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　　復合加工的主要特點是綜合應用機械、光學、化學、電力、磁力、流體和聲波等多種能量進行綜合加工，提高了加工效率，生產率往往大大高于單獨使用各種加工方法的生產率之和。復合加工在提高加工效率的同時，兼顧了加工精度、加工表面質量及工具損耗等，具有常規(guī)單一加工技術無法比擬的優(yōu)點。通常所說的復合加工技術具有2 種含義，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機械加工工藝為主的復合，這是數控加工領域近年來快速發(fā)展的高效率加工方式。

復合加工技術主要解決2 個方面的問題：特殊結構與復雜結構的加工、難加工材料及脆硬材料的加工。目前，復合加工技術已經在航空、航天、兵器和原子能等工業(yè)領域中難加工材料的高效加工中逐步進入廣泛應用階段。近代迅猛發(fā)展的精密機械和電子工業(yè)中大量使用硬脆材料( 如硬質合金、陶瓷、光學玻璃和寶石等) 和晶體材料( 如半導體晶片、單晶體和藍寶石晶體)，復合加工技術更有了新的用武之地，可以對陶瓷、玻璃和半導體晶片等硬脆性材料以經濟、可靠的方法實現(xiàn)高的成形精度和極低的表面粗糙度，并可使表面及亞表面層晶體結構組織的損傷減少至最低程度。

　　復合加工的基本形式

復合加工技術可以劃分為機械復合加工、電化學復合加工、電火花復合加工、超生復合加工、磨料水射流加工、化學機械拋光[1]，按照上述分類，復合加工方法的基本含義概括起來如表1 所示。在普通精度機械制造領域，以常規(guī)機械加工、電化學加工、電火花加工為主的復合加工方法最為常用。近年來隨著數控技術的發(fā)展和產品零件整體化設計方法的廣泛應用，機械加工領域的車銑復合、銑車復合加工、切削—電加工復合加工方法得以快速發(fā)展，成為支持現(xiàn)代航空產品加工的重要手段，新型復合加工設備的不斷推出，有力地支持了復合加工技術的發(fā)展和應用。

　　常見復合加工方法

　　以工序集中為基礎的復合加工方法

以工序集中為基礎的復合加工是機械加工領域采用的典型復合加工方法，通常是在一次定位裝夾中，在一臺設備上完成車、銑、鉆、鏜、攻絲、鉸孔、擴孔等多種切削加工要求。這種復合加工方法的最突出特點是工件加工工序集中、一次裝夾可實現(xiàn)多種結構要素的加工，減少了工件定位裝夾次數、消除工件周轉等待時間，可以消除工件多次裝夾定位造成的誤差累積，有利于保證工件上關鍵要素的位置精度要求，同時縮短了工件的生產周期。

以工序集中為基礎的復合加工技術一直與機床結構發(fā)展密切相關。從19 世紀40 年代轉塔車床、20 世紀初期組合機床的廣泛應用，到20世紀50 年代出現(xiàn)的三軸數控銑床、帶有自動交換裝置的加工中心的出現(xiàn)，有力地推動了工序集中的復合加工加工方法的發(fā)展。20 世紀80年代中后期，隨著加工中心功能和結構的完善，顯示了以工序集中原則為基礎的數控機床的優(yōu)越性，開始出現(xiàn)車削中心、銑削加工中心、磨削中心等，但這些加工方式仍然限定在同一種加工方式上，尚不能稱為真正意義上的復合加工方法。20 世紀90 年代后期開始出現(xiàn)了車銑復合中心、銑車復合中心、車銑磨復合中心等以及配有夾持工件機械手的多動力頭加工單元( 如瑞典Transflex 型機床，加工過程中以工件送進方式到達配有不同的動力頭處進行加工，實現(xiàn)多工序“復合”)，這種不同切削加工方法的復合才真正成為了復合加工技術發(fā)展的一個新熱點。

車銑中心以車削功能為主，并集成了銑削和鏜削等功能，具有3~4 直線進給軸（車削原有的2 個直線軸、銑頭增加的1~2 個直線軸）和2~3個回轉軸（車削回轉、銑削回轉及銑頭擺動），且配有自動換刀系統(tǒng)。這種車銑復合加工中心是在三軸車削中心基礎上發(fā)展起來的，相當于1 臺車削中心和1 臺銑削加工中心的復合（車削為主功能，銑削屬于輔助功能），可以在1 臺車銑中心上，經過一次裝夾，完成工件的車、銑、鉆、鏜、攻絲等加工，擴大了車削加工工藝范圍。這類復合加工機床可以滿足以回轉結構要素加工為主的異形回轉體零件高精度加工要求，是目前世界范圍內最先進的機械加工設備之一。

