航空發動機先進數控加工技術應用分析

■中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司 （遼寧 110043） 楊金發 張 軍 李家永 楊萬輝 陳 雷■中航工業沈陽發動機設計研究所 （遼寧 110015） 梁宏坤

航空發動機先進數控加工技術應用分析

■中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司 （遼寧 110043） 楊金發 張 軍 李家永 楊萬輝 陳 雷
■中航工業沈陽發動機設計研究所 （遼寧 110015） 梁宏坤

航空發動機技術已成為衡量一個國家科技水平、國防實力和綜合國力的重要標志之一。而先進數控加工技術是航空發動機技術發展的重要基礎。

航空發動機對數控加工技術的需求

為了滿足飛機對動力裝置的要求，航空發動機始終朝著高推重比、高可靠性、高耐久性、低耗油率、低成本的方向發展。先進的設計方案必需依靠新材料技術及現代制造技術才能實現，而新材料的研發和應用與相應的制造技術也是密不可分的。

發動機設計制造過程中由于性能上的需求而廣泛采用了整體結構件，幾何精度和技術條件要求越來越苛刻，零件趨于薄壁件。零件材料多為高溫合金、鈦合金等難加工材料，加工后零件表面殘余應力較大，對數控設備的精度和使用壽命影響很大。

航空發動機機匣、盤軸、葉片（見圖1）等零件大量采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，切削力大、切削功率高，需要機床主軸有更大的扭矩和功率。這些復雜結構零件采用普通設備很難加工 ，零件加工變形較為嚴重，影響產品質量。

目前，高性能數控機床的研發方向是高精度、高效率，發展節能、綠色環保機床，加速研究超精密加工技術，發展納米機床，復合加工機床以及多軸聯動加工機床，發展具有智能化、網絡化開放式數控系統的機床。

國內在數控工藝技術、數控編程技術等方面與國外存在著一定的差距，工藝準備周期較長，占據了零件整個生產周期的30%以上，效率亟待提高。目前，國外數控編程技術已經朝著智能化、集成化、網絡化方向發展，并在成熟的CAD/CAM軟件平臺上進行了大量研發，構建完成了實用的基于知識或特征的工藝程編平臺。

國內數控行業工藝程編技術還處于通用CAD/CAM軟件的單項應用階段，軟件本身提供的通用功能無法完全滿足復雜結構零件的個性需求，導致數控編程工作量大，編程規范性差、加工策略受限、自動化程度較低、系統集成度有待完善，因此提高工藝準備效率和準確率、建立快速反應平臺尤為重要。

圖1　航空發動機葉片

高效加工技術

高效數控加工是保證零件精度和質量的前提下，通過改進數控技術，降低零件生產成本、提高設備的生產效率，可以說高效加工是將加工時間、加工質量、生產效率以及生產成本合理分配的一種高性能的機械加工技術。

（1）高速銑削技術。高速銑削一般采用高的切削速度、適當的進給量、小的徑向和軸向銑削深度，銑削時大量的銑削熱被切屑帶走。因此，工件的表面溫度較低。隨著銑削速度的提高，銑削力略有下降，表面質量提高，加工生產率隨之提高。

保持金屬去除率的恒定，在高速切削過程中，分層切削要優于仿形加工。刀具切入工件要順暢，保證刀具軌跡的平滑過渡，好的刀具軌跡是保證切削質量的重要條件。

（2）鉆銑加工技術。鉆銑技術主要用于整體葉盤流道加工。切削刀具為可轉位式機夾U型鉆頭。一般銑削工藝去除材料采用的刀具為各種銑刀，而鉆銑技術則采用了鉆孔工藝的刀具即新型U鉆加工葉盤流道，大量去除材料，在采用的工具上有本質的區別，該技術突破了傳統銑削加工只能用銑刀的思路，將鉆孔加工中的刀具應用到型面的加工中。選擇鉆銑刀具時要求刀具有較好的剛性，零件型腔要求刀具具備較好的排屑功能，刀具具備內冷功能，刀具壽命高，切削效率高。U鉆結構上具備內冷卻設計，就具有良好的排屑功能和剛性。

（3）插銑加工技術。插銑法又稱為Z軸銑削法，插銑是實現高切除率金屬切削最有效的方法之一，插銑加工的進給速度相對較低。對于航空難加工材料零件的曲面加工、深槽加工，以及由于結構復雜刀具懸伸較長的零件加工，插銑加工可大幅降低刀具的徑向切削力，使切削力穩定，有效抑制切削系統的振動現象，提高切削效率。插銑加工優勢在于：減少工件變形，降低作用于銑床的徑向切削力，刀具懸伸長度對工件的凹槽銑削十分有利，能實現高溫合金材料的切槽加工。

