隨著航空制造技術(shù)的發(fā)展，新一代飛機(jī)發(fā)動機(jī)的機(jī)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(jī)發(fā)動機(jī)f119推重比達(dá)到10的量級，具有超聲速巡航、隱身、高機(jī)動性、良好的敏捷性和可靠性等特點(diǎn)。高性能飛機(jī)發(fā)動機(jī)大量采用了整體、薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)及難加工材料零件，復(fù)雜整體薄壁結(jié)構(gòu)的采用，減輕了發(fā)動機(jī)零部件的重量，有利于提高發(fā)動機(jī)推重比，但同時也增加了加工難度。航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)薄壁機(jī)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(kuò)、鏜、鉸的加工，在薄壁機(jī)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(yán)重影響了機(jī)匣的加工質(zhì)量和效率。自1952年世界*臺數(shù)控機(jī)床在美國誕生以來，數(shù)控機(jī)床的種類越來越多、功能越來越強(qiáng)，多功能、復(fù)合加工中心在航空制造業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，解決了航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)、難加工材料零件加工的難題。德馬吉五坐標(biāo)銑車復(fù)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(jī)匣件多工序復(fù)合加工，避免薄壁機(jī)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(jī)機(jī)匣加工領(lǐng)域，國外對銑車復(fù)合加工技術(shù)進(jìn)行了大范圍的應(yīng)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(jìn)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(biāo)銑車復(fù)合加工中心設(shè)備，也沒有銑車復(fù)合加工技術(shù)在國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣件應(yīng)用的成熟案例，某些進(jìn)口的復(fù)合加工中心設(shè)備功能沒有得到充分發(fā)揮，個別進(jìn)口五坐標(biāo)銑車復(fù)合加工中心被當(dāng)作五坐標(biāo)加工中心或數(shù)控立車使用。本文以德馬吉五坐標(biāo)銑車復(fù)合加工中心和整體環(huán)形薄壁機(jī)匣為載體，介紹了銑車復(fù)合加工技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)薄壁機(jī)匣加工中的應(yīng)用，主要包括：德馬吉五坐標(biāo)銑車復(fù)合加工中心介紹、整體環(huán)形薄壁機(jī)匣工藝分析、銑車復(fù)合加工技術(shù)的工藝路線的規(guī)劃、銑車復(fù)合加工數(shù)控程序的編制及虛擬仿真加工驗(yàn)證過程等內(nèi)容。
整體環(huán)形薄壁機(jī)匣加工工藝分析
1零件結(jié)構(gòu)
外機(jī)匣是飛機(jī)發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)殼體的組成部分，屬于典型的整體薄壁環(huán)形機(jī)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(jī)匣前后和徑向表面分布著安裝邊和徑向孔，該機(jī)匣的結(jié)構(gòu)*符合銑車復(fù)合加工技術(shù)的要求。零件的主要尺寸是，zui大外徑φ468.1mm，zui小內(nèi)徑φ433.4mm，高度69.75mm，zui小壁厚（1+0.2）mm，端面平面度0.03mm，端面及徑向孔zui小的位置度φ0.03mm，見圖1。
2零件材料
根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)要求硬度為hb311~352，其強(qiáng)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(diǎn)分析
外機(jī)匣zui小壁厚僅1mm，端面孔相對于端面及止口的位置度僅為φ0.03mm，屬于典型的整體環(huán)形薄壁機(jī)匣，該零件的加工難點(diǎn)在于如何保證設(shè)計(jì)圖要求的φ0.03mm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(jī)匣銑車復(fù)合加工工藝方案
1總體方案
外機(jī)匣工藝分析發(fā)現(xiàn)，由于該機(jī)匣壁厚較薄，屬于典型的整體環(huán)形機(jī)匣，在車加工后會產(chǎn)生一定程度的變形，通常機(jī)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(fù)合技術(shù)的加工理念是“一次裝夾，加工，完成零件所有表面及孔加工”，即在1臺機(jī)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(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，制定了外機(jī)匣銑車復(fù)合加工方案，使端面孔與端面基準(zhǔn)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(fù)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(fù)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(zhǔn)—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(biāo)印—83中間檢驗(yàn)—85清洗—90熒光檢查—95清洗—100zui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(shí)現(xiàn)在銑車加工中心進(jìn)行粗加工，出于機(jī)床精度考慮，粗加工也不能在銑車設(shè)備上進(jìn)行。從30工序開始，其余的機(jī)加工序全都在銑車加工中心進(jìn)行，共7次周轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)零件粗銑、半精加工、精加工。
實(shí)施過程
1銑車復(fù)合加工設(shè)備的選擇
外機(jī)匣加工設(shè)備選用了德馬吉五坐標(biāo)銑車復(fù)合加工中心，該機(jī)床采用45°角的電主軸頭，直線電機(jī)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(yīng)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(yīng)具有高精度、、高可靠性，同時具有以太網(wǎng)接口，可與計(jì)算機(jī)及其他設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工程序、各種工藝參數(shù)和機(jī)床狀態(tài)信息的傳輸，能適應(yīng)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(kuò)、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(qiáng)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(diǎn)，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(jī)床主要技術(shù)參數(shù)如下：軸行程：≥1250mm；y軸行程：≥1000mm；z軸行程：≥1000mm；工作臺尺寸：≥φ1250mm；zui大車削直徑：≥φ1400mm；工作臺承重：≥2000kg。c軸（工作臺）回轉(zhuǎn)范圍：≥±360°，定位精度：≤7′，重復(fù)定位精度：≤4′。工作臺銑削zui高轉(zhuǎn)速：≥20r/min，車削zui高轉(zhuǎn)速：≥500r/min，zui大回轉(zhuǎn)扭矩（s1）：≥5400n•m，車削zui大功率（s1）：≥35kw。
