面向第四代航空發動機的數控加工發展趨勢分析

摘 要：從分析第四代航空發動機的典型結構特點入手，詳細闡述了第四代航空發動機零件特點對數控加工中心的需求，并指明了滿足第四代航空發動機制造的數控加工中心發展方向。

關鍵詞：數控加工；航空產品；需求分析；發展趨勢

1 對數控加工需求分析

1.1 對精度與軸數的要求

首先根據被加工零件的精度，綜合考慮裝夾、找正誤差和加工誤差等因素，來確定所選擇機床的精度。其次根據被加工零件的幾何形狀，考慮自由曲面構成在加工時對刀具刀軸的要求，從經濟的角度盡可能選擇軸數較少的機床。比如，某些錐形薄壁大型件有正反兩個不同方向的錐角，盡管外壁為可展曲面，但是加工外壁直徑時，需要用棒形銑刀的端面加工，刀軸法向于外壁，故需要五坐標加工中心加工。主軸的旋轉范圍除正常的0°～90°外，需要額外增加向上旋轉的角度范圍，即上仰角。否則就必須通過零件的二次裝夾找正來解決不同方向的錐形外壁加工。

1.2 對冷卻功能的要求

以往零件的加工中多采用外部冷卻，隨著近年來數控加工設備功能的不斷完善以及發動機難切削材料的需求，加工中已經大量使用主軸內、外部同時冷卻的方式。通過對難加工材料耐熱高溫合金、鈦合金的切削試驗和零件加工驗證表明，這種內、外冷卻組合方式的應用對降低零件表面的切削溫度、延長刀具使用壽命、提高切削效率和降低表面粗糙度確實具有良好效果。目前，一些高端機床廠家研制的現代機床配備了高壓噴射冷卻系統，冷卻液流量充沛、射流方向與射流部位準確，因此切屑的斷屑形狀、切削熱的傳導、工件材料在切削刃上優良的粘結性、刀具磨損、材料表面完整性等加工特性會有顯著提高。國外資料表明，高壓冷卻（HPC）在鈦合金、耐熱超級合金等難加工材料的加工中，表現出令人驚奇的效果。通常在一些盤、環類零件的車削中，特別是在封閉區域的加工中，切屑過長、斷屑和排屑不及時，會使已加工表面產生刮痕，粗糙度受到影響。

1.3 對數控加工程序的要求

目前，歐美等國家數控銑削加工中心或者車削中心裝載數控加工程序大多介質型號為NCU573.5，容量為2MB。在運行程序時，機床控制系統要占用一部分，因此，留給用戶的空間一般小于2MB。當數控程序超過此容量時，需要將整個程序拆分成幾部分，或者采用外部硬盤運行的方式。當程序結構過于復雜、采用子程序循環等機床內部配備的高級語言編程時，外部硬盤運行方式也將失效，給零件加工表面帶來不必要的接刀痕，影響表面質量。

盡管制造企業數控程序的編制已經實現采用CAD/CAM通用軟件例如UGNX等，并采用虛擬仿真技術對程序進行仿真驗證，來檢查刀具軌跡的正確性。但是在正式加工前應該用機床內部所配備的刀具軌跡顯示模塊，對程序進行軌跡模擬顯示，這對于編程者所選定的零件編程坐標系是否與工件坐標系重合，起到一個校正作用，對保障零件加工質量非常有益。

1.4 對控制系統的要求

對于同一制造企業而言，都擁有多種銑削、磨削或者車削加工中心，但這些加工中心最好采用相同廠家的控制系統，便于使用維修，零件具有良好的互換性，維修時也有益于對系統更深入的研究與應用。避免每種系統都停留在淺層了解階段，處于不精、不深的狀態中，也可以通過對系統軟件功能的深度開發后，便可大面積推廣應用，減少重復性工作。近年來，結合復雜零件的加工，很多企業對控制系統中的一些高級指令等進行了研究與應用。例如刷新功能、刀尖跟蹤功能、循環功能、子程序嵌套、內存虛擬擴容和在線測量功能等。對于實現復雜零件的數控加工，實現幾何尺寸的精密成型，保證產品質量，起到了不可或缺的作用。

1.5 對在線測量功能的要求

隨著現代制造企業對于制造效率和工件質量提出了越來越高的要求，原來那種加工完成后，卸載并交由計量部門進行公差和精度檢驗的方式已經越來越不能適應新產品研制的需求，要求能夠實現在線測量。傳統的手工測量工具雖然有較好的移動性，但測量精度低、功能相對單一。利用在線測量系統和在加工中心實現測量的方法，能夠很好的滿足精密、不便于移動和超大型工件的測量要求。例如對于車削加工中心，加工刃具幾何尺寸的測量非常必要。對于某些公差尺寸較嚴的部位，要求對裝入刀夾后車刀的軸向、徑向長度尺寸測量的非常精確。而機床配備了雷尼紹測頭后，可精確地測量出刀具各方向的刀長，為精密加工提供了有利的保障。

對于一些處于試制階段的零件，應用在線測量技術可以避免測量工裝的應用，縮短研制周期。國外較為先進的加工中心所配備的840D西門子控制系統，具備一般在線測量功能，可以測量法向于Z軸的加工尺寸。

2 數控加工發展方向

2.1 高速度與高精度化

速度和精度是數控加工的兩個重要技術指標，它直接關系到加工效率和質量。目前，新型的加工中心都使用32位甚至64位微處理器技術，最小移動單位不斷縮小，最大進給速度和主軸轉速不斷增加。

2.2 高度智能化

智能化是體現數控加工運用高技術的重要標志，它表現在運用自適應控制技術；運用人機對話自動編程功能建立切削用量系統；運用自診斷功能判別故障模式。

2.3 高度集成微型化

控制系統體積的小型化便于將機、電裝置揉合為一體。目前，高端系統都采用三維安裝方法，采用新型彩色液晶薄型顯示器和觸摸屏。

2.4 高可靠性

數控加工中心價格較高，制造企業期望發揮投資效益，要求設備可靠，特別是對要用在長時間無人操作環境下運行的數控系統，可靠性成為人們最為關注的問題。

2.5 高度網絡化

為適應FMC、FMS以及進一步聯網組成CIMS的要求，一般的數控系統都具有高速串行接口。現代數控加工中心為了適應自動化技術的進一步發展，滿足工廠自動化規模越來越大的要求，滿足不同廠家不同類型數控機床聯網的需要，紛紛采用先進的工業控制網絡。

2.6 高度開放性

傳統的數控系統是一種專用封閉式系統，各個廠家的產品之間以及與通用計算機之間不兼容，維修、升級困難，越來越難以滿足市場對數控技術的要求。為此，提出了開放式數控系統的概念，現正在大力研究開發開放式數控系統，有些已進入實用階段。

3 結束語

綜上所述，隨著第四代航空發動機性能和可靠性要求的不斷提高，加工其零件的數控加工中心應功能齊備、性價比高、可擴展性強和滿足多種零件特點的設備，同時具有較高的維護性和較低的使用成本，這類數控加工中心也將為第四代航空發動機的研制提供較大空間和有力支撐，必將受到用戶青睞。

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作者簡介：徐健（1978，4-）男，遼寧沈陽，本科，工程師，研究方向：機械設計與制造。