車銑復合加工的關鍵技術與應用前景

    加工效率與精度是金屬加工領域追求的永恒目標。隨著數控技術、計算機技術、機床技術以及加工工藝技術的不斷發展，傳統的加工理念已不能滿足人們對加工速度、效率和精度的要求。在這樣的背景下，復合加工技術應運而生。一般來說，復合加工是指在一臺加工設備上能夠完成不同工序或者不同工藝方法的加工技術的總稱。目前的復合加工技術主要表現為2 種不同的類型，一種是以能量或運動方式為基礎的不同加工方法的復合；另一種是以工序集中原則為基礎的、以機械加工工藝為主的復合，車銑復合加工是近年來該領域發展最為迅速的加工方式之一。
    目前的航空產品零件突出表現為多品種小批量、工藝過程復雜，并且廣泛采用整體薄壁結構和難加工材料，因此制造過程中普遍存在制造周期長、材料切除量大、加工效率低以及加工變形嚴重等瓶頸。為了提高航空復雜產品的加工效率和加工精度，工藝人員一直在尋求更為高效精密的加工工藝方法。車銑復合加工設備的出現為提高航空零件的加工精度和效率提供了一種有效解決方案。
與常規數控加工工藝相比，復合加工具有的突出優勢主要表現在以下幾個方面。
（1）縮短產品制造工藝鏈，提高生產效率。
    車銑復合加工可以實現一次裝卡完成全部或者大部分加工工序，從而大大縮短產品制造工藝鏈。這樣一方面減少了由于裝卡改變導致的生產輔助時間，同時也減少了工裝卡具制造周期和等待時間，能夠顯著提高生產效率。
（2）減少裝夾次數，提高加工精度。
    裝卡次數的減少避免了由于定位基準轉化而導致的誤差積累。同時，目前的車銑復合加工設備大都具有在線檢測的功能，可以實現制造過程關鍵數據的在位檢測和精度控制，從而提高產品的加工精度。
（3）減少占地面積，降低生產成本。
    雖然車銑復合加工設備的單臺價格比較高，但由于制造工藝鏈的縮短和產品所需設備的減少，以及工裝夾具數量、車間占地面積和設備維護費用的減少，能夠有效降低總體固定資產的投資、生產運作和管理的成本。
復合加工的關鍵技術
    盡管復合加工具有常規單一加工無法比擬的優勢，但實際上目前在航空制造領域里車銑復合加工的利用率并未得到充分發揮。其關鍵原因在于車銑復合加工在航空制造領域的應用時間還比較短，適用于航空零件結構工藝特性的車銑復合加工工藝、數控編程技術、后置處理以及仿真技術尚處于摸索階段。為了充分發揮車銑復合加工設備的效能，提高產品的加工效率和精度，必須全面攻克和解決上述關鍵基礎，并實現集成化應用。
1 車銑復合加工的工藝技術
    與常規加工設備不同的是，一臺車銑復合加工中心實際上相當于一條生產線。如何根據零件工藝特性和車銑復合加工的工藝特點制定合理的工藝路線、裝卡方法和選用合理的刀具是實現高效精密加工的關鍵。
    工序集中是復合加工最為鮮明的工藝特點。因此，科學合理的工藝路線是提高車銑復合加工效率和精度的關鍵因素。2 車銑復合加工的數控編程技術
    車銑復合加工技術的發展，也對數控編程技術提出了更高的要求，這也是制約車銑復合加工設備在實際生產應用中的一個瓶頸環節。由于車銑復合加工投入實際生產的應用時間較短，在沒有專業的復合加工解決方案的情況下，通常是利用通用CAM 軟件規劃出部分加工程序，然后工藝人員再對程序進行手工整合，以滿足復合加工機床對加工程序的要求。這種解決方法對工藝人員的要求非常高。與傳統的數控編程技術相比，車銑復合加工的程序編制難點主要體現在以下幾個方面。
    （1）工藝種類繁雜。對于工藝人員來說，不僅要能掌握數控車削、多軸銑削、鉆孔等多種加工方式的編程方法，而且對于工序間的銜接與進退刀方式需要準確界定。因此在進行數控編程時，需要對當前工序加工完成后的工序模型和加工余量的分布有直觀的認識，以便于下一道工序的程序編制和進退刀的設置。
    （2）程序編制過程中的串并行順序的確定必須嚴格按照工藝路線確定。許多零件在車銑復合加工中心上加工時可實現從毛料到成品的完整加工，因此加工程序的編制結果必須同工藝路線保持一致。同時，對于多通道并行加工也需要在數控加工程序編制的過程中進行綜合考慮�？梢�，為實現高效的復合加工應該發展工藝- 編程- 仿真一體化的工藝解決方案。