銑車中心是一種以銑削功能為主，增加了工作臺的回轉功能以滿足車削加工的需要，在保留原有3~5 軸運動方式基礎上，將回轉工作臺作為車削回轉軸，且配有自動換刀系統(tǒng)。這種銑車復合加工設備是在銑削加工中心基礎上發(fā)展起來的，相當于1 臺銑削中心和1 臺車削中心的復合( 銑削為主功能，車削屬于輔助功能)，可以在1 臺銑車中心上，經過一次裝夾，完成工件上槽、型面、開口、孔、外圓等結構的銑、車、鉆、攻絲等加工，擴大了銑削加工工藝范圍。這類復合加工機床可以滿足以復雜型面及結構加工為主的回轉體結構零件的加工要求，是近年來為滿足燃氣輪機、航空發(fā)動機、電站發(fā)電設備等動力機械零部件制造需求而逐步發(fā)展起來的先進機械加工設備。

　　以能量復合為基礎的復合加工方法

以能量復合為基礎的復合加工是為了滿足精密超精密加工、難加工材料加工、特殊材料加工而采用的加工方法，通常是2 種或2 種以上工藝方法的組合，在一臺設備上完成同一結構的加工。這種復合加工方法的突出特點是2 種或2 種以上能量復合，其主要特征是在加工過程中工具與工件之間沒有顯著的切削力，加工用的工具材料硬度可以低于被加工材料的硬度，能用簡單的運動加工出復雜的型面。

　　以能量復合為基礎的復合加工技術具有較長時間的發(fā)展歷史，重點是電解、超聲、電火花、熱能等與機械加工復合，滿足精密加工、特種材料加工、難加工材料加工的加工需求。典型的復合加工方法有：電解在線修整磨削、超聲振動切削、電解磨削、電火花超聲加工、化學機械拋光等。

電解在線修整磨削(electrolyticin-process dressing,ELID) 是日本物理化學研究所的大森整博士發(fā)明的超精密加工技術，利用電解方法在磨削過程中對砂輪進行在線修整。基本原理是把細粒度超硬磨料( 金剛石和CBN) 砂輪磨削與電解方法在線修整砂輪相結合，使砂輪保持鋒利的磨粒和穩(wěn)定的磨削性能，可達到鏡面磨削，并獲得較高生產率的復合加工技術。ELID 磨削系統(tǒng)中，冷卻液為電解液，磨輪旋轉時在電極作用下金屬結合劑砂輪的表面不斷被電解，新的磨料不斷露出而保證了砂輪在磨削過程中的銳利性，避免了表層磨料磨損脫落而造成的堵塞現(xiàn)象；離開電解區(qū)域的砂輪結合劑表面會發(fā)生氧化形成鈍化膜而阻止電解作用的繼續(xù)進行，磨削區(qū)的機械摩擦作用使鈍化層破壞，再進入電解修整過程。ELID 磨削幾乎可以應用于所有可進行磨削加工的工件材料，特別適合于加工平面。

超聲振動切削是在普通機械加工中引入超聲振動，將超聲振動施加在或工件上而形成的復合加工方法。超聲振動切削從微觀上可以看做是脈沖切削，振動周期中，與工件、切屑斷續(xù)接觸，改善了切削液的冷卻、潤滑作用，使得所受到的摩擦變小，從而減少切削熱、切削力，并且有助于消除積屑瘤。一些試驗研究表明，超聲振動切削可使切削力減小到 1/20~1/3；超聲振動攻絲扭矩可降低到普通攻絲的l/8~1/3 ；在保證加工精度和加工質量的前提下，超聲振動切削的效率比一般切削方法提高2~3 倍，有時甚至更高；在鏜孔加工中采用振動切削，加工尺寸穩(wěn)定、形狀誤差小、粗糙度降低；超聲振動切削也使一些高強度、高硬度和難成形材料的切削加工成為可能。目前，超聲振動切削已應用于耐熱合金、不銹鋼、鈦合金以及陶瓷、玻璃等金屬和非金屬難加工材料的加工，也應用于易彎曲變形的細長桿類零件、小徑細孔、薄壁零件、薄盤類零件與小徑精密螺紋以及形狀復雜、加工精度和表面質量要求又較高的零件。

