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　　【編者按】航空復雜回轉(zhuǎn)件屬于航空整體結構件，作為飛機主要承力構件，常采用超高強度鋼制造，切削性能差，屬典型難加工材料。該類零件對加工設備、工藝方法、選擇、切削參數(shù)和冷卻等都有特殊要求，常規(guī)加工方法難以保證加工質(zhì)量和加工效率。近年來快速發(fā)展的車銑復合加工技術是解決其高效加工的有效途徑。

　　大型飛機上的復雜回轉(zhuǎn)件包括起落架整體外筒、整體活塞桿、整體葉輪、滑架、轉(zhuǎn)軸梁等，既具備回轉(zhuǎn)體結構件高精度的特點，又具有非回轉(zhuǎn)件結構復雜的特點，同時尺寸又比較大。

航空復雜回轉(zhuǎn)件屬于航空整體結構件，作為飛機主要承力構件，常采用超高強度鋼制造，切削性能差，屬典型難加工材料。該類零件對加工設備、工藝方法、選擇、切削參數(shù)和冷卻等都有特殊要求，常規(guī)加工方法難以保證加工質(zhì)量和加工效率。近年來快速發(fā)展的車銑復合加工技術是解決其高效加工的有效途徑。

　　航空復雜回轉(zhuǎn)件結構

　　航空復雜回轉(zhuǎn)件是由回轉(zhuǎn)件與支座、接頭等結構件合并而成的整體件，在結構上有共同點。

圖1所示為某型飛機起落架外筒。該零件主要是由主筒體、轉(zhuǎn)軸柱體、相交區(qū)域的加強腹板和起收放連接作用的柱體、耳片等構成。主筒體內(nèi)部為高精度深盲孔，是起落架緩沖器的主要組成元素。加工特征包括內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓槽面、球面、螺紋、回轉(zhuǎn)曲面等回轉(zhuǎn)結構，以及平面、斜面、型面、加強筋、槽腔、開口、下陷、凸臺等非回轉(zhuǎn)結構。不是所有的復雜回轉(zhuǎn)類零件都包含這些結構，但一定都包括回轉(zhuǎn)部分和非回轉(zhuǎn)部分。

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　　圖1 某型飛機起落架外筒

　　圖2為波音787飛機起落架。減震器是起落架的主要緩沖構件，采用氣動液壓減震支柱。內(nèi)、外筒零件是典型的復雜回轉(zhuǎn)件，承受高強度的沖擊載荷。

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　　圖2 波音787飛機主起落架外筒

　　非回轉(zhuǎn)型面，多數(shù)位于零件的配合表面，包括直紋面和雙曲面等型面。對于直紋面，可在5軸數(shù)控銑床上加工，立銑刀軸平行直紋面的母線，沿直紋面的引導線切削。對于雙曲面，多數(shù)采用三坐標行切或者五坐標行切的加工方法。

　　耳片是突出在零件外圓、平面或型面上的耳形結構，外形多為圓弧，兩側(cè)為平面，圓弧中心有孔。耳片有時成組出現(xiàn)，一般用于與其他零件連接配合。按所處位置和復雜程度不同，加工時可采用3軸、4軸或5軸數(shù)控加工，也可采用普通銑床加工，耳片側(cè)面有時需要磨削。

凸臺多數(shù)位于外圓、腹板或加強筋板上。凸臺的主要作用是連接、止動、加強孔邊等。凸臺可以采用3軸、4軸或5軸數(shù)控加工，也可以采用普通銑床加工。凸臺端面有時需要磨削。

　　加強筋主要起增加結構強度和提高結構穩(wěn)定性的作用。復雜回轉(zhuǎn)類零件上的加強筋形狀主要是直壁，也有弧形及帶有角度的加強筋?？刹捎?軸、4軸或5軸數(shù)控加工，也可采用普通銑床加工。

　　槽腔是位于零件非回轉(zhuǎn)區(qū)域的空穴式結構，其深度大于零件的填角半徑。其側(cè)壁有開角、閉角、直角等形式，也有的側(cè)壁是凹槽結構?？刹捎?軸、4軸或5軸數(shù)控加工，也可采用普通銑床加工。

　　當槽腔的深度小于或者等于零件的填角半徑，所形成的凹陷結構叫做下陷?？刹捎?軸、4軸或5軸數(shù)控加工，也可采用普通銑床加工。

航空復雜回轉(zhuǎn)件材料

　　在航空工業(yè)中，屈服強度在1400~1600MPa以上的鋼被稱為超高強度鋼。飛機和發(fā)動機中很多重要零件需要采用超高強度鋼制造以滿足高強度、高韌性、高抗疲勞性和耐腐蝕等性能要求。