工件加工是否采用插銑方式，主要應考慮加工任務的要求以及所使用加工機床的特點。如果加工要求很高的金屬切除率，則采用插銑法可大幅度縮短加工時間。另外當要求刀具軸向長度較大時(如銑削大凹腔或深槽)，由于采用插銑法可有效減小徑向切削力，因此與側銑法相比具有更高的加工穩定性。此外當工件上需要切削的部位采用常規銑削方法難以達到時，可考慮采用插銑法加工。

針對航空零件如整體葉盤等復雜結構件，從鍛造毛坯到最終零件加工成形，需要切除大量材料，利用五軸聯動變位插銑方式，可以有效避免加工過程中的振動現象，使此類零件粗加工效率提高50%以上。

（4）擺線銑削技術。“擺線”銑削非常適合高速銑削。在整個加工過程中，切削的刀具總是沿著一條具有固定半徑的曲線運動，它使刀具運動總能保持一致的進給率。在高性能數控設備上采用擺線加工是一種很好的方法。

擺線加工的優點在于能夠大量地去除毛坯材料，提高切削效率；對于難加工材料復雜結構中的窄槽和型腔加工，具有明顯的優勢。

綜合應用以上技術可以有效解決技術瓶頸問題，如整體葉盤加工中采用擺線銑削、鉆銑和插銑復合的粗開槽數控加工方法，利用分區域、變切深的加工方法，可有效增強葉片剛性和加工穩定性；擺線銑、插銑復合的加工方法，提高了刀具的耐用度和材料去除率；有效避免了銑加工過程中產生的振動現象，降低了切削力并且最大限度地拓展了刀具運動空間，提高了零件的加工質量和加工效率。

數控加工虛擬仿真技術

虛擬仿真包括兩個方面：①幾何仿真。應用仿真軟件，借以顯示刀具運動軌跡，并判斷刀具、刀夾與工件及其夾具是否產生干涉。②物理仿真。虛擬加工仿真技術的另一發展是研究解析切削加工過程中的物理現象，并將這一系列切削過程通過計算機模擬出來。

數控加工物理仿真研究內容主要有：切削力建模與仿真、加工誤差建模、加工誤差補償、銑削加工參數優化、切削振動預測、切削熱預測及表面形貌預測等。

在編程過程中，必須要將用于加工的實際刀具長度，刀夾尺寸進行干涉檢查，系統可以根據設置快速檢查刀具、刀柄、夾具之間是否會產生干涉，實際加工過程中刀具、刀柄、夾具的干涉碰撞是操作者最擔心的問題，虛擬仿真類軟件提供精確的刀具、刀柄、夾具的干涉檢查，自動去掉發生碰撞的刀具路徑與指令，并可以給出不發生碰撞的最短夾刀長度，有效避免過切和切削系統碰撞。

切削速度的優化高速控制器，系統可以根據生成刀具路徑在切削時的切削量的變化，自動進行速度優化處理，也就是說在切削量小的地方加快切削速度，而在加工余量大的地方增加切削速度，從而縮短加工時間，提高工作效率，減少刀具損壞，延長刀具壽命，保證了機床和刀具需要的切削載荷的更小變化，提高精加工的表面質量，優化進給量

后，切削時切削速度根據余量的變化曲線變化。

在應用過程中還需突破仿真分析報告自動生成、仿真報告在線管理、仿真資源有效共享等多項關鍵技術，探索基于PDM系統的數控加工程序仿真與管理的研究工作，實現仿真過程的有效監控、仿真結果合理管理，保證仿真資源數據的唯一，這樣可使數字仿真技術水平得到顯著提升。

數控機床在線測量技術

航空精密制造存在的數控機床在線質量控制問題已經很普遍，在使用高速五軸加工機的制造過程中，問題已經很嚴重，都在尋求一種有效的解決方案。使用原始CAD模型作為理論依據進行數控加工過程的產品質量控制，嚴格控制制造過程的相關尺寸精度公差、形位公差、過程余量與工藝評估調整等是一種有效解決方案。

采用在線檢測可方便地在初加工、半精加工等階段很好地控制產品精度，在加工過程中，當零件沒有被從數控機床上卸下之前，做出制造過程中是否繼續、是否返工等正確判斷。通過在加工的每一個階段監測被加工零件的質量，節省大量的加工時間。圖2為整體葉盤的測量，它能夠盡早地發現加工中出現的任何誤差，并盡快地將其修正，從而極大地降低成本，提高效率。例如，它能精確地檢測出粗加工之后各曲面的加工余量，而不用等到全部加工完成后才發現加工過程中存在錯誤，可避免廢品產生。

圖2　整體葉盤的在線測量

先進數控工藝編程技術

國外先進數控加工工藝設計及程編技術方面已經成熟，基本實現了工藝、程編、仿真、機床、控制系統在CAD/CAM系統下的集成應用，可在工藝設計及程序編制的同時實現程序質量控制和加工結果的仿真，并且在智能編程技術方面實現基于特征的程編，大大提高了數控程編和加工效率。