電解磨削是靠陽極金屬電化學腐蝕作用和機械磨削作用相結合，通過電化學作用蝕除金屬產生陽極薄膜，工件的尺寸或形狀是靠砂輪磨粒刮去陽極薄膜獲得。這種復合加工比電解加工有更好的加工精度和表面質量，比機械磨削有更高的生產率。電解磨削系統(tǒng)中，金屬結合劑的導電砂輪接直流電源的陰極，被加工工件接陽極。砂輪磨粒突出于導電砂輪的基體而形成工件與砂輪之間的加工間隙，加工間隙中充滿了電解液，工件表面的金屬在電流和電解液的作用下被電解腐蝕，形成一層極薄的氧化物或氫氧化物薄膜( 硬度較低的陽極薄膜) ；剛形成的陽極薄膜迅速被導電砂輪中的磨料刮除，在陽極工件上又露出新的金屬表面并繼續(xù)產生電解腐蝕。這樣，電解作用和磨粒刮削薄膜的磨削作用交替進行，流動的電解液帶走陽極溶解產物及產生的熱量，通過這一過程連續(xù)進行實現(xiàn)對工件的加工，直至達到一定的尺寸精度和表面粗糙度。電解磨削主要優(yōu)點是：加工范圍廣，只要選擇合適的電解液就可以加工任何高硬度、高韌性的導電材料；磨削力小，磨削熱很少，消耗功率也小，不會產生磨削燒傷、裂紋和毛刺，能獲得比電解加工更高的加工精度和更好的表面質量。目前，電解磨削主要用來加工高硬度、易產生硬化燒傷現(xiàn)象及熱敏感材料的零件，如硬質合金、鈦合金葉片等。

　　復合加工技術的典型應用實例

整體化薄壁結構零件是現(xiàn)代飛機、航空發(fā)動機結構中常見的設計形式，整體薄壁結構件不僅能滿足飛機與發(fā)動機結構輕量化的設計追求，而且能滿足航空產品易維護、高可靠性、長壽命的基本需求，零件主要特征是：（1）整體薄壁結構件通常壁厚尺寸小，一般只有1~3mm ；（2） 零件結構復雜，在多個方向上分布有形式不同的結構結構元素需要加工；（3）零件精度要求高，加工時裝夾困難、加工過程中易產生加工變形；（4） 有些復雜結構零件采用鈦合金、高溫合金、高強度不銹鋼等難加工材料，常規(guī)的加工方法材料去除效率低、難度大，且容易產生表面缺陷而影響零件壽命。

航空產品零件大多需要經過比較復雜的工藝流程、數十至數百個工序才能完成加工，保證工件加工精度和質量、提高生產效率是制造過程的永恒主題。以工序集中為基礎的復合加工技術，將“集中工序、一次裝夾實現(xiàn)多工序復合加工”的理念貫穿在零件切削加工過程中，為航空復雜結構零件的制造提供了新途徑；以能量復合為基礎的復合加工技術，則將“能量集成、多方法同時作用實現(xiàn)關鍵結構要素的加工”理念貫穿于難加工結構和難加工材料零件的制造過程中。

　　1 銑車復合加工技術的典型應用

發(fā)動機整體機匣類零件是適合銑車復合加工的典型零件結構常規(guī)的加工方法是采用車床、銑削中心配合完成加工，主要工藝路線是：毛坯制備—車床：車削一端端面—車床：車另一端端面—檢驗：超聲波檢查—車床：車下端面基準—車床：粗車上、下端—銑削中心：粗銑凸臺及其端面—鉗工：去毛刺—穩(wěn)定處理—車床：修下端面基準—車床：半精車上、下端—車床：精車上、下端—銑削中心：精銑凸臺及其端面—銑削中心：銑端面形狀—銑削中心：機匣周向孔加工—鉗工：去毛刺及表面修整。

使用銑車復合加工中心則可以將半精加工以后的工序都集中在銑車復合加工中心上，減少車床、銑削中心之間的工序轉換和裝夾過程，盡管工藝路線仍然與常規(guī)加工方法類似，但車削、銑削是在一次裝夾狀態(tài)下完成的，簡化了基準傳遞協(xié)調過程，減少了裝夾誤差和工序轉換周期。采用銑車復合加工中心后，穩(wěn)定處理前的工序仍然與常規(guī)加工方法相同，完成修下端面基準加工后，工件就直接在銑車復合加工中心上完成后續(xù)的所有加工，簡化了工件的裝夾找正過程( 此類零件每次裝夾找正誤差通常約為0.02mm)，更重要的是，消除了凸臺、孔、端面廓形三者之間因裝夾變化引起的位置誤差。

