航空制造车铣复合加工应用研发进展

■ 湖北三江航天红阳机电有限公司 （湖北孝感 432000） 王华侨 明先承 张 颖 张守明赵华军 张 海 付忠奎 石章靖

王华侨

航空产品零件突出表现为多品种、小批量、工艺过程复杂，并且广泛采用整体薄壁结构和难加工材料，因此制造过程中普遍存在制造周期长、材料切除量大、加工效率低及加工变形严重等瓶颈。为了提高航空复杂产品的加工效率和加工精度，工艺人员一直在寻求更为精密的加工工艺方法。车铣复合机床加工设备的出现为提高航空零件的加工精度和效率提供了一种有效解决方案。

车铣复合加工中心（Turning-Milling-Compound-Machining-Center）是在一台机床上集约了包括车床、铣床一并加工的场所。车铣复合加工中心的出现为提高航空零件的加工精度和效率提供了一种有效的解决方案，对一个国家的航空航天、军事、科研、精密器械及高精医疗设备等行业有着举足轻重的影响力。

1. 航空制造车铣复合加工应用现状

目前，车铣复合联动数控加工中心及系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子及大型柴油机曲轴等加工最高效的手段。车铣复合联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成复杂的加工，能够适应如汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。

车铣复合加工中心和五面体加工中心有很大区别。车铣复合加工中心有x、y、z、a、c五个轴，x、y、z轴和a、c轴形成车铣复合联动加工，擅长空间曲面加工、异形加工、镂空加工、打孔、斜孔及斜切等。而“五面体加工中心”则是类似于三轴加工中心，只是其可以同时做五个面，但是无法做异形加工、打斜孔及切割斜面等。典型案例如大隈车铣复合系列拳头产品MULTUS B300Ⅱ（见图1），一直受到非常高的评价，该装备采用Thermo-Friendly Concept（热亲和概念），确保了其稳定的加工精度，搭载Collision Avoidance System（防撞击系统）实现了放心操作。通过车铣复合实现从毛坯到成品一次装夹完成全部车、铣、钻、攻螺纹及深镗孔等多种工序的集成粗精加工。

图1 大隈MUlTUS B300Ⅱ车铣复合加工

机床复合化是机床发展的重要方向之一。复合机床又包括车铣复合、车铣磨复合、铣磨复合、切削与3D打印复合、切削与超声振动复合、激光与冲压复合等多种多样的形式，复合的目的就是让一台机床具有多功能性，可一次装夹完成多任务，提高加工效率和精度。复合机床中，车铣复合机床最多见，也是使用最多的复合机床种类。欧洲是世界机床领先的地区，复合机床同样走在世界前列。当前车铣复合加工中心主要设备提供商有奥地利WFL、巨浪（Chiron）、德马吉（DMG MORI）等国际知名品牌。

为此，许多国外公司除能满足用户所需的精度要求外，并能加工到最大车削直径在1 500mm、两顶尖最大加工质量在8 000kg以上的细长、复杂等大型工件，在设备的参数和结构上下功夫。这些具有代表性的机床制造公司有德国WOHLENBERG（沃伦贝格机床制造有限公司）、德国SIMMONS（西蒙斯公司）和奥地利WFL公司及西班牙BOST公司等。他们都充分地应用了复合车铣加工中心先进的加工理念和加工方法，并且都共同具有先进的模块化结构设计和多轴设计理论，在软件上应用了世界上目前较先进的随动加工技术。图2、图3为采用大型车铣复合加工中心完成的航空发动机及燃气轮机核心关键部件。

图2 发动机传动轴车铣复合加工

图3 燃气轮机核心部件车铣复合加工

2. 航空制造车铣复合加工典型应用

（1）飞机起落架车铣复合加工 奥地利WFL公司作为车铣技术的领导者，是专业生产多功能车－镗－铣加工中心的生产厂家，一直致力于针对用户特殊需求的技术开发和不断的技术完善，为航空航天、石油机械、船用曲轴、印刷机械、塑料机械及风电行业等高精度复杂零件，特别是具有深孔、内孔及内腔复杂形状零件的加工提供更加柔性及有效的解决方案，带来加工方法和工艺技术的革命。在众多高科技公司中，“MILLTURN”品牌代表的是生产高精度复杂零部件的机床，图4为采用WFL M80 MillTURN车铣复合加工飞机起落架的工艺过程示意，包含起落架上的齿轮加工等。

（2）核心传动轴车铣复合加工 五轴车铣中心是五轴车铣技术的载体，是指一种以车削功能为主，并集成了铣削和镗削等功能，至少具有三个直线进给轴和两个圆周进给轴，且配有自动换刀系统的机床的统称。这种车铣复合加工中心是在三轴车削中心基础上发展起来的，相当于一台车削中心和一台加工中心的复合。因此可以在一台车铣中心上，经过一次装夹，完成全部车、铣、钻、镗、攻螺纹等加工，其工艺范围之广和能力之强，已成为当今复合加工机床的佼佼者。