　　300M鋼是美國國際鎳公司在4340鋼基礎上添加了1.5%左右的硅而發(fā)展起來的新型低合金超高強度鋼。經(jīng)淬火、回火后具有超高強度（抗拉強度1960~2100MPa）、高硬度（HRC52~56）、高韌性、優(yōu)良的疲勞強度特性和耐應力腐蝕特性[1]。

300M鋼是目前超高強度鋼中強度最高、應用最為成功的鋼種。美國目前在役的90%以上的軍民用飛機起落架用300M鋼制造，如F-15、F-16、DC-10、MD-11、C-17、波音747、767和787等飛機。該鋼也為空客飛機（如A380）采用。

　　我國于20世紀80年代研制了300M鋼，并發(fā)展了一系列抗疲勞制造技術，使300M鋼成功用于多種飛機的起落架，首次實現(xiàn)了起落架與飛機同壽命使用。

　　300M鋼屬典型航空難加工材料，切削加工特性主要有[2]：

　?。?）切削力大，強度高。在同等切削條件下，300M鋼切削力是普通鋼材的3倍，是45鋼的1.17~1.49倍。

　?。?）磨損嚴重，不易斷屑。鎳含量較高，切削時產(chǎn)生的粘刀現(xiàn)象容易引起切屑瘤的形成，從而增大了表面粗糙度，加快了磨損；材料中高硬度的碳化物顆粒，切削過程中會摩擦切削面，從而加劇磨損[3]。韌性高，不易斷屑。

（3）切削溫度高。Ni元素的大量存在，使300M鋼導熱性下降，但硬度和強度得到了提高。高的切削功率和材料低的導熱性兩者共同作用提高了切削溫度。高的切削溫度，容易導致零件加工表面金相組織發(fā)生變化（燒傷）并伴隨出現(xiàn)很大的表面殘余應力，甚至出現(xiàn)裂紋，對零件表面質(zhì)量造成不利影響。

　　車銑復合加工技術

　　航空復雜回轉(zhuǎn)件的加工過程主要由回轉(zhuǎn)面的車削、磨削和非回轉(zhuǎn)面的銑、鉆、鏜等工序組成。

　　多品種小批量生產(chǎn)是航空產(chǎn)品的顯著特點，實現(xiàn)不同產(chǎn)品之間的快速轉(zhuǎn)換，對航空制造企業(yè)來說具有重大的現(xiàn)實利益。車銑復合加工是一種有效的解決方案。

車銑復合機床，簡單的說就是具有數(shù)控車削、數(shù)控銑削、數(shù)控鏜孔加工，甚至數(shù)控插齒、滾齒等多種加工功能的數(shù)控加工中心。工件可以在一次裝夾中完成全部或大部分的回轉(zhuǎn)面和非回轉(zhuǎn)面的切削加工，位置精度容易得到保證。車銑復合機床的主要功能如圖3所示。

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　　圖3 車銑復合機床主要功能

車銑復合機床主要有2種結構形式，一種是以臥式加工中心為基礎，增加車削功能，主要用于大型復雜的盤類、殼體類、機匣類結構件加工，如日本MORISEIKI和MAZAK機床。另一種是在臥式數(shù)控車床的基礎上，增加了5軸數(shù)控銑削功能，主要用于曲軸類、筒桿類、發(fā)動機活塞等形狀復雜、精度要求高的異型回轉(zhuǎn)體零件加工。這類設備以奧地利WFL車銑技術公司的車銑復合加工中心為典型代表。

　　車銑復合加工技術已成為航空復雜回轉(zhuǎn)件高效加工的發(fā)展方向，在空客和波音公司的大飛機制造中都得到了大量的應用。近年來，車銑復合加工中心在我國航空制造廠家開始大量引進。但是，由于相關的工藝、編程、后處理等應用技術研究落后，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。用于航空復雜回轉(zhuǎn)件車銑復合加工的機床必須具備以下基本特性[4]。

