车铣复合加工关键技术及应用前景

车铣复合加工关键技术及应用前景

为了提高复杂航空航天产品的加工效率和精度，技术人员一直在寻求更加高效、精确的加工工艺方法，车铣复合加工设备的出现为提高航空零部件的加工精度和效率提供了有效的解决方案。

加工效率与精度是金属加工领域追求的永恒目标，随着数控技术、计算机技术、机床技术、机械加工技术的不断发展，传统的加工理念已经不能满足人们对加工速度、效率、精度的要求。

在这样的背景下，复合加工技术应运而生，一般来说，复合加工是指加工设备能完成不同工序或加工方法的加工工艺。

当前的复合加工技术主要表现为2种不同的类型，一类是基于能量或运动方式不同的加工方法的复合；另一类是基于工序集中的原理，基于机械加工工序为主的复合，铣削和车削的复合加工是近年来加工领域发展最为迅速的方法之一。

当前航空产品零件突出多品种小批量、工艺复杂，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、材料去除量大、加工效率低，以及加工变形严重等瓶颈问题。

为了提高航空复杂产品的加工效率和加工精度，技术人员一直在寻求更加高效、精确的加工工艺方法，车铣复合加工设备的出现为提高航空零部件的加工精度和加工效率提供了有效的解决方案。

铣车复合加工

与常规数控加工工艺相比，复合加工主要有以下几个方面具有突出的优势。

（1）缩短制造工序链，提高生产效率。

车铣复合加工可实现一张卡完成全部或大部分加工工序，从而大大缩短了产品制造工序链。这一方面减少了因更换装卡而产生的生产辅助时间，同时也减少了工装夹具的制造周期和等待时间，从而可显著提高生产效率。

（2）减少装夹次数，提高加工精度。

装夹次数的减少避免了定位基准变换带来的误差积累。同时，目前大多数车铣复合加工设备都具备在线检测功能，可以实现制造过程中关键数据的检测和精度控制，从而提高了产品的加工精度。

（3）减少占地面积，降低生产成本。

虽然车铣复合加工设备的单台单价较高，但由于制造工序链的缩短和产品所需设备的减少，以及工装夹具、配件数量、车间占地面积和设备维护费用的减少，可以有效降低总体固定资产投资、生产运营和管理成本。

复合加工关键技术

虽然复合加工有着常规单一加工无法比拟的优势，但目前车铣复合加工在航空航天制造领域的应用还未得到充分的发挥。其关键原因是车铣复合加工在航空制造领域的应用时间比较短，适用于航空零件结构特点的车铣复合加工工艺、数控编程技术、后置处理、仿真技术等还处于探索阶段。

要充分发挥车铣复合加工设备的效能，提高产品加工效率和精度，必须全面攻克和解决上述关键基础，并实现集成应用。

车铣复合加工技术

与传统的加工设备不同，铣车加工中心相当于一条生产线。

如何根据零件的工艺特点和铣车复合加工的工艺特点，制定合理的工艺路线、安装方式、选用合理的刀具是实现高效精密加工的关键。

工序集中是复合加工最显著的工艺特征。

因此，科学合理的工艺路线是提高铣车加工效率和精度的关键因素。

以图192所示的瑞士宝美公司的S1F铣车复合加工中心为例，该机床具有五轴铣削、车削、镗孔、钻削、锯切及自动送料等功能，采用FANUC 31i数控系统，具有刀具矢量平滑、超前瞻、高速插补等功能，特别适合轴类、回转类零件的高速精密加工。

在航空叶轮加工中，该加工中心具有突出的优势。当使用棒料作为叶轮毛坯时，常规叶轮加工工艺路线是先利用数控车床车削叶轮外廓轮廓，然后精车加工基准；在此基础上，利用五轴数控加工中心对轮廓及轮毂进行切槽、粗加工、半精加工、精加工；最后在五轴加工中心或钻床设备上进行孔的加工。

