复合加工技术在航空结构件制造中的应用.doc

复合加工技术在航空结构件制造中的应用 　　随着科学技术的进步和社会工业化进程的迅猛发展，对产品功能与性能的要求日趋多样化，使得产品结构越来越复杂，特别是在汽车、航空、航天、原子能、兵器等领域，各种新结构、新材料及复杂形状的精密零件层出不穷，对于产品零件的制造精度和质量要求日益提高。采用一般机械加工方法往往难以满足其结构形状的复杂性、材料的可加工性以及加工精度和表面质量方面的要求，这就不断地向加工技术提出新的挑战。复合加工技术就是在这种背景下逐步形成的一门综合性制造技术。 　　复合加工技术主要解决两个方面的问题：特殊结构与复杂结构的加工、难加工材料及脆硬材料的加工。复合加工的主要特点是综合应用机械、光学、化学、电力、磁力、流体和声波等多种能量进行综合加工，提高了加工效率，生产效率往往远远高于单独使用各种加工方法的生产效率之和，在提高加工效率的同时，兼顾了加工精度、加工表面质量及工具损耗等，具有常规单一加工技术无法比拟的优点。 　　复合加工技术已经在航空、航天、兵器和原子能等工业领域难加工材料的高效加工中广泛应用。特别是近代精密机械和电子工业迅猛发展，大量使用硬脆材料（如硬质合金、陶瓷、光学玻璃和宝石等）和晶体材料（如半导体晶片、单晶体和蓝宝石晶体），使复合加工技术更有了新的用武之地，可以对陶瓷、玻璃和半导体晶片等硬脆性材料以经济、可靠的方法实现较高的成形精度和极低的表面粗糙度，并可使表面及亚表面层晶体结构组织的损伤程度减至最低。 　　复合加工技术的特点 　　复合加工是指工件在机床上一次装夹后，能够进行同一类工艺方法的多工序加工（如同属切削方法的车、铣、钻、镗等加工）或者不同类工艺方法的多工序加工（如切削加工和激光加工），从而能在1台机床上顺序地完成工件的全部或大部分加工工序。 复合加工技术目前有两种含义，一种以能量或运动方式为基础的不同加工方法的复合；另一种是以工序集中原则为基础的、以机械加工工艺为主的复合，这是数控加工领域近年来快速发展的高效加工方式。 　　1 以能量复合为基础的复合加工技术 　　以能量为基础的复合加工技术是应用多种形式能量的综合作用来实现材料的去除[1]，是为提高难加工材料、难加工结构的加工效率和加工质量，应用多种形式能量的综合作用、多种加工工艺的协同工作来实现零件材料去除的加工方法。 　　复合加工技术可以分为机械复合加工、电化学复合加工、电火花复合加工、超声复合加工、磨料水射流加工和化学机械抛光[2]等，根据目前已经出现和生产实践中采用的形式，复合加工方法概括如表1所示。 　　在普通精度机械制造领域，以常规机械加工、电化学加工、电火花加工为主的复合加工方法最为常用。 　　2 以工序集中原则为基础的复合加工技术 　　在机械加工领域中，以工序集中原则为基础的复合加工技术是指在1台设备上完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔、扩孔等多种加工要求，这样的机床称为复合加工机床。复合加工机床最突出的特点是工件工序集中、一次装夹实现多工序复合加工，可以大大缩短工件的生产周期，提高工件加工精度。 　　在复合化机床上可以实现完全不同性质加工过程的加工，机床功能范围随着时代变化而变化。人们曾经把加工中心称为复合加工机床，但是，一般的加工中心不能超出某种类型切削加工范围（如铣削、车削、磨削）。现代的复合加工机床更进一步实现切削工艺复合化的开发，如在车削中心上装载有回转刀具的铣削功能，在加工中心上有车削功能等，进一步提高机床的复合化程度。 　　以工序集中原则为基础的复合加工技术一直与机床结构发展密切相关。19世纪40年代转塔车床、20世纪初期组合机床的广泛应用，以及20世纪50年代出现的三轴数控铣床、带有刀具自动交换装置的加工中心的出现，有力地推动了工序集中的复合加工方法的发展。20世纪80年代中后期，随着加工中心功能和结构的完善，显示了以工序集中原则为基础的数控机床的优越性，开始出现车削中心、磨削中心等，使复合加工方式得到扩展。20世纪90年代后期开始出现了车铣中心、铣车中心、车磨中心等以及配有夹持工件机械手的多动力头加工单元（如瑞典Transflex型机床，加工过程中以工件送进方式到达配有不同刀具的动力头处进行加工，实现多工序“复合”），使复合加工技术成为推动机床结构和制造工艺发展的一个新热点。 　　航空复杂结构件的制造需求 　　航空产品中的复杂结构件占有较大的数量，往往是构成飞机结构、航空发动机结构的关键零件，承受复杂形式载荷作用、维持结构的空气动力形状、抗击各种破坏或腐蚀等，通常采用铝合金、钛合金、高温合金、不锈钢等多种特性的材料。航空复杂结构零件加工过程重点关注两个方面：加工质量和生产效率，复合加工技术为保证航空复杂结构零件加工质量、提高零件的生产效率提供了有效手段。本文重点讨论航空复杂结构零件的切削加工过程。 　　零件的整体化