2銑車工藝的夾具設(shè)計(jì)
銑車復(fù)合加工技術(shù)要實(shí)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(fù)合加工技術(shù)特點(diǎn)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(fù)合加工需設(shè)計(jì)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(jī)匣銑車復(fù)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(shí)現(xiàn)內(nèi)外型面一次裝夾、車銑復(fù)合一體化加工。
3銑車復(fù)合加工刀具的選擇
德馬吉五坐標(biāo)銑車復(fù)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(jī)匣加工中采用了伊斯卡模塊結(jié)構(gòu)機(jī)夾刀具（如圖4所示），結(jié)合德馬吉五坐標(biāo)銑車復(fù)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(shí)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(fù)合程序的編制
根據(jù)銑車復(fù)合加工中心數(shù)控編程的特點(diǎn)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(biāo)加工中心的平衡功能，在機(jī)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(fù)合加工后置處理開發(fā)，應(yīng)用西門子840d語言指令和機(jī)床*功能，例如，traori（1）、cycle800、cycle81-cycle86、極坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)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(fù)合加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車、銑、鉆、鏜多工序合并加工。在車銑復(fù)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(zhǔn)面留余量，在所有尺寸加工完成后，測量基準(zhǔn)面技術(shù)條件，再修基準(zhǔn)面；在所有車、銑加工完成后，進(jìn)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(zhǔn)面留0.1mm余量）—精銑外型—精車基準(zhǔn)面—鉆鏜徑向孔及銑螺紋—鉆鏜端面孔。
5銑車復(fù)合過程在線測量
德馬吉五坐標(biāo)銑車復(fù)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(jī)匣銑車復(fù)合加工過程中，應(yīng)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(biāo)系，實(shí)現(xiàn)了在線測量、銑車復(fù)合一體化加工（如圖5所示）。外機(jī)匣在線測量自動找正程序如下：
cycle800
trafoof
dm_mill
t999
m6
…
;______單點(diǎn)測量z軸零點(diǎn)位
置，設(shè)定坐標(biāo)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(diǎn)測量z軸零點(diǎn)位置，
設(shè)定坐標(biāo)框架g54中_________
g0x0y0
z-2
;____單點(diǎn)測量x、y軸零點(diǎn)位
置，設(shè)定坐標(biāo)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(diǎn)測量x、y軸零點(diǎn)位
置，設(shè)定坐標(biāo)框架g54中_________
m28
g0z500
m02
6銑車復(fù)合程序的仿真與驗(yàn)證
vericut是一種功能強(qiáng)大的加工仿真軟件，通過仿真可對數(shù)控程序進(jìn)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(yàn)證數(shù)控加工程序的正確性、合理性。尤其是在進(jìn)行新件研制的過程中，它可以通過加工仿真來驗(yàn)證程序是否正確，這樣既可以節(jié)省昂貴的試件費(fèi)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(yàn)證銑車程序編制的準(zhǔn)確性，采用vericut7.0軟件構(gòu)建了dmu125fd銑車五坐標(biāo)加工中心仿真環(huán)境，完成了外機(jī)匣銑車復(fù)合加工程序的虛擬仿真加工驗(yàn)證，保證了程序的正確性，仿真機(jī)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(zhǔn)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(jìn)度；
（2）某些尺寸實(shí)際值接近理論極限值，若不控制，可能導(dǎo)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(xì)化；
（4）刀具消耗過大。
通過現(xiàn)場的試驗(yàn)件與真實(shí)零件的加工，根據(jù)精益工程理念的應(yīng)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(xiàng)指標(biāo)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(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，驗(yàn)證了銑車復(fù)合加工技術(shù)有利于提高航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣加工效率，節(jié)省工裝夾具，降低加工成本，避免薄壁機(jī)匣變形帶來的二次裝夾找正誤差，保證薄壁機(jī)匣加工質(zhì)量。
結(jié)論
通過銑車復(fù)合加工技術(shù)在航空薄壁機(jī)匣加工中的應(yīng)用，更進(jìn)一步認(rèn)識到銑車復(fù)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(fù)合自動換刀加工、銑車復(fù)合虛擬仿真加工等加工技術(shù)，形成了整體環(huán)形薄壁機(jī)匣銑車復(fù)合加工典型工藝路線。采用銑車復(fù)合加工技術(shù)進(jìn)行工藝改進(jìn)，充分地發(fā)揮機(jī)床的功能，縮短了工藝路線，采用在線測量、車銑復(fù)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。