S192F铣车加工中心不仅能一次性装料完成以上所有工序的加工，而且在采用棒料加工时，还能实现叶轮的批量锯切、自动送料等功能，整个过程无需人工干预即可自动完成。

工艺路线可设置为：主轴装棒料→粗车叶轮外廓→精车外廓→五轴铣槽→流道粗加工→流道半精加工→流道精加工→钻孔→主轴背面装料→车叶轮底平面→钻孔。可见一张装卡即可完成叶轮加工全部工序，加工效率、精度可大大提高。

磨车

对于双刀架的车铣加工中心（如图2所示的奥地利WFL车铣复合加工中心），双刀架设备具有双通道控制系统，可对上、下刀架进行单独控制，并通过代码中的同步语句实现同步加工。

充分发挥设备的加工能力，在满足加工条件的前提下，通过双刀塔同步操作，可实现零件多道工序的同时加工。

通过上下刀架的同步设定，可以在外形粗车削的同时完成内孔的粗镗削，从而进一步提高加工效率。上下刀架同步运动完成一系列孔的加工，不仅提高了加工效率，而且通过钻孔轴向力的相互抵消，减少了工件变形的影响。要实现该功能，需要在初步工艺设计时对工艺程序进行系统深入的研究，确定工艺路线的串行和并行顺序，并通过合理的加工程序组合实现上述功能。

2.车铣复合加工数控编程技术

车铣复合加工技术的发展也对数控编程技术提出了更高的要求，这也是制约车铣复合加工设备在实际生产中应用的一个瓶颈环节。

由于车铣复合加工投入实际生产应用的时间较短，在没有专业的复合加工解决方案的情况下，通常是利用通用CAM软件先规划出一些加工程序，然后工艺人员再手工将这些程序整合起来，得到满足复合加工机床对加工程序要求的加工方案。

这种解决方案对工艺人员的要求很高，与传统数控编程技术相比，车铣复合加工的编程难度主要体现在以下几个方面。

（1）工序种类繁多，工艺复杂。对于工艺人员来说，不仅要能够熟练掌握数控车削、多轴铣削、钻削等加工方法的编程方法，而且对于工序之间的衔接关系以及刀具的进出方式需要进行准确的定义。因此，在数控编程时，需要先完成当前工序的工艺模型及加工余量的分配，才能对下道工序的编程及刀具的进出设置有一个直观的了解。

（2）编程时串并联顺序的加工必须严格按照工艺路线确定。许多零件在车铣复合加工中心加工时，都可以实现从原材料到成品的完整加工，因此加工程序的结果必须与工艺路线一致。同时，多道并行加工还需要在数控加工程序编制过程中进行综合考虑。由此可见，要实现高效的复合加工，必须开发出工艺—编程—仿真一体化的工艺解决方案。

（3）对于车铣复合加工的某些功能，目前的通用CAM软件尚不支持。与常规的单机加工相比，车铣复合加工的机床运动和加工功能更为复杂，目前的通用CAM软件尚不足以完全支持这些高级功能的编程，如在线测量、锯切、自动送料、尾座控制等。因此，利用通用CAM软件编写的程序仍需要大量的手工或交互方式才能应用于自动化的车铣复合加工中。

（4）加工程序的集成化。目前，一般CAM软件编制完成后的数控程序都是相互独立的，要实现车铣复合这么复杂的自动化完整加工，需要将这些独立的加工程序进行集成和整合。这种集成必须以零件的工艺路线为指导，首先确定哪些程序是并行的，然后对不同工艺方法的加工顺序进行确定，并给出准确的换刀、装卡更换、基准转换，以及进出刀具的指令等。

可以看出，车铣复合加工数控编程难度很大，而在目前的通用CAM软件中，针对车铣复合加工，还存在着很多缺陷和不足。为了弥补这些不足，在现有的通用CAD/CAM软件的基础上针对产品工艺流程和复合加工设备开发专门的编程系统是比较现实的解决办法。