　?。?）高剛性、大功率、大扭矩，滿足難加工材料強力、高效加工需要。

（2）高精度，滿足復雜回轉(zhuǎn)件半精加工、精加工精度指標要求。

　?。?）具備5軸聯(lián)動銑削、3+2固定軸銑鉆鏜加工能力，滿足復雜結構非回轉(zhuǎn)部分的粗、精加工要求。

　　（4）具備內(nèi)外圓數(shù)控車削加工能力，滿足回轉(zhuǎn)面車削加工要求。

　?。?）具備深孔鉆、擴、鏜加工能力，滿足大長徑比深孔加工要求。

　?。?）具備在線檢測、管理等輔助能力，減少輔助工作時間。

某型車銑復合加工中心的運動坐標具有X1、Y1、Z1、B1、C1、Z2、Z4、S1、S3等8個運動軸。其中S1既是車削模式下的車削主軸也是銑削模式下的C1軸；S3是車銑鏜單元主軸，所有加工安裝在S3軸上；Z2是中心架軸；Z4是尾座軸；X1、Y1、Z1、B1、C1在銑削模式下可實現(xiàn)5軸五聯(lián)動，X1、Z1、Y1、B1在車削模式下可實現(xiàn)軸聯(lián)動車削，機床控制系統(tǒng)采用Siemens840D。

　　該機床總體采用臥式布局，左端為車削主軸箱，具備軸功能，右端為可編程尾座；斜床身上部是車、銑、鏜主軸裝置，可沿縱向（Z軸）、徑向（X軸）、橫向（Y軸）進行直線運動和軸的擺動回轉(zhuǎn)運動；斜床身下部是一個數(shù)字控制定位的中心架，用于端面和鏜內(nèi)孔加工不能使用尾座裝置時支撐工件；主軸箱后面的無磨損、免維護盤式刀庫能容納111把刀位；擁有在線檢測功能。

　　車銑復合加工工藝

與普通數(shù)控加工工藝相比，車銑復合加工工藝具有工序集中和編程復雜的特點。為使車銑中心的功能得到充分發(fā)揮，應在一臺機床上加工盡量多的內(nèi)容，對尺寸和位置精度要求高的部位盡量安排在一次裝夾中完成。

　　車銑復合加工工藝設計時，應重點考慮3個方面的問題：工序順序安排、選用和裝夾方式選擇。加工順序安排合理可以減小零件變形，使加工精度更容易得到保證；選用合理能有效提高加工效率和加工質(zhì)量；裝夾方式選擇適當可以使裝夾牢靠，減少裝夾次數(shù)，方便程序的編制。

　　某型飛機起落架外筒毛坯為整體模鍛件，是飛機關鍵受力件，易疲勞破壞。為保證加工質(zhì)量，在加工過程中安排了超聲波探傷、淬火、表面處理等特種工序。特種工序穿插在切削加工工序之間，成為劃分不同加工階段的標志。在熱處理技術和條件允許的條件下，盡量在毛坯狀態(tài)進行熱處理。

將車銑復合加工機床和普通加工機床結合起來使用，有利于降低加工成本以及提高效率。裝夾面和定位基面可以安排在普通機床上進行加工。對功率和扭矩要求大的粗加工以及對加工精度要求不高的加工工序應安排在普通機床或普通數(shù)控機床上進行，這樣可以充分發(fā)揮關鍵設備在難加工和精加工方面的優(yōu)勢，提高設備利用價值。同時，由于在加工過程中穿插了超聲波探傷、去應力、淬火熱處理等特種工藝，不可能完全實現(xiàn)“一次裝夾、全部完工”的加工理念。

　　飛機起落架外筒零件的工藝流程大致可以如下安排[4]。

　　（1）荒加工：為了給超聲波檢查準備較規(guī)則且粗糙度較小的表面，常采用車、銑、鉗等方法去除鍛件表面氧化皮。

　?。?）粗加工：采用車、銑、鉆（含數(shù)控）等加工方法，去除零件內(nèi)、外表面大部分余量。

（3）半精加工：采用車、銑、鉆（含數(shù)控）等加工方法，完成一般精度的非配合面的加工，并為精加工準備定位面。

　?。?）精加工：采用精車、精銑、精鏜、磨削等方法，對零件的重要表面進行最終加工。

　　具體的加工工藝過程如圖4所示。車銑加工1完成淬火前半精加工，完成絕大部分非配合面的加工，包括外圓、深孔內(nèi)部槽腔、非回轉(zhuǎn)表面加工，完成配合面的半精加工，包括各耳片、孔、深孔。車銑加工2補充加工上工序因裝卡阻擋無法加工的部分。車銑精加工3完成淬火后的各耳片、孔、環(huán)槽、螺紋等精加工（不包括高精度面）。深孔精磨主要磨削及珩磨精密深孔配合面。