工藝設計與數控程編可實現并行，能及時發現工藝隱患，可實現工藝、設計、程編的有機協同。設計、制造資源與工藝資源形成統一的基礎數據庫，使用單一的數據源，不存在信息孤島。自動化程度高，工藝程編流程簡潔有效，基于特征的程編設計達到了實際應用的階段，專家知識融入工藝程編過程，向智能編程、自動編程不斷發展。

國內工藝程編技術主要沿用或借鑒國外CAD/CAM軟件自身的功能，在工藝程編技術自主創新方面存在先天不足的缺陷。刀具、切削參數、工裝、機床等制造資源與工藝設計系統存在信息孤島；工藝程編基礎數據庫尚未完全形成，工藝設計系統與程編系統相對孤立。

切削加工參數的優化

UG加工數據庫的優化，通過分析加工數據庫的結構特點，典型零件、典型材料的切削參數，建立典型零件的加工參數庫，切削參數針對具體零件、具體的難加工材料、具體的數控機床。在進行類似的零件編程時，能夠快速、準確的生成切削參數，滿足發動機產品的加工需求。UG加工數據庫的優化解決了切削參數的合理設置問題，切削參數根據不同的機床、需要進行不同的調整，滿足不同機床的特殊性需求。如果不區別機床狀態、精度，切削參數都一樣的話，加工效果是不一樣的。通過開發UG車加工、銑加工數據整體設置功能，由單個進行切削參數設置轉變為所有操作集中一起設置，消除了遺漏設置的問題，使切削參數數據應用快捷、可靠。為全程無人干預數控加工打下良好基礎。圖3為全程序無干預數控加工技術應用流程。

先進數控加工資源庫建設

（1）編程仿真UG刀具庫。包括車加工資源庫，銑加工資源庫，UG編程刀具庫等。

（2）編程模塊資源庫。例如車加工、銑型面加工、鉆孔（包括銑螺紋），銑花邊，銑型槽等

（3）仿真環境資源庫。對仿真環境進行進一步的優化，提升仿真環境的防錯能力，調整機床默認換刀位置，在部分機床中增加主軸轉速、進給速度判斷功能，自動檢查程序中出現的小轉速、小進給等不合理參數，保護

零件和刀具等。

（4）后置處理資源庫。在增加部分后置文件的基礎上，也主要在對后置處理文件進行技術升級，消除潛在的不足因素，增加數控程序的防錯能力，如對機床增加自動輸出防錯子程序，開發成組輸出程序能力，修正后置文件中暫停指令的系統默認錯誤等。

（5）典型零件切削參數資源庫。創建UG編程銑加工切削數據庫、車加工數據庫，使數據庫的數據更加符合現場使用情況。可開發多個利用切削數據庫快速生成程序的功能，在解決數據庫使用存在問題的同時，實現由原來逐個編程操作生成切削參數，變為整個工序所有操作一鍵式或幾鍵式完成全部切削參數生成，極大提高數控程序切削參數的生成速度。

（6）設備參數資源庫。目前設備參數資源庫包括各個數控機床的參數，其內容包括機床的行程、主軸轉數、程序傳輸方式及機床主要的編程特點等。

（7）數控設備編程特征資源庫。內容包括各型數控機床的仿真環境示意圖、機床的編程注意事項、程序的編程結構及常用案例等，為不熟悉機床的編程工藝人員提供借鑒。

圖3　無干預數控加工技術應用流程

數控加工防錯技術

數控加工防錯是為了防止操作者的操作失誤，對必須采用刀補加工的內容，通過開發機床功能，借助先進編程手段控制操作的刀補值范圍，消除刀補錯誤隱患，利用數控系統的高級語言編制防錯數控程序，從技術上解決加工出錯問題，將人防改為技防，由計算機把關，滿足條件則加工，不滿足條件則停止，基本可以實現100%防錯。

制約航空發動機零件數控加工能力建設的因素：硬件方面，自動換刀系統等配備應該完善，刀庫配置合理。數控刀具的管理不符合數控加工發展的需要，加工刀具頻繁更換，刀具評價機制有待完善。數控程序切削參數設置參考標準不統一，較為隨意。

結語

堅持自主創新為核心，加強技術基礎研究，夯實技術根基；提升快速反應能力、質量保障能力、技術儲備能力；形成快速反應、工藝試驗、協調平臺、工藝數據應用平臺。

開展一人多機無人值守研究。通過對刀具、虛擬制造技術、機床在線測量技術、機內對刀、工裝管理及數控機床維護管理加工流程等方面系統開發和研究。提升先進數控加工技術的推廣，逐步適應柔性化生產線的管理模式。

總之先進數控加工技術對航空發動機零件的制造具有重要意義，我們還需不斷探索，提升制造技術水平。

收稿日期：（20150510）