这样一方面减少了购置软件的重复投资而且也避免了由于编程平台不统一、人员配置复杂等原因造成工艺知识无法重用等缺陷。

3.铣车复合加工后处理技术

与数控编程技术相对应，车铣复合加工由于工艺方法、运动部件的复杂性等原因，对当前的后置处理软件和技术提出了更高的要求。与常规数控设备相比，其后置处理的难点主要体现在以下几个方面。

（1）不同工序之间的铰接运动要求有严格的准确性。由于车铣复合设备上要完成多种加工工序，因此在当前工序完成后必须及时准确地完成加工方式、刀具、运动部件的自动切换，以保证加工过程的正确性和安全性。

要达到这一目的，一方面要求设置合理的进出刀方式及自动换刀、冷却液开启和关闭时序，更重要的是在当前工序需要设定当前加工过程中其他非运动部件的位置。避免机床在换刀和加工过程中运动部件与非运动部件之间发生碰撞，保证加工过程的安全性和稳定性。

（2）需要自动确定工艺顺序和数控程序。由于复合材料加工中的工艺路线相对较长，在组织集成后依靠人工完成NC代码不仅效率低下而且容易出错。理想的解决方案是在后置处理时自动确定嵌入刀位文件中的加工顺序和工艺方法，并在后置处理完成后自动保持在NC代码中。

为此，CNC编程完成后，刀位文件信息不仅需要包含对应的工艺方法，而且刀位信息还需要包含对应的加工顺序、所用刀具的种类和数量，以便在后置处理过程中实现工艺顺序、工艺方法和刀具的自动确定。

（3）不同加工方法的后置处理技术。车铣复合加工的后置处理程序不仅要求实现多轴数控铣削、车削、钻削的后置处理，而且还要实现锯切、自动送料、尾座控制、程序循环调用等。车铣复合加工的后置处理算法包括了所有现有数控加工工艺类型的后置处理，也包括了不同加工方式之间的无缝集成和运动铰接的实现。不同加工方法之间的集成和运动铰接。

（4）充分利用控制系统的先进功能。目前用于车铣复合加工中心的数控系统都是非常先进的控制系统，如宝美的S192F T FANUC 31i系统、WFL 150 SINU MERI K840D系统等。这些先进的控制系统大都具有自动进给优化、刀具矢量平滑、超前瞻以及高速、高精度插补等先进功能。因此，需要在后置处理阶段完成的加工代码中的适当位置体现这些先进数控系统的功能，以实现车铣复合加工设备效能的充分利用。

（5）非切削函数的加工与调用。

复合加工机床除了具有车、铣、钻、镗等切削加工功能外，在各工序之间还需要过渡非切削功能，如自动上料、卸料、主轴对接、尾座控制等。在后置处理中需要将这些功能作为公共模块供程序调用，调用的顺序和时机需要根据工艺路线确定。这些功能是目前的后置处理软件所不能提供的。

4. 车铣复合加工仿真技术

车铣复合加工由于运动部件多、功能复杂，且编程完成后加工仿真显得尤为重要。由于我国航空制造企业车铣复合加工投入实际生产时间较短，尚无成熟的仿真应用技术，多数企业通过试切加工来验证、优化方案，导致工艺准备周期长、开发风险大、加工成本高。

为了提高车铣复合加工的应用水平和编程效率，必须大力推广仿真技术的应用。目前，用于车铣复合加工仿真的软件主要有Top Solid、Gibbs等，但此类软件一般价格昂贵，在国内航空制造领域引进的较少。

其实，车铣复合加工仿真的实现也可以借助目前通用的数控加工仿真软件（如Vericut、NCSimul等），根据车铣复合加工设备的结构、运动特点、特殊功能以及数控系统，通过定制和宏功能开发来实现加工过程的运动仿真。

