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中国航发哈尔滨东安发动机有限公司
黑龙江省哈尔滨市150066
摘要：复合加工技术在航空发动机制造领域广泛应用。解决了复杂结构零件、难加工材料加工难题，如：采用振动钻孔、振动攻丝解决了细长孔加工难题，采用振动光饰解决叶片表面抛光难题；采用镗铣、车铣复合多功能加工中心实现了多工序集中复合加工，减少了工序周转和辅助加工时间，减少了人为干预，提高了自动化加工水平，为加工过程全程序化控制奠定了基础，保证了零件加工质量的稳定性和可靠性。
关键词：航空发动机；零件复合加工技术；应用
航空发动机制造是一个国家制造业的典型代表。它集制造业的设计、工艺、材料、加工、质量控制等领域的高、精、尖技术为一体，具有承受载荷大、结构形状复杂、数量种类多、制造精度高、质量要求严、加工难度大等特点。复合加工技术主要解决的问题：特殊结构与复杂结构的加工、难加工材料及脆硬材料的加工。复合加工的主要特点是综合应用机械、光学、化学、电力、磁力流体和声波等多种能量进行综合加工，在提高加工效率和生产效率的同时，兼顾加工精度、加工表面质量及工具损耗等，具有常规单一加工技术无法比拟的优点”。
一、航空发动机零件复合加工特点
发动机零件复合加工是一项综合性很强的系统工程。目前比较成熟的工艺方法有超声切削、磁力研磨、超声磨料加工以及电火花放电铣等等。复合加工能大幅度地缩短零件加工周期和减少在制品储存量，有力地支持零库存的准时制造的实施，减少工件安装次数、避免安装误差，有利于提高加工精度和稳定性，进而实现航空发动机的安全、可靠和长寿命。
1、传统机械方法的多工序复合加工航空发动机制造中，传统机械方法的多工序复合加工是以工序集中原则为基础的复合加工技术。这种复合加工指在复合加工机床上完成车、铣、钻、镗等多种加工要求。复合加工机床最突出的特点是工件工序集中，一次装夹实现多工序复合加工，工序集中有利于保证各加工面间的相互位置精度要求，使生产面积和操作者数量减少，生产计划和生产组织得到优化。目前，航空制造业很多普通设备逐渐被工序集中的柔性自动化装备所取代。现代的复合加工机床更进一步实现切削工艺复合化的开发，如在车削中心上装载有回转刀具的铣削功能，在加工中心上有车削功能等，进一步提高机床的复合化程度。在多种复合加工的领域，车铣复合加工是目前发展最为完善的一个领域。车铣复合加工中心实际上相当于所装配的切削刀具、刀具夹紧系统所支持的加工方法和备选刀具组成的综合系统。车铣复合加工既能够实现车削功能，又能够实现铣、钻、镗、攻丝、铰孔等功能。设备的价格往往比较昂贵，从理论上讲车铣复合加工中心可以有效地提高产品质量和生产效率，但是在实际应用中，要想充分发挥复合加工设备的作用还应加强对技术人员进行加工程序编制和培训操作相关知识等基础培训工作。
2、能量复合方式的复合加工。能量复合加工技术可以分为机械复合加工、电化学复合加工、电火花复合加工、超声复合加工、磨料水射流加工和化学机械抛光等。普通机械制造领域以常规机械加工、电化学加工和电火花加工为主的复合加工方法最为常见，较为成熟的工艺方法有电解磨削、电解电火花加工和化学铣削等。
二、合加工技术的种类
1、传统机械加工方法的复合加工。钻、镗、铣复合加工。镗铣复合加工中心是集钻、镗、铰、攻丝和铣加工功能为一体的高精度、多功能加工中心，不仅具有坐标镗的高精度，而且具备较高的刚性和主轴转速，能够实现航空发动机机匣类零件外型铣削和定位孔的钻镗复合加工。