图4 WFL M80 MillTURN车铣复合加工飞机起落架及起落架齿轮

与常规数控加工工艺相比，复合加工具有的突出优势主要表现在：①缩短产品制造工艺链，提高生产效率。车铣复合机床加工可以实现一次装夹完成全部或者大部分加工工序，从而大幅缩短产品制造工艺链。一方面减少了由于装夹改变导致的生产辅助时间，同时也减少了工装夹具制造周期和等待时间，能够显著提高生产效率。②减少装夹次数，提高加工精度。装夹次数的减少避免了由于定位基准转化而导致的误差积累。同时，目前的车铣复合机床加工设备大都具有在线检测功能，可以实现制造过程关键数据的在线检测和精度控制，从而提高产品的加工精度。③减少占地面积，降低生产成本。虽然车铣复合机床加工设备的单台价格比较高，但由于制造工艺链的缩短和产品所需设备的减少，以及工装夹具数量、车间占地面积和设备维护费用的减少，能够有效降低总体固定资产的投资，以及生产运作和管理的成本。

图5、图6为WFL车铣复合加工各种精密传动轴及典型复杂精密产品。

日本山崎马扎克M A Z A K INTEGREX i-V系列车铣复合加工中心，采用头部倾斜方式，是实现重型工件高精度加工的五轴机。型号为INTEGREX i-500V/5和INTEGREX i-630V/6车铣复合加工中心等系列产品是MAZAK第5代复合加工机的代表，实现了DONE IN ONE（一次装夹完成全部加工）理念，具有铣削、车削、滚齿、剐齿、B轴倾斜加工、五轴联动加工等工序集约能力，可高效率、高精度地应对重型、大型零件的复合加工。图7为MAZAK车铣复合加工航空领域整体传动轴类产品。

图5 WFL车铣复合加工复杂精密传动轴

图6 WFL车铣复合加工典型复杂精密产品

图7 MAZAK车铣复合加工整体传动轴

如今，INTEGREX i-V系列产品能够成为智能网络化工厂的核心设备，不仅在于其铣削功能与车削功能的简单“相加”，而是沿革了包括控制系统在内软件系统的不断革新性研发的思维，使得机械主体与软件相辅相成，发挥出了“相乘”效应，切实地为用户创造了价值。在自动化应用方面，该系列产品便于用户根据生产需求，随时增加托盘生产单元模块，组成自动化生产系统，还方便同类机型拓展成生产线，甚至可以与其他类别机型组成混合式生产线，助力用户实现更高产的目标。

3. 我国航空制造车铣复合加工应用展望

不同系列车铣复合加工中心高档数控机床装备在我国飞机、航空航天发动机及附件厂等航空航天制造厂家都有引进。设备类型主要集中于奥地利WFL公司的车铣复合系列产品、德国DMG公司系列车铣复合加工中心、HYPERTURN公司EMCO系列车铣复合加工中心及瑞士宝美公司车铣复合加工中心等。但由于投入实际应用的时间不长，普遍缺乏与产品工艺特点和设备工艺特性相适应的成熟的加工工艺、编程和后置处理等技术手段。因此，目前引进的车铣复合加工设备基本上处于相对较低的运行水平。

航空航天产品制造过程中面临的主要问题突出表现为工艺路线长、工艺过程复杂、加工效率低、加工变形严重、加工成本高等，车铣复合加工无论是在飞机制造还是在发动机制造领域都有着极为广阔的发展空间。如飞机机身整体框的铣削加工通常要经过下料/毛坯制备、基准加工、粗加工内形、粗加工外形、精修基准、半精和精加工内形、半精和精加工外形、孔加工、钳工修整及检测等数十个工序、多次翻转装夹才能完成。而目前航空航天发动机领域的整体叶盘加工也是采用整体锻造毛坯，经过车削、铣削、抛光、表面处理及强化、检测探伤等几十道工序才能完成。

这些零件往往制造周期长，占机时间通常达到几百个小时，而且加工过程中都需要使用多台不同类型的数控机床和大量的夹具、刀具及量具等。另外，装夹的反复更换不仅造成零件制造过程中的等待时间过长，影响生产周期，而且也会造成装夹误差的积累，从而影响零件的尺寸精度和加工结果。车铣复合加工可以通过一次装夹实现上述典型航空航天零件的全部或大部分工序的加工，从而为复杂航空航天零件的高效、精密加工提供一种新途径。

为了充分发挥先进的复合加工装备的加工效能，进一步提高航空航天产品的制造效率和质量，迫切需要开展以下四方面的工作：①结合航空航天产品零件的工艺特点，深入研究与之相适应的复合加工工艺，包括制定工艺路线，以及装夹方式、刀具、冷却及切削参数等的合理选取。②根据复合加工设备的运动结构和产品的工艺特点，开发和定制相应的数控编程、后置处理、切削仿真等系统，形成工艺－编程－后置－仿真的一体化解决方案，降低复合加工对工艺人员的要求。③形成工艺规范。结合仿真、试切及实际生产中积累的工艺经验，形成适用于车铣复合加工的固化的工艺规范，用以指导后续其他零件的加工。④注重人才的培养。复合加工设备是目前机械加工领域前沿技术的代表，无论是工艺编制还是操作维护都要比常规设备复杂，高水平的研发队伍是实现设备健康、高效运行的关键。

目前高档车铣复合加工装备正朝着更大工艺范围、更高效率、大型化及模块化的方向发展。航空航天产品制造领域一直是先进制造技术发挥作用的重要舞台，随着航空航天产品更新换代速度的日益加快，工序分散的加工设备将逐渐被工序集中的柔性自动化装备所取代，这为复合加工技术提供了更为广阔的发展和应用空间，同时也是发展国产高档数控机床尤其是车铣复合加工机床的恰好时机。