要利用通用数控加工仿真软件实现车铣复合加工的仿真，首先需要在仿真系统中搭建相对真实的机床环境，重点建立机床各运动部件之间的相对运动和几何位置关系。在此基础上建立加工过程中所用到的刀具库及对应的刀具号。

然后配置机床的数控系统和数控程序的加工参考，并将后期完成的NC代码加载到仿真系统中，即可执行加工过程的仿真。与常规数控加工不同，有些功能（如多通道加工、尾座控制等）需要通过宏功能进行开发和定制。

应用前景及发展建议

近年来，我国飞机制造厂、航空发动机及附件厂等航空制造企业纷纷引进车铣复合加工中心，设备类型主要集中在奥地利WFL公司的车铣复合系列产品和瑞士宝美公司的车铣复合加工中心等。

但由于实际应用时间尚短，普遍缺乏与产品工艺特点和设备工艺特点相适应的成熟的加工工艺流程、编程手段、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较低的运行水平。

航空产品制造过程中面临的主要问题突出为工艺路线长、工序复杂、加工效率低、加工变形严重、加工成本高，铣车复合加工无论在飞机制造还是在发动机制造领域都有着十分广阔的发展空间。

例如飞机机身整体框架铣削加工通常经过材料/毛坯准备、基准加工、粗加工内形、粗加工内形、精加工基准、半精加工内形、半精加工内形、孔加工、钳形修整、检测等几十道工序，多次翻转装夹才能完成。

当前航空发动机领域的整体叶盘加工也都是采用整体锻造毛坯，经过车铣、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，占用机时通常达数百小时，加工过程需要使用多台不同类型的数控机床和大量的夹具、刀具、量具等。另外，装配卡的反复更换不仅造成零件制造过程中等待时间长，影响生产周期，而且会造成装配误差的积累，从而影响零件的尺寸精度和加工结果。

车铣复合加工可通过一次装夹实现上述典型航空航天零件全部或大部分的加工，为复杂航空航天零件的高效精密加工提供了新途径。其应用优势主要体现在以下几个方面：

（1）装卡次数大幅减少，提高加工效率的同时，消除了因机床和装卡方式变化带来的误差。

（2）工序更加集中，可以明显缩短机械加工工序链，减少等待时间和机床非工作时间。

（3）在不改变定位状态的前提下，用车削、铣削、钻等加工方法实现加工工序，减少夹具数量，保证尺寸精度的一致性。

（4）目前的车铣复合加工大多具有在线测量功能，可以在工序内、工序间对加工结果进行现场测量，实现整个加工过程的精度控制。

可以看出，铣车复合加工设备具有这些优势可以有效弥补当前航空复杂零件制造工艺的不足，并可以显著提高产品的加工精度和效率。

为充分发挥先进复合材料加工装备的加工效率，进一步提高航空产品制造效率和质量，迫切需要开展以下几方面的工作。

（1）结合航空产品零件的工艺特点，深入研究复合材料加工工艺，包括工艺路线的制定、加载方式、工装、冷却，以及切削参数的合理选择等。

（2）根据复合加工设备运动结构和产品工艺特点，开发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。结合模拟、试切、实际生产过程中积累的经验，形成固化的车铣复合加工工艺规范，指导后续其他零件的加工。

（4）注重人才的培养。复合材料加工装备是目前机械加工领域中代表前沿技术的装备，无论是工艺准备还是操作维护都比常规装备复杂，拥有一支高水平的研发团队是实现装备健康、高效运行的关键。

结语

当前复合材料加工装备正朝着工序范围更大、效率更高、大型化、模块化方向发展。航空产品制造领域一直是先进制造技术的重要展示舞台，随着航空产品更新换代速度的不断加快，分散式加工设备工艺将逐步被集中式柔性自动化装备工艺所取代，这为复合材料加工技术提供了更为广阔的发展应用空间。