    （3）對于車銑復合加工的某些功能，目前的通用CAM 軟件尚不支持。與常規單臺設備加工相比，車銑復合加工具備的機床運動和加工功能要復雜的多，目前的通用CAM 軟件尚不足以完全支持這些先進功能的程序編制，如在線測量、鋸斷、自動送料、尾座控制等。因此，利用通用CAM 軟件編制出來的程序仍然需要大量的手工或交互的方式才能應用于自動化的車銑復合加工。
    （4）加工程序的整合。目前通用CAM 軟件編制完成后的NC 程序之間是相互獨立的，要實現車銑復合這樣復雜的自動化完整加工，需要對這些獨立的加工程序進行集成和整合。這種整合必須以零件的工藝路線為指導，首先確定出哪些程序是并行的，然后對不同工藝方法的加工順序進行確定，并給出準確的換刀、裝卡更換、基準轉化以及進退刀指令等。
    可以看出，車銑復合加工數控程序編制難度非常大，而目前的通用CAM 軟件用于車銑復合加工仍然存在很多缺陷和不足。為彌補這些不足，在現有通用CAD/CAM 軟件的基礎上開發適用于產品工藝和復合加工設備的專用編程系統是一種更為現實的解決方案。這一方面降低了軟件購置的重復投資，同時也能避免由于編程平臺不統一而造成的工藝知識不能重用、人員配置復雜等缺陷。
3 車銑復合加工的后置處理技術
    與數控編程技術相對應，車銑復合加工由于工藝方法復雜、運動部件多等原因，從而對目前的后置處理軟件及技術提出了更高的要求。與常規數控設備相比，其后置處理的難點主要體現在以下幾個方面。
    （1）不同工序間的銜接運動要求嚴格準確。由于在車銑復合設備上進行的加工工藝種類繁多，因此在當前工序加工完成之后必須及時、準確地完成加工方式、刀具、運動部件的自動切換，以保證加工過程的正確和安全。為了達到這個目的，一方面要求設置合理的進退刀方式以及自動換刀、冷卻液開和停的時機，另外更為重要的是在進行當前工序加工時需要設定其他非運動部件所處的位置。這樣才能避免機床在換刀和加工過程中運動部件與非運動部件之間的碰撞，確保加工過程安全穩定。
    （2）需要對工藝順序和數控程序進行自動判定。由于復合加工中工藝路線相對較長，依靠人工去對后置完成后的NC 代碼進行組織和集成不僅效率低而且也容易導致錯誤的發生。理想的解決方法是在后置處理過程中能夠對加工順序和刀位文件中蘊含的工藝方法進行自動判定，并能在后置處理完成后的NC 代碼中自動保持。為此，數控編程完成后的刀位文件信息中不僅需要包含相應的工藝方法、刀位信息，還需要包含對應的加工順序、所采用的刀具種類和編號，這樣才能在后置處理的過程中達到工藝順序、工藝方法和刀具的自動判定。
    （3）不同加工方式的后置處理技術。車銑復合加工的后置處理程序不僅要求能夠實現多軸數控銑削、車削、鉆削加工的后置處理，還要能夠實現鋸斷、自動進料、尾座控制以及程序循環調用等功能，車銑復合加工的后置處理算法基本上囊括了現有數控加工所有工藝種類的后置處理方法，并且還要能夠實現不同加工方式之間的無縫集成和運動銜接。
    （4）控制系統先進功能的充分利用。目前用于車銑復合加工中心的數控系統都是非常先進的控制系統，如寶美S192FT 采用的FANUC 31i系統、WFL 150 采用的SINUMERIK840D 系統。這些先進的控制系統大都具備進給自動優化、刀矢平滑、超強前瞻以及高速、高精度插補等先進功能。因此，必須要將這些先進數控系統的功能反映在后置處理階段完成的加工代碼中的合適位置，才能實現車銑復合加工設備效能的充分利用。
    （5）非切削功能的處理和調用。復合加工機床除了具備車、銑、鉆、鏜等切削功能外，還具備在各工序之間過渡所需的非切削功能，如自動送料、卸料、主軸對接、尾座控制等。在后置處理中需要將這些功能作為一個公用模塊供程序調用，調用的順序和時機需要根據工藝路線來確定。這些功能目前的后置處理軟件尚不能提供。
4 車銑復合加工的仿真技術
    車銑復合加工由于運動部件多、功能復雜，程序編制完成后的加工仿真就顯得尤為重要。由于我國航空制造廠車銑復合加工投入實際生產的時間較短，目前還沒有成熟的仿真應用技術，因此大部分廠家是通過試切加工來驗證和優化程序，這就導致工藝準備周期長、研制風險和加工成本高。