（1）卧式车铣复合加工。车铣复合加工中心是集车削和镗铣加工为一体多功能复合加工中心，旋转工作台不仅具有车加工需要的高转速、高扭矩，而且具备铣加工要求的高精度分度功能，配备刚性铣头，能够安装车刀、铣刀、镗刀和测头的多种工具，能够实现自动换刀车铣复合加工。车铣复合加工中心以车加工为主，在进行零件主要型面车加工的同时，辅助完成定位孔、安装孔、键槽和凸台的镗铣加工，实现工序集中、保持较好的加工一致性．有利于提高加工效率，实现加工过程自动化。
（2）立式铣车复合加工。铣车复合加工中心是以铣加工功能为主的铣、车一体结构的复合加工中心，该设备采用高速直线驱动电机，具有较高的主轴刚性和转速，旋转工作台具有较高的定位精度，并且具备大扭矩和高转速的特点，不仅能进行航空难切削材料高速、高效铣削加工，而且能够进行内、外圆车加工，适合航空发动机机匣等零件铣车复合集约式加工。
2、特种加工方法的复合加工
（1）电火花铣复合加工。电火花铣是在电火花放电产生的高能热的基础上，采用铣削加工刀具运动方式，以去除材料为目的加工方法。电火花铣加工工具是管状电极，电极高速旋转，进行直线或网弧插补运动，能够实现复杂曲面仿型加工。与传统铣加工相比，电火花铣没有切削力，适合薄壁零件加工；没有刀具消耗，电极损耗费用比刀具消耗费用小得多，节约大量刀具费用；电火花铣机床与加工中心设备费用相差很多，使用电火花铣会大幅降低加工成本。
（2）电火花磨复合加工。电火花磨削实质上是运用磨削加工的形式进行电火花加工，工具电极和工件各自作回转运动，使工具电极与工件有相对回转运动。电极局部放电，径向进给实现磨削方式的加工，电极损耗可以通过进给予以补偿。对放电间隙进行伺服控制，保持加工间隙。如REDM—100型电火花磨床，主轴头沿垂直方向或水平方向作单轴伺服进给，而工件安装在水平工作台上作定速旋转来实现电火花磨削加工。
（3）化学铣复合加工。化学铣是将金属坯料浸没在化学腐蚀溶液中，利用溶液的腐蚀作用去除表面金属的工艺方法。化学铣切已经成为现代航空航天工业中广泛应用的一种特种加工工艺。化学铣切工艺过程是：将金属零件清洗除油，在表面上涂覆能够抵抗腐蚀溶液作用的可剥性保护涂料。经室温或高温固化后进行刻形，然后将涂覆于需要铣切加工部位的保护涂料剥离。
三、航空发动机零件复合加工技术的应用
航空发动机零部件是在高温、高压、高转速的恶劣环境下工作。每一种新产品的开发都意味着零件功能、结构、材料的重大变更。航空发动机普遍采用轻量化、整体化结构，如整体叶盘、叶环结构。航空发动机零部件大量采用新型超高强耐高温合金、单晶合金、金属间化合物及轻质高强复合材料，给切削加工增加了更大难度，对加工技术提出了更高的要求。
航空发动机典型零件如机匣、整体叶盘等大多采用钛合金、高温合金等难加工材料，其不但强度、硬度高且韧性和延伸率大，导热性差、加工表面的加工硬化大，切削性能差。整体叶盘可采用复合强力铣加工工艺方法。应选择合适的机床，设计专用工装，选择合适的刀具，采取有效的减振与变形控制措施。通过盘铣、插铣、侧铣的有效集成，大幅度提升整体叶盘的综合加工效率，降低制造成本。整体叶盘复合强力铣关键是需要解决数控编程中的通道五轴加工方式的确定、多约束加工干涉、复杂的刀轴矢量计算等技术问题，以及加工过程中的切削参数确定、颤振抑制、弱刚性系统变形控制等工艺问题。航空发动机上机匣类零件中，整体结构机匣越来越多，为了提高机匣的强度，一些机匣都采用了整体结构，即机匣的座子和凸台和机匣是一体的。航空典型零件中的盘类零件趋向薄壁，为保证盘类件在高转速下平衡，对主要表面的尺寸精度、位置精度、形状误差、表面粗糙度等要求较高。各类型轴，结构上一般都是空心轴，内表面根据等强度条件设计有台阶孔，内外表面同轴度很高。在机匣复杂外型面的铣削加工中，可应用复合加工技术，减少多工序加工零件的上下料装卸时间。在加工机匣环形件的异形孔时应采用数控激光切割技术。对于蜂窝封严结构的机匣又采用了蜂窝表面电火花磨削技术，各种新工艺、新技术的产生，都是为了满足机匣件不断改进的设计需求。虽然整体结构机匣的强度满足了发动机设计的要求，却增加了机械加工的难度，特别是具有复杂外型面的整体结构机匣，某整体结构机匣，其外型面的成型加工是普通工艺所不能实现的，只有应用先进的五坐标数控加工技术才能通过工序集中，实现这些外型面的成型加工。
