全過程無人干預數控車削技術分析

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 楊 楠佟春雷 董 超 楊惠欣

高級工程師 楊金發

隨著航空發動機零件的材料越來越難加工，結構越來越復雜，大量新材料、新技術被引入航空發動機零件（見圖1）的加工中，這些先進的加工技術不但能提高零件的加工效率，還能有效控制薄壁零件的變形，提高零件的加工質量。

圖1 整體葉輪

全過程無人干預數控車削技術特點

全過程無人干預數控車削技術是指在零件加工過程中將加工刀具、加工參數及走刀路線在程序中設定并固化，以達到整個加工過程不需要人為調整就能加工出合格零件的加工方法。這種加工方式在國外的發動機制造行業以及國內其他行業的機械加工中已得到了廣泛的應用，但在國內航空發動機制造行業中技術還不夠成熟。

相對于傳統的數控加工模式，全過程無人干預數控車削技術的特點就是無人干預。這里所說的無人干預是指在零件的加工過程中，無人控制、無人換刀以及無人測量，是數控機床高智能化加工的完美體現。

刀具的選擇

編程人員在建立完加工模型后，首先要根據加工部位的特點確定加工刀具，刀具的選擇應盡可能選擇少的種類，要保證機床刀具庫刀位數量夠用。加工時程序根據加工需要自動從刀具庫中調用所需刀具，不需要工人根據工步卡按程序號調用刀具，所以在編程時需要用的刀具必須放在刀庫中指定的位置，否則程序中調用刀具一旦出錯就會影響零件的正常加工。數控刀具一般以標準刀具為主。

加工路線的選擇

在零件的模型中要建立余量圖，將余量均勻地拆分，拆分余量以刀具的切削深度為標準。選擇合適的刀具編程，實現均勻去除余量。

同一種刀具去除余量過程中，如果走刀路線過長、刀具磨損嚴重，無法用一把刀走完整條路線，可在路線中適當位置安排暫停指令，工人可以在此處更換新刀片，此后繼續完成整條路線的加工。

走刀路線的安排是整個加工過程中最重要的部分，走刀路線要確保每刀的切削深度都在刀具的承受范圍之內，刀具的切削過程最好是均勻地去除余量，如果局部余量過大，容易導致受力不均，造成刀具破損，從而造成零件表面超差。

編程時還須特別注意進、退刀的位置。因為不需加刀補值，所以不需考慮進、退刀偏置情況，編程時的進刀點就是實際加工時的進刀點。進、退刀點的遠近要根據零件的實際狀況確定。

加工參數的設置

“無人干預數控車削”這種加工方式的換刀及對刀均是在程序中設定好的，選定刀具后進行對刀，把刀長和刀具半徑輸入到相應的地址中后，將每把刀具放在刀庫中指定的位置，用程序自動調用。

以某零件精車為例，采用數控立車加工，將工序所要用的7把刀放在刀庫中相應的位置，并將刀位號記錄好，將每把刀的刀長和刀具半徑輸入到相應的地址中。本工序有一個刀桿需要放置兩種刀片，兩種刀片對刀時的刀長及半徑存在差異，將兩種刀的兩個參數分別放在同一個刀位號的兩個不同的地址號D1、D2中。編程時使用這兩種刀具的地址號分別為D1、D2，不同刀具參數所放置的寄存器地址一定要與編程時所寫的地址一致。

編程時將對應的刀位號在程序中設定好，調出刀具后利用對刀儀自動對刀。

編程時，在需要換刀及對刀的位置編寫程序段，將程序段中刀具號及參數地址號按實際使用刀具修改，就可以實現自動換刀及對刀。

在程序中調出刀具后安排暫停程序，目的是讓工人檢查刀片情況，看是否能完成下一步加工，如果刀具磨損嚴重須及時更換，更換后方可繼續零件的加工。

“無人干預數控車切削”這種加工方式的另一個重要部分就是加工參數的固定。

以往的數控車加工過程中，工人大多通過機床上的倍率開關調節加工參數的大小，主要是進給率。在非切削部分，工人將進給率調至130%以減少空走刀時間，在切削余量增大時則將進給率調至60%甚至更低，以降低刀具承受的沖擊。這些調整對整個加工過程都是有利的，但工人調整這些參數很可能出現人為失誤，會對零件的加工過程造成不良的影響。

“無人干預數控車削”這種加工方式通過細化余量及走刀路線，盡可能地減少空走刀路線，在空走刀時程序中加大進給率；同時在余量驟增、驟減處自動降低或增加進給率。這樣，工人在整個加工過程中就不需要參與進給率的調整工作了。