    為了提高車銑復合加工的應用水平和編程效率，必須大力推動仿真技術的應用。目前用于車銑復合加工仿真的軟件主要有TopSolid、Gibbs 等，但這些軟件普遍價格昂貴，我國航空制造領域引進較少。實際上，實現車銑復合加工的仿真也可借助目前的通用數控加工仿真軟件（如Vericut、NCSimul 等），根據車銑復合加工設備的結構、運動特點、特殊功能及數控系統，通過定制及宏功能開發實現加工過程的運動仿真。
    利用通用的數控加工仿真軟件實現車銑復合加工的仿真需要首先在仿真系統里構建相對真實的機床環境，重點在于機床各運動部件之間的相對運動關系和幾何位置關系的建立。在此基礎上，建立加工過程中所采用的刀具庫及相應的刀具編號。然后配置機床設備的數控系統和數控程序的加工基準，并將后置完成的NC 代碼載入仿真系統中，即可執行加工過程的仿真工作。與常規數控加工不同的是，有些功能（如多通道加工、尾座控制等）還需要通過宏功能的開發和定制來完成。
車銑復合加工技術的應用前景及發展建議
    近年來，車銑復合加工中心在我國飛機、航空發動機以及附件廠等航空制造廠家都有引進。設備類型主要集中于奧地利WFL 公司的車銑復合系列產品和瑞士寶美公司銑車復合加工中心等。但由于投入實際應用的時間不長，普遍缺乏與產品工藝特點和設備工藝特性相適應的成熟的加工工藝、編程手段和后置處理等技術手段。因此，目前引進的車銑復合加工設備基本上處于相對較低的運行水平。
    航空產品制造過程中面臨的主要問題突出表現為工藝路線長、工藝過程復雜、加工效率低、加工變形嚴重、加工成本高，車銑復合加工無論是在飛機制造還是在發動機制造領域都有著極為廣闊的發展空間。
    如飛機機身整體框的銑削加工通常要經過下料/ 毛坯制備、基準加工、粗加工內形、粗加工外形、精修基準、半精及精加工內形、半精和精加工外形、孔加工、鉗工修整、檢測等數十個工序、多次翻轉裝夾才能完成。而目前航空發動機領域的整體葉盤加工也是采用整體鍛造毛坯，經過車銑、銑削、拋光、表面處理及強化、檢測探傷等幾十道工序才能完成。這些零件往往制造周期長，占機時間通常達到幾百小時，而且加工過程中都需要使用多臺不同類型的數控機床和大量的夾具、刀具、測具等。另外，裝卡的反復更換不僅造成零件制造過程中的等待時間過長，影響生產周期，而且也會造成裝卡誤差的積累，從而影響零件的尺寸精度和加工結果。
    車銑復合加工可以通過一次裝卡實現上述典型航空零件的全部或大部分工序的加工，從而為復雜航空零件的高效、精密加工提供了一種新途徑。其應用優勢主要體現在以下幾個方面：（1）裝卡次數顯著減少，提高加工效率的同時消除因機床和裝卡方式的改變而導致的誤差。（2）工序更加集中，能夠明顯縮短加工工藝鏈，減少等待時間和機床非工作時間。（3）不改變定位狀態的前提下實現車削、銑削、鉆孔等多種加工方式的加工過程，減少夾具數量，保證尺寸精度的一致性。（4）目前的車銑復合加工大都具有在線測量的功能，可以利用該功能對工序過程中以及工序間的加工結果進行在位測量，實現整個加工過程的精度控制�？梢钥闯�，車銑復合加工設備具有的這些優點可以有效地彌補目前航空復雜零件制造過程中的不足，能夠顯著提高產品的加工精度和效率。
為了充分發揮先進的復合加工裝備的加工效能，進一步提高航空產品的制造效率和質量，迫切需要開展以下幾方面的工作。
    （1）結合航空產品零件的工藝特點，深入研究與之相適應的復合加工工藝，包括制定工藝路線，裝卡方式、刀具、冷卻以及切削參數等的合理選取。
    （2）根據復合加工設備的運動結構和產品的工藝特點，開發和定制相應的數控編程、后置處理、切削仿真等系統，形成工藝- 編程- 后置-仿真的一體化解決方案，降低復合加工對工藝人員的要求。
    （3）形成工藝規范。結合仿真、試切以及實際生產中積累的工藝經驗，形成適用于車銑復合加工的固化的工藝規范，用以指導后續其他零件的加工。
    （4）注重人才的培養。復合加工設備是目前機械加工領域的前沿技術的代表，無論是工藝編制還是操作維護都要比常規設備復雜，高水平的研發隊伍是實現設備健康、高效運行的關鍵。
結束語
    目前的復合加工裝備正朝著更大工藝范圍、更高效率、大型化以及模塊化的方向發展。航空產品制造領域一直是先進制造技術發揮作用的重要舞臺，隨著航空產品更新換代速度的日益加快，工序分散的加工設備將逐漸被工序集中的柔性自動化裝備所取代，這為復合加工技術提供了更為廣闊的發展和應用空間。