又如某后机匣，材料是镍基高温合金、最小壁厚为 1mm 左右、外型面复杂、上面有凸台、加强筋、纵向安装边及数十个连接孔等。在以工序集中为原则的复合加工中，工艺流程需要大量的决策数据。实际加工中要根据零件的特点将平面、型腔作为零件的主要特征来处理，将纵向安装边、加强筋等作为零件的次要特征来处理。在选择加工面时应注意：加工面与定位基准、加工基准具有一定的尺寸关系，并且容易测量；便于装夹，在工装设计时要充分考虑，使得一次装夹可以加工尽可能多的面。并且夹具设计不能太复杂，尽量使得工件保持均匀，加工部位敞开；便于选择刀具，其涉及到转交、斜面与平面交角时要选择好刀具；便于刀具进给，不发生碰撞，干涉等现象，减少复杂刀具的设计和使用；便于修改加工参数，提高加工效率，同时注意检查加工面的情况。车铣复合加工技术是解决此类零件材料去除率大、形状与结构复杂、加工精度高等问题的良好选择。箱体机匣壳体的构形比较复杂，内部呈腔形，并且壁薄、刚性较差。在壳体壁上除了许多精度较高的轴承支撑孔、定位销孔、附件安装孔和平面外，还有许多精度较低、直径小且长的交叉油路孔、螺纹孔等。为了保证箱体机匣的装配精度，对机匣壳体提出了一系列技术要求，孔和平面的尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等要求都很高。机匣壳体不仅需要加工的部位较多，而且加工难度也较大，工序多、工艺路线长。
机匣壳体在通用设备上加工，加工精度难以保证。需要的工装多、生产率低，新产品试制周期长。采用复合加工技术是这类零件的必然选择。这类零件的复合加工主要体现在工序集中上。数控加工中心是一种多工序自动换刀数控机床，机床能在一次定位装夹中自动完成钻、镗、铣、等多道工序的复合加工，从而实现自动化和工序的高度集中。数控加工中心具有很高的坐标位移精度和工作台回转精度，完全可以由机床本身的精度来保证零件的加工精度。在更换产品时，只需增加少量的工艺装备，重新编制加工程序就可以投入生产。机匣壳体复合加工工艺设计时需要注意以下问题：全部机械加工应安排在数控加工中心上进行，并在刀库容量范围内，使凡能合理安排加工出的表面，集中在一道工序进行，以达到工序的高度集中；规划好各主要表面加工顺序，必须遵循粗、精分开和先粗后精，遵循划分加工阶段的原则；定位基准，应尽可能采用一面两孔的定位方式，因为这种定位方式不仅定位稳定可靠，对保证加工质量有利，而且容易实现多方向加工；不适宜工序集中的表面应在一般设备上加工，以便充分发挥不同设备的自身优势，高效率、高质量、低成本加工。集中工序、一次装夹，实现多工序复合加工是确保此类零件加工精度和加工效率的有效途径。由此可见，选用数控加工中心加工机匣壳体，不仅可以实现加工自动化，保证加工精度，还可以大幅提高生产率，缩短新型机匣的试制周期。
复合加工技术为保证航空发动机复杂结构零件的加工质量、提高加工效率、降低生产成本、简化工艺流程、缩短新产品的研制周期，提供了一个可行的方法。但是复合加工，应综合考虑零件的精度、结构复杂性和加工成本的性价比，毕竟具有复合加工功能的机床目前仍属于高端设备，资源较少。展望国家航空业的发展前景，加快研制民用大飞机、大推比发动机步伐，实现航空发动机行业长期可持续发展，是企业追求的重要战略目标。
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