通常所說(shuō)的復(fù)合加工技術(shù)具有2 種含義，一種是以能量或運(yùn)動(dòng)方式為基礎(chǔ)的不同加工方法的復(fù)合；另一種是以工序集中原則為基礎(chǔ)的機(jī)械加工工藝為主的復(fù)合，這是數(shù)控加工領(lǐng)域近年來(lái)快速發(fā)展的高效率加工方式。
復(fù)合加工技術(shù)主要解決2 個(gè)方面的問(wèn)題：特殊結(jié)構(gòu)與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工、難加工材料及脆硬材料的加工。目前，復(fù)合加工技術(shù)已經(jīng)在航空、航天、兵器和原子能等工業(yè)領(lǐng)域中難加工材料的高效加工中逐步進(jìn)入廣泛應(yīng)用階段。近代迅猛發(fā)展的精密機(jī)械和電子工業(yè)中大量使用硬脆材料( 如硬質(zhì)合金、陶瓷、光學(xué)玻璃和寶石等) 和晶體材料( 如半導(dǎo)體晶片、單晶體和藍(lán)寶石晶體)，復(fù)合加工技術(shù)更有了新的用武之地，可以對(duì)陶瓷、玻璃和半導(dǎo)體晶片等硬脆性材料以經(jīng)濟(jì)、可靠的方法實(shí)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(jié)構(gòu)組織的損傷減少至最低程度。
復(fù)合加工的基本形式
復(fù)合加工技術(shù)可以劃分為機(jī)械復(fù)合加工、電化學(xué)復(fù)合加工、電火花復(fù)合加工、超生復(fù)合加工、磨料水射流加工、化學(xué)機(jī)械拋光[1]，按照上述分類，復(fù)合加工方法的基本含義概括起來(lái)如表1 所示。在普通精度機(jī)械制造領(lǐng)域，以常規(guī)機(jī)械加工、電化學(xué)加工、電火花加工為主的復(fù)合加工方法最為常用。近年來(lái)隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品零件整體化設(shè)計(jì)方法的廣泛應(yīng)用，機(jī)械加工領(lǐng)域的車銑復(fù)合、銑車復(fù)合加工、切削—電加工復(fù)合加工方法得以快速發(fā)展，成為支持現(xiàn)代航空產(chǎn)品加工的重要手段，新型復(fù)合加工設(shè)備的不斷推出，有力地支持了復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
以工序集中為基礎(chǔ)的復(fù)合加工方法
以工序集中為基礎(chǔ)的復(fù)合加工是機(jī)械加工領(lǐng)域采用的典型復(fù)合加工方法，通常是在一次定位裝夾中，在一臺(tái)設(shè)備上完成車、銑、鉆、鏜、攻絲、鉸孔、擴(kuò)孔等多種切削加工要求。這種復(fù)合加工方法的最突出特點(diǎn)是工件加工工序集中、一次裝夾可實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)要素的加工，減少了工件定位裝夾次數(shù)、消除工件周轉(zhuǎn)等待時(shí)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(guān)鍵要素的位置精度要求，同時(shí)縮短了工件的生產(chǎn)周期。
以工序集中為基礎(chǔ)的復(fù)合加工技術(shù)一直與機(jī)床結(jié)構(gòu)發(fā)展密切相關(guān)。從19 世紀(jì)40 年代轉(zhuǎn)塔車床、20 世紀(jì)初期組合機(jī)床的廣泛應(yīng)用，到20世紀(jì)50 年代出現(xiàn)的三軸數(shù)控銑床、帶有刀具自動(dòng)交換裝置的加工中心的出現(xiàn)，有力地推動(dòng)了工序集中的復(fù)合加工加工方法的發(fā)展。20 世紀(jì)80年代中后期，隨著加工中心功能和結(jié)構(gòu)的完善，顯示了以工序集中原則為基礎(chǔ)的數(shù)控機(jī)床的優(yōu)越性，開(kāi)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(fù)合加工方法。20 世紀(jì)90 年代后期開(kāi)始出現(xiàn)了車銑復(fù)合中心、銑車復(fù)合中心、車銑磨復(fù)合中心等以及配有夾持工件機(jī)械手的多動(dòng)力頭加工單元( 如瑞典Transflex 型機(jī)床，加工過(guò)程中以工件送進(jìn)方式到達(dá)配有不同刀具的動(dòng)力頭處進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)多工序“復(fù)合”)，這種不同切削加工方法的復(fù)合才真正成為了復(fù)合加工技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新熱點(diǎn)。
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(jìn)給軸（車削原有的2 個(gè)直線軸、銑頭增加的1~2 個(gè)直線軸）和2~3個(gè)回轉(zhuǎn)軸（車削回轉(zhuǎn)、銑削回轉(zhuǎn)及銑頭擺動(dòng)），且配有自動(dòng)換刀系統(tǒng)。這種車銑復(fù)合加工中心是在三軸車削中心基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，相當(dāng)于1 臺(tái)車削中心和1 臺(tái)銑削加工中心的復(fù)合（車削為主功能，銑削屬于輔助功能），可以在1 臺(tái)車銑中心上，經(jīng)過(guò)一次裝夾，完成工件的車、銑、鉆、鏜、攻絲等加工，擴(kuò)大了車削加工工藝范圍。這類復(fù)合加工機(jī)床可以滿足以回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)要素加工為主的異形回轉(zhuǎn)體零件高精度加工要求，是目前世界范圍內(nèi)最先進(jìn)的機(jī)械加工設(shè)備之一。
