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　　復(fù)合加工的主要特點是綜合應(yīng)用機械、光學(xué)、化學(xué)、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(chǎn)率往往大大高于單獨使用各種加工方法的生產(chǎn)率之和。復(fù)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(zhì)量及工具損耗等，具有常規(guī)單一加工技術(shù)無法比擬的優(yōu)點。通常所說的復(fù)合加工技術(shù)具有2 種含義，一種是以能量或運動方式為基礎(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)的機械加工工藝為主的復(fù)合，這是數(shù)控加工領(lǐng)域近年來快速發(fā)展的高效率加工方式。

復(fù)合加工技術(shù)主要解決2 個方面的問題：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入廣泛應(yīng)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(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、單晶體和藍寶石晶體)，復(fù)合加工技術(shù)更有了新的用武之地，可以對陶瓷、玻璃和半導(dǎo)體晶片等硬脆性材料以經(jīng)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(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如表1 所示。在普通精度機械制造領(lǐng)域，以常規(guī)機械加工、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。近年來隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品零件整體化設(shè)計方法的廣泛應(yīng)用，機械加工領(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。

　　常見復(fù)合加工方法

　　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，在一臺設(shè)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(fù)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(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)一直與機床結(jié)構(gòu)發(fā)展密切相關(guān)。從19 世紀40 年代轉(zhuǎn)塔車床、20 世紀初期組合機床的廣泛應(yīng)用，到20世紀50 年代出現(xiàn)的三軸數(shù)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(fù)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(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(fù)合加工方法。20 世紀90 年代后期開始出現(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(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(zhuǎn)軸（車削回轉(zhuǎn)、銑削回轉(zhuǎn)及銑頭擺動），且配有自動換刀系統(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)展起來的，相當于1 臺車削中心和1 臺銑削加工中心的復(fù)合（車削為主功能，銑削屬于輔助功能），可以在1 臺車銑中心上，經(jīng)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(fù)合加工機床可以滿足以回轉(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)最先進的機械加工設(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 軸運動方式基礎(chǔ)上，將回轉(zhuǎn)工作臺作為車削回轉(zhuǎn)軸，且配有自動換刀系統(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)展起來的，相當于1 臺銑削中心和1 臺車削中心的復(fù)合( 銑削為主功能，車削屬于輔助功能)，可以在1 臺銑車中心上，經(jīng)過一次裝夾，完成工件上槽、型面、開口、孔、外圓等結(jié)構(gòu)的銑、車、鉆、攻絲等加工，擴大了銑削加工工藝范圍。這類復(fù)合加工機床可以滿足以復(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，是近年來為滿足燃氣輪機、航空發(fā)動機、電站發(fā)電設(shè)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(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是2 種或2 種以上能量復(fù)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(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(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、超聲振動切削、電解磨削、電火花超聲加工、化學(xué)機械拋光等。

電解在線修整磨削(electrolyticin-process dressing,ELID) 是日本物理化學(xué)研究所的大森整博士發(fā)明的超精密加工技術(shù)，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(jié)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(chǎn)率的復(fù)合加工技術(shù)。ELID 磨削系統(tǒng)中，冷卻液為電解液，磨輪旋轉(zhuǎn)時在電極作用下金屬結(jié)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(jié)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(yīng)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(fù)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(zhì)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(yīng)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(yīng)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(fù)雜、加工精度和表面質(zhì)量要求又較高的零件。

電解磨削是靠陽極金屬電化學(xué)腐蝕作用和機械磨削作用相結(jié)合，通過電化學(xué)作用蝕除金屬產(chǎn)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(fù)合加工比電解加工有更好的加工精度和表面質(zhì)量，比機械磨削有更高的生產(chǎn)率。電解磨削系統(tǒng)中，金屬結(jié)合劑的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)物及產(chǎn)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(dǎo)電材料；磨削力小，磨削熱很少，消耗功率也小，不會產(chǎn)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(zhì)量。目前，電解磨削主要用來加工高硬度、易產(chǎn)生硬化燒傷現(xiàn)象及熱敏感材料的零件，如硬質(zhì)合金、鈦合金葉片等。

　　復(fù)合加工技術(shù)的典型應(yīng)用實例

整體化薄壁結(jié)構(gòu)零件是現(xiàn)代飛機、航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)中常見的設(shè)計形式，整體薄壁結(jié)構(gòu)件不僅能滿足飛機與發(fā)動機結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計追求，而且能滿足航空產(chǎn)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(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，加工時裝夾困難、加工過程中易產(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)過比較復(fù)雜的工藝流程、數(shù)十至數(shù)百個工序才能完成加工，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、一次裝夾實現(xiàn)多工序復(fù)合加工”的理念貫穿在零件切削加工過程中，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、多方法同時作用實現(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程中。

　　1 銑車復(fù)合加工技術(shù)的典型應(yīng)用

發(fā)動機整體機匣類零件是適合銑車復(fù)合加工的典型零件結(jié)構(gòu)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(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(diào)過程，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(fù)合加工技術(shù)的典型應(yīng)用

飛機產(chǎn)品中適合車銑復(fù)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(zhuǎn)體外形—銑床：以粗車的回轉(zhuǎn)體外形為基準，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(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(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(chǎn)生拉應(yīng)力，磨削過程中必須采取降低磨削應(yīng)力的工藝方法。為了達到低應(yīng)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(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)，這種工藝方法在國外已經(jīng)獲得應(yīng)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(jié)合劑的金剛石砂輪)，砂輪表面上砂輪與鈦粘結(jié)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(jù)試驗[2]，鈦合金零件金剛石磨削推薦下列磨削條件和參數(shù)：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(zhuǎn)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(jié)論是：對于鈦合金葉片，金剛石磨削后葉片的葉背產(chǎn)生比砂帶磨削更大的殘余壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)力數(shù)值和特點有影響，增加速度、深度和加工區(qū)冷卻液供應(yīng)不足時形成殘余拉應(yīng)力。

　　結(jié)束語

　　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。航空產(chǎn)品制造領(lǐng)域一直是先進制造技術(shù)發(fā)揮作用的重要舞臺，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。

　?。ㄖ泻焦I(yè)北京航空制造工程研究所 王焱）

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