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　　圖4 回轉(zhuǎn)件車銑復合工藝流程

　　裝夾方式

　　零件加工制造的首要條件就是定位合理與裝夾緊固可靠。航空復雜回轉(zhuǎn)類結構件主回轉(zhuǎn)體軸線通常是零件的主要設計基準。為達到加工基準與設計基準一致的目標，常以主回轉(zhuǎn)面作為主要的定位裝夾面，再輔以孔、圓柱或平面，就能實現(xiàn)工件的完全定位。

車銑復合加工裝夾方式與普通車床類似，一般以卡盤、中心架和頂尖裝夾工件。車削加工外部回轉(zhuǎn)面時以卡盤和頂尖裝夾，加工內(nèi)部回轉(zhuǎn)面以卡盤和中心架裝夾；銑削加工時，為提高裝夾穩(wěn)定性，卡盤、中心架與頂尖可同時使用。若機床配有尾座，應有效結合使用中心架和尾座頂尖，以增加裝夾的強度，減少加工過程中的顫振現(xiàn)象。在細長桿零件加工中，中心架和尾座的使用將決定零件加工的成敗。

　　采用卡盤-中心架-頂尖系統(tǒng)裝夾工件時，工件僅有卡盤的夾緊力和頂尖的頂緊力，固緊工件的只有卡爪的摩擦力，在切削力和頂尖力的作用下工件與卡盤能發(fā)生相對轉(zhuǎn)動和軸向的移動。車削回轉(zhuǎn)面時，加工過程中工件如果相對卡盤發(fā)生了轉(zhuǎn)動，對車削加工結果影響不大，只需要注意限制軸向移動。

車銑復合加工時，車削與銑削、鉆孔等工序內(nèi)容在一次裝卡中完成，加工過程中一旦發(fā)生工件位移而沒有及時發(fā)現(xiàn)并糾正，后續(xù)的切削加工位置就和程序設定的加工位置不同，造成加工零件報廢。銑削力是變化的沖擊力，很容易致使工件發(fā)生位移，因此在設計裝夾方式時，必須高度重視，注意設計防止工件繞主軸線扭轉(zhuǎn)和沿軸線位移的裝置。

　　在車銑粗加工時（包括車外圓、粗銑腔、粗銑柱面、平面等），利用毛坯上附帶的加工試棒的材料夾持，中段以中心架定位并加緊，右端用頂尖頂住。加工中段時，可以將中心架漲開避讓，加工右端時可以將頂尖移開避讓，進行重載加工時頂尖和中心架同時參與夾持，具體裝夾如圖5所示。

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　　圖5 車銑復合半精加工裝夾[4]

　　因為在大余量重載銑削、鉆偏心孔等加工過程中，存在很大的扭轉(zhuǎn)力，工件與卡盤之間可能會出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，所以在確定裝夾方式時，通常應附加防扭轉(zhuǎn)裝置。銑內(nèi)形和端面環(huán)槽裝夾時，用卡盤反爪夾持內(nèi)孔，防扭轉(zhuǎn)裝置固定在卡盤端頭，以工件上的突出耳片增強防扭轉(zhuǎn)能力。

　　車銑加工深孔和端頭時，需要將工件掉頭。用卡盤反爪夾持內(nèi)孔，防扭轉(zhuǎn)裝置頂住小柱體平臺，增強防扭轉(zhuǎn)能力。

起落架外筒零件的兩端外部均為比較復雜的結構，不便裝夾，而內(nèi)孔為主要加工面，不便設置工藝凸臺。因此，半精加工和精加工階段都采用內(nèi)孔裝卡，利用三爪卡盤向外張緊孔壁加工。為了防止工件在加工過程中在切削力作用下與卡盤發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，在卡盤端面上設計安裝了防轉(zhuǎn)支撐，裝夾（中心架和頂尖未示出）如圖5所示。特制加長卡爪張緊工件內(nèi)孔，卡爪端面頂住工件內(nèi)孔端面而實現(xiàn)工件的軸向定位，安裝在防轉(zhuǎn)支撐上的可調(diào)支承螺釘頂住工件外伸部分，防止工件與卡盤的相對旋轉(zhuǎn)。

　　車銑復合加工

　　目前國內(nèi)外加工高強度鋼的材料主要選用硬質(zhì)合金、陶瓷和CBN。

車銑復合加工機床一般都可以兼容使用目前常用的各類旋轉(zhuǎn)和車削。典型車銑復合機床機內(nèi)結構布局，上部銑、鉆、鏜主軸單元與常規(guī)數(shù)控銑鉆加工設備類似，可以使用各類回轉(zhuǎn)，下部刀塔與數(shù)控車床刀塔類似，可以裝卡各類內(nèi)外圓車刀。同時，車銑復合機床還具有更高的靈活性，出現(xiàn)了各種各樣可以裝在銑、鉆、鏜主軸單元上的車削，可以不使用下部刀塔而完成車削加工。