銑車中心是一種以銑削功能為主，增加了工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)功能以滿足車削加工的需要，在保留原有3~5 軸運(yùn)動(dòng)方式基礎(chǔ)上，將回轉(zhuǎn)工作臺(tái)作為車削回轉(zhuǎn)軸，且配有自動(dòng)換刀系統(tǒng)。這種銑車復(fù)合加工設(shè)備是在銑削加工中心基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，相當(dāng)于1 臺(tái)銑削中心和1 臺(tái)車削中心的復(fù)合( 銑削為主功能，車削屬于輔助功能)，可以在1 臺(tái)銑車中心上，經(jīng)過(guò)一次裝夾，完成工件上槽、型面、開(kāi)口、孔、外圓等結(jié)構(gòu)的銑、車、鉆、攻絲等加工，擴(kuò)大了銑削加工工藝范圍。這類復(fù)合加工機(jī)床可以滿足以復(fù)雜型面及結(jié)構(gòu)加工為主的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)零件的加工要求，是近年來(lái)為滿足燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、電站發(fā)電設(shè)備等動(dòng)力機(jī)械零部件制造需求而逐步發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)機(jī)械加工設(shè)備。
以能量復(fù)合為基礎(chǔ)的復(fù)合加工方法
以能量復(fù)合為基礎(chǔ)的復(fù)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(tái)設(shè)備上完成同一結(jié)構(gòu)的加工。這種復(fù)合加工方法的突出特點(diǎn)是2 種或2 種以上能量復(fù)合，其主要特征是在加工過(guò)程中工具與工件之間沒(méi)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(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)加工出復(fù)雜的型面。
以能量復(fù)合為基礎(chǔ)的復(fù)合加工技術(shù)具有較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展歷史，重點(diǎn)是電解、超聲、電火花、熱能等與機(jī)械加工復(fù)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(fù)合加工方法有：電解在線修整磨削、超聲振動(dòng)切削、電解磨削、電火花超聲加工、化學(xué)機(jī)械拋光等。
復(fù)合加工技術(shù)的典型應(yīng)用實(shí)例
整體化薄壁結(jié)構(gòu)零件是現(xiàn)代飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的設(shè)計(jì)形式，整體薄壁結(jié)構(gòu)件不僅能滿足飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)追求，而且能滿足航空產(chǎn)品易維護(hù)、高可靠性、長(zhǎng)壽命的基本需求，零件主要特征是：（1）整體薄壁結(jié)構(gòu)件通常壁厚尺寸小，一般只有1~3mm ；（2） 零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在多個(gè)方向上分布有形式不同的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)元素需要加工；（3）零件精度要求高，加工時(shí)裝夾困難、加工過(guò)程中易產(chǎn)生加工變形；（4） 有些復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件采用鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)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(chǎn)生表面缺陷而影響零件壽命。
航空產(chǎn)品零件大多需要經(jīng)過(guò)比較復(fù)雜的工藝流程、數(shù)十至數(shù)百個(gè)工序才能完成加工，保證工件加工精度和質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率是制造過(guò)程的永恒主題。以工序集中為基礎(chǔ)的復(fù)合加工技術(shù)，將“集中工序、一次裝夾實(shí)現(xiàn)多工序復(fù)合加工”的理念貫穿在零件切削加工過(guò)程中，為航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造提供了新途徑；以能量復(fù)合為基礎(chǔ)的復(fù)合加工技術(shù)，則將“能量集成、多方法同時(shí)作用實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)要素的加工”理念貫穿于難加工結(jié)構(gòu)和難加工材料零件的制造過(guò)程中。