在走刀路線選擇的時候已將走刀余量細化均勻，在刀具進入拐角之前應降低進給率至正常切削時的一半左右，在刀具走出拐角時將進給率恢復正常，這樣就可以滿足無人干預調整加工參數的要求了。

這些工作都是在編程時做的準備，在零件生產時可根據機床功率的變化情況對加工參數進行調整。將空走刀路線縮短或提高進給率；在功率大于正常值位置適當降低進給率。所有調整均在程序中進行，調整后的程序繼續試加工零件，直至加工參數合理為止。

高級編程語言的應用

對一些尺寸精度要求比較高的零件，就需要借助高級編程語言及先進的機內測量機構來保證零件合格了。

加工一個精度特別高的零件尺寸是不可能一次加工合格的。由于加工時存在讓刀現象，所以往往加工后的實際尺寸和理論計算尺寸會有些許誤差。誤差的大小和零件的材料以及采用的刀具等諸多因素有關。如果要加工的尺寸很精，通常采取的辦法是在剩余余量很少的情況下不斷測量零件實際值，再根據測量實際值繼續上刀加工，直到尺寸合格為止。這種方法有兩個重要環節需要由工人完成，一是由工人使用測具對尺寸進行測量；二是由工人計算實際值與理論值的差距，并將差值輸入機床里。理想的無人干預加工方式采用機內對刀及測量儀器在線測量來消除人為因素對加工造成的干擾。粗加工完成后程序暫停，機內測頭對加工尺寸進行在線測量，程序中將測量實際值與理論值進行比較，若合格則進行下一個尺寸加工，若不合格則根據兩者比較差值繼續上刀加工，直到加工尺寸合格為止。

這種加工方法完全消除了數控加工過程中人為因素的干擾，影響零件尺寸的關鍵因素都是在程序中進行計算，這樣就避免了因人為失誤而造成的零件超差。人的主觀失誤是難免的，這種失誤不是單單靠硬性的要求就可以避免的，要想完全消除人為失誤，唯一的方法就是消除人的參與。無人干預數控加工方式就是消除人的參與的加工方式，除了消除人的干預，同時還要能檢測出設備的突發錯誤，才能更好地保證零件的加工。設備突發錯誤主要出現在測量方面，測量方面有時可能存在測頭損壞或測量位置不佳，需要在程序中限定上刀值，若根據實際測量結果計算出的上刀值超出安全值范圍，程序應暫停并報警 ，待問題解決后繼續運行程序。

程序中完全消除人的干預是個理想的狀態，然而目前不是所有的數控車床都具備在線測量的功能，這樣就無法實現自動測量、自動計算及自動上刀的過程。沒有在線測量就需要由工人測量零件加工尺寸，再根據測量尺寸上刀加工。可以讓工人輸入測量的實際值，由程序對實際值和理論值進行比較計算，再根據程序計算尺寸進行上刀加工。這樣不需要工人對測量尺寸進行計算，只需要工人測量出零件的實際值，并將實際值輸入機床（見圖2），避免了工人出現計算錯誤的情況。在程序中還可以增加對輸入尺寸的限制功能，限制輸入尺寸的范圍可以有效避免工人輸入實際值輸錯造成的零件尺寸超差現象。

圖2 車銑復合加工機床

要實現無人干預程序自動測量、自動上刀以及防錯等功能，就需要高級編程語句。程序中要有完整的結構，用以解決所有加工中可能出現的問題，消除人的因素在解決問題過程中產生的干擾，實現整個加工過程的無人干預式加工。

經過程序調整之后，工人只需要在相應的刀位上準備好刀具，然后按下啟動鍵就可以正常加工了。整個加工過程，工人不需再考慮下一刀刀補上多大、加工哪個部位需要調低進給率等問題，這樣就大大減輕了工人在加工過程中的勞動強度，降低了加工出錯的幾率。

航空發動機零件材料大都為難切削材料，刀具極易磨損，因此對刀具壽命進行精確的統計、掌握換刀的最佳時機尤為重要。“無人干預數控車削”這種加工方式的采用是通過減少零件生產過程中人的因素造成的誤差，從而提高了零件加工質量。這種加工模式是將加工過程中需要由工人決定的問題在數控程序中解決，消除了由于人的主觀因素造成的零件尺寸超差。

結語

隨著數控車床越來越多地應用到盤類、機匣類零件的加工中，傳統的加工方法已經不能完全滿足生產的需要，無人干預數控車削技術將不斷完善，廣泛開展對數控機床自動換刀功能、刀具壽命管理、在線測量技術、零件變形控制及刀具切削參數優化等相關技術的研究和應用，最終實現航空發動機零件的高效率、高質量和低成本加工。