　　車銑復合機床的靈活性還引導發(fā)展了多任務。多任務是指1把刀能完成數(shù)把刀完成的加工內(nèi)容，一次安裝多次走刀，極大地提高的柔性。例如山特維克公司的CoroPlex多任務提供了高可達性、高穩(wěn)定性和高效率；減少了換刀時間；節(jié)省了室空間；降低了成本。CoroPlex多任務有五合一（1把銑刀和4把車刀）、雙刃（車刀合二為一）、小型轉(zhuǎn)塔（車刀四合一）等幾種形式。

　　車銑復合加工數(shù)控編程

車銑復合加工需要完成數(shù)控車、多軸銑、3+2定位加工和鉆孔等多種加工方式的編程，難度大。UG NX和CATIA系統(tǒng)具有車銑復合數(shù)控加工編程功能模塊。

　　在對回轉(zhuǎn)曲面、斜壁和輪廓型腔進行粗加工時，可以利用實體、表面或曲線定義被加工區(qū)域，切除大部分毛坯材料，適用于回轉(zhuǎn)件所有外型及內(nèi)腔的粗加工。粗加工時，采用跟隨零件的加工策略，通過沿零件的幾何邊界偏移相同數(shù)量的步距來形成加工刀路，當遇到相交時，將其中的一個刀路修剪掉。在這種加工策略下，島域周邊的余量能夠有效的得到清除，這種加工策略特別適用于帶島的穴型加工[3-5]。圖6為車銑粗加工路徑。

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　　圖6 車銑粗加工路徑

　　復雜曲面由于表面凸凹起伏，斜率變化大，3軸數(shù)控加工時，切削深度和切削寬度的不斷改變，會引起不穩(wěn)定的載荷，加劇的磨損，降低加工質(zhì)量。在表面凸凹程度較大的部位還容易發(fā)生和工件的干涉，產(chǎn)生嚴重后果，定位3+2的加工方式能克服3軸數(shù)控加工復雜曲面時存在的缺點。

車銑復合定位3+2加工是指將、軸轉(zhuǎn)到一定的角度并鎖緊后進行加工，當一個區(qū)域的加工完成后，再根據(jù)另一個加工區(qū)域的法矢方向調(diào)整、軸的角度繼續(xù)進行加工[4]。其本質(zhì)是將五軸聯(lián)動加工變?yōu)槟骋环较蚬潭ń嵌鹊募庸?，加工過程中刀軸方向不再發(fā)生變化。由于能夠一次定位實現(xiàn)加工，相比3軸數(shù)控加工而言，3+2定位加工在效率和質(zhì)量上具有明顯優(yōu)勢。

　　車銑多軸銑精加工解決方案。使用多軸聯(lián)動的加工方式，精加工復雜回轉(zhuǎn)件圓柱部分多個復雜碎片曲面，選擇加工幾何、驅(qū)動方式及相關參數(shù)。在實際加工時應充分利用機床特性，有效控制擺角變化大小，使位移和擺角之間良好匹配，防止過切現(xiàn)象產(chǎn)生。為降低在零件拐角處擺角變化的劇烈程度，在加工零件拐角處時，應適當增加過渡的刀位，這也有利于機床平穩(wěn)工作，避免產(chǎn)生過切，提高零件的加工表面質(zhì)量。圖7為多軸銑削路徑。

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　　圖7 多軸銑削路徑

　　結束語

　　以起落架為典型代表的航空復雜回轉(zhuǎn)件，結構復雜、精度要求高、材料切削性能差。車銑復合加工技術是解決其高效加工的有效途徑。為發(fā)揮其最佳性能，應將普通機床和車銑中心搭配使用。工裝設計時，應著重考慮如何防止銑削時工件的移位。多任務適合于車銑復合加工。車銑復合定位3+2數(shù)控加工具有明顯的效率和質(zhì)量優(yōu)勢。

只有解決了工藝、編程以及后處理等瓶頸問題，航空制造企業(yè)最新引進的車銑復合加工設備才能在復雜回轉(zhuǎn)件加工中真正發(fā)揮作用。

　　( 文章來源：互聯(lián)網(wǎng) )

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