1 銑車復(fù)合加工技術(shù)的典型應(yīng)用
發(fā)動(dòng)機(jī)整體機(jī)匣類零件是適合銑車復(fù)合加工的典型零件結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。
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(yàn)：超聲波檢查—車床：車下端面基準(zhǔn)—車床：粗車上、下端—銑削中心：粗銑凸臺(tái)及其端面—鉗工：去毛刺—穩(wěn)定處理—車床：修下端面基準(zhǔn)—車床：半精車上、下端—車床：精車上、下端—銑削中心：精銑凸臺(tái)及其端面—銑削中心：銑端面形狀—銑削中心：機(jī)匣周向孔加工—鉗工：去毛刺及表面修整。
使用銑車復(fù)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(fù)合加工中心上，減少車床、銑削中心之間的工序轉(zhuǎn)換和裝夾過(guò)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(jiǎn)化了基準(zhǔn)傳遞協(xié)調(diào)過(guò)程，減少了裝夾誤差和工序轉(zhuǎn)換周期。采用銑車復(fù)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(zhǔn)加工后，工件就直接在銑車復(fù)合加工中心上完成后續(xù)的所有加工，簡(jiǎn)化了工件的裝夾找正過(guò)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(tái)、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(fù)合加工技術(shù)的典型應(yīng)用
飛機(jī)產(chǎn)品中適合車銑復(fù)合加工的零件主要包括：傳動(dòng)系統(tǒng)的扭力臂、支桿；發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、安裝座、閥體等。典型零件結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。
以圖2 零件為例，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(zhuǎn)體外形—銑床：以粗車的回轉(zhuǎn)體外形為基準(zhǔn)，粗銑叉耳端輪廓及端面—車床：半精車回轉(zhuǎn)體外形—車床：回轉(zhuǎn)體外形定位，制回轉(zhuǎn)體內(nèi)孔—車床：內(nèi)孔定位，精車回轉(zhuǎn)體外形—車床：回轉(zhuǎn)體外形定位，精加工回轉(zhuǎn)體內(nèi)孔、鏜端面孔—銑床：以回轉(zhuǎn)體外形定位，銑叉耳外形、槽腔、槽口—銑床：銑長(zhǎng)圓槽—銑床：銑叉耳孔—鉗工： 去毛刺及修整。
使用車銑復(fù)合加工中心可以從半精車回轉(zhuǎn)體外形開(kāi)始，將后面所有的工序都集中到車銑復(fù)合中心上完成，減少銑削加工過(guò)程的重新定位裝夾，一次完成剩余部位的加工，消除了基準(zhǔn)協(xié)調(diào)、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(dòng)系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性和可靠性。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴零件、閥體零件使用車銑復(fù)合加工設(shè)備可以在一次裝夾后完成具有相互位置關(guān)系的結(jié)構(gòu)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(fù)合加工技術(shù)的典型應(yīng)用
鈦合金零件磨削加工的最大問(wèn)題是，磨削后的工件表面會(huì)出現(xiàn)燒傷、裂紋、變形以及易在表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，磨削過(guò)程中必須采取降低磨削應(yīng)力的工藝方法。為了達(dá)到低應(yīng)力磨削的效果，常規(guī)的磨削工藝通常要細(xì)分磨削工序，并嚴(yán)格控制粗磨、半精磨、精磨3 個(gè)階段的進(jìn)給量。
采用電解磨削復(fù)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(jù)電解磨削加工原理，使用金屬結(jié)合劑的金剛石砂輪組成電解磨削復(fù)合加工系統(tǒng)，這種工藝方法在國(guó)外已經(jīng)獲得應(yīng)用，并將其稱為金剛石磨削。
復(fù)合加工技術(shù)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(zhì)量等方面的應(yīng)用，已經(jīng)體現(xiàn)出了其自身的優(yōu)勢(shì)。航空產(chǎn)品制造領(lǐng)域一直是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)揮作用的重要舞臺(tái)，隨著航空產(chǎn)品性能的提高，關(guān)鍵零件的高精度、高可靠性要求更為嚴(yán)格，復(fù)合加工技術(shù)的不斷完善和發(fā)展必將為航空關(guān)鍵零件的制造提供更好的技術(shù)支撐。
