(2) 某些尺寸實際值接近理論極限值，若不控制，可能導致部分尺寸超差;

　　(3) 數(shù)控程序和加工參數(shù)有待優(yōu)化和細化;

　　(4) 刀具消耗過大。

　　通過現(xiàn)場的試驗件與真實零件的加工，根據(jù)精益工程理念的應用，采用工序數(shù)量、加工周期、質(zhì)量狀態(tài)和加工成本等多項指標來分析新技術(shù)方法帶來的效益，數(shù)據(jù)分析對比見表1。

　　通過試驗數(shù)據(jù)的對比分析，驗證了銑車復合加工技術(shù)有利于提高航空發(fā)動機機匣加工效率，節(jié)省工裝夾具，降低加工成本，避免薄壁機匣變形帶來的二次裝夾找正誤差，保證薄壁機匣加工質(zhì)量。

　　結(jié)論

　　通過銑車復合加工技術(shù)在航空薄壁機匣加工中的應用，更進一步認識到銑車復合加工中心設(shè)備功能的重要性，掌握了在線測量自動找正、銑車復合自動換刀加工、銑車復合虛擬仿真加工等加工技術(shù)，形成了整體環(huán)形薄壁機匣銑車復合加工典型工藝路線。采用銑車復合加工技術(shù)進行工藝改進，充分地發(fā)揮機床的功能，縮短了工藝路線，采用在線測量、車銑復合、虛擬仿真等加工技術(shù)，保證了加工過程的可靠性，能夠大幅提高加工效率、降低加工成本，保證加工質(zhì)量。