　　2 車銑復合加工技術的典型應用

飛機產品中適合車銑復合加工的零件主要包括：傳動系統(tǒng)的扭力臂、支桿；發(fā)動機燃油噴嘴、安裝座、閥體等。典型零件以扭力臂為例常規(guī)的加工方法是采用車床、銑床及配套工裝配合完成加工，主要工藝路線是：毛坯制備—劃線，分配余量—車床：粗車回轉體外形—銑床：以粗車的回轉體外形為基準，粗銑叉耳端輪廓及端面—車床：半精車回轉體外形—車床：回轉體外形定位，制回轉體內孔—車床：內孔定位，精車回轉體外形—車床：回轉體外形定位，精加工回轉體內孔、鏜端面孔—銑床：以回轉體外形定位，銑叉耳外形、槽腔、槽口—銑床：銑長圓槽—銑床：銑叉耳孔—鉗工： 去毛刺及修整。

　　使用車銑復合加工中心可以從半精車回轉體外形開始，將后面所有的工序都集中到車銑復合中心上完成，減少銑削加工過程的重新定位裝夾，一次完成剩余部位的加工，消除了基準協(xié)調、重新裝夾引起誤差累積，這類零件的加工精度可以有效地保證傳動系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性和可靠性。此外，發(fā)動機燃油噴嘴零件、閥體零件使用車銑復合加工設備可以在一次裝夾后完成具有相互位置關系的結構要素加工，保證其位置精度，更好地滿足其工作性能要求。

　　3 電解磨削復合加工技術的典型應用

鈦合金零件磨削加工的最大問題是，磨削后的工件表面會出現(xiàn)燒傷、裂紋、變形以及易在表層產生拉應力，磨削過程中必須采取降低磨削應力的工藝方法。為了達到低應力磨削的效果，常規(guī)的磨削工藝通常要細分磨削工序，并嚴格控制粗磨、半精磨、精磨3 個階段的進給量。

　　采用電解磨削復合加工是解決鈦合金零件磨削難題的有效工藝方法之一。根據電解磨削加工原理，使用金屬結合劑的金剛石砂輪組成電解磨削復合加工系統(tǒng)，這種工藝方法在國外已經獲得應用，并將其稱為金剛石磨削。

金剛石磨削是零件上加直流電流( 陽極為采用金屬結合劑的金剛石砂輪)，砂輪表面上砂輪與鈦粘結的陽極溶解作用維持了砂輪的切削性能。進行金剛石磨削可以是正極性電流（零件 —— 陽極，工具 —— 陰極），也可以是負極性電流（零件 —— 陰極，工具—— 陽極）。根據試驗[2]，鈦合金零件金剛石磨削推薦下列磨削條件和參數：正極性電流，砂輪V к=30… 32m/s,工件移動Sпр=0.17… 0.20m/s, 工件轉動S φ=1.05?10-2rad/s，磨削厚度H =0.1… 0.2mm, 電壓U =4V，電解液為5%K3PO4 + 0.5%(NaPO3)6 +0.3%Na2CO3。獲得的基本結論是：對于鈦合金葉片，金剛石磨削后葉片的葉背產生比砂帶磨削更大的殘余壓應力，分布到更深的表層下。葉盆段則沒有發(fā)現(xiàn)2 種加工方式下殘余應力的區(qū)別。磨削速度、深度和加工區(qū)冷卻液供給量對零件表層殘余應力數值和特點有影響，增加速度、深度和加工區(qū)冷卻液供應不足時形成殘余拉應力。

　　結束語

　　復合加工技術在難加工材料零件制造、高精度工件加工、改善被加工零件表面質量等方面的應用，已經體現(xiàn)出了其自身的優(yōu)勢。航空產品制造領域一直是先進制造技術發(fā)揮作用的重要舞臺，隨著航空產品性能的提高，關鍵零件的高精度、高可靠性要求更為嚴格，復合加工技術的不斷完善和發(fā)展必將為航空關鍵零件的制造提供更好的技術支撐。

　　（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 王焱）

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