典型航空發動機零部件自動化加工應用技術

于 璐，祁俊軒，李海泳

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 加工自動化需求分析

近年來企業數控機床擁有量快速增長，數控加工已成為航空發動機關鍵零部件加工制造的重要方法。隨著航空發動機批產進程的推進，航空發動機批產能力受制于其產品的材料和結構工藝特點的現狀逐漸暴露，表現在加工過程中手工操作、人為干預較多，存在較大的質量波動及出錯幾率高等問題，對數控設備功能指令理解不全造成數控設備利用率較低、工藝過程中工藝參數相對保守，產品質量難以有效提高，數控加工質量和效率與航發發動機對制造過程“優化、高效、低耗”的要求有較大差距。

為改變這一現狀，公司依托現有資源和能力，實施了航空發動機“典型單工序自動化加工應用”工程項目，通過提升數控設備利用率，優化工藝參數和切削用量，優化數控加工工藝等內容，以點帶線，實現典型零件關鍵工序的高效、精密和全程序過程人工干預最小化的數控加工，以整體提高航空發動機的批產優質交付能力。

2 加工自動化目標效果

航空發動機自動化加工的目標效果最終體現為

1）幾何準確度、表面質量符合設計要求。

2）機加工切削效率由20%提高到60%。

3）工人實操工時降低、刀具損耗降低、設備利用率提高等使加工成本降低。

4）工人在工序加工過程盡量保證人工干預最小。

3 加工自動化分層次實施內容

自動化加工分層次實施內容如圖1所示，可分為數控程序準備一體化、數控程序質量標準化和單工序機加自動化三方面。

圖1 自動化加工分層次實施內容

數控程序準備一體化是集計算機技術、機械制造技術、自動化控制技術及測量技術等多學科交叉技術于一體的，通過在一個系統平臺上實現CAM編程、刀具軌跡驗證及優化、后置輸出、仿真驗證和數字化檢測一體化,保證數控程序的完整性、準確性和安全性，以提高工作質量和效率，提升整體CAM 技術水平 。

數控編程存在工作量大、重復性勞動多和質量完全依賴于CNC 工程師的知識積累等缺陷，數控程序質量標準化通過規范編程、后置處理標準化，同時在輸出數控程序中增加各種防錯保證數控程序的完整性、準確性和安全性和以提高工作質量和效率，提升整體CAM 技術水平。

單工序機加自動化是指基于快換工裝、在線測量、機內對刀和自適應加工等技術，通過優化、固化加工刀具和工藝參數，采用程序控制方法，減少數控加工過程人為干預，改變傳統的人工測量、手動刀補進刀的數控加工方法，形成具有自動測量、自動加工補償和防錯控制等特點的全程序干預最小化數控加工模式，以提高數控加工過程的可靠性、穩定性和一致性，同時減少數控加工過程的輔助加工時間、非增值環節，達到提高加工效率、降低加工成本和保證加工質量的目的，從而整體提升發動機的批產優質交付能力。

4 數控程序準備一體化應用技術

（1）典型零件加工數據庫關聯技術

發動機零件結構復雜，為了能夠實現零件數控程序的快速編程，需要有數據庫作為支持，通過將成熟的加工經驗和經典的加工方知識固化下來，作為特征識別和程序編制的依據。數據庫中應該包含零件結構數據、切削方法數據庫、加工特征數據庫、零件材料數據庫、加工策略數據庫、加工刀具庫、加工機床數據庫和切削參數庫等各種制造資源以及加工知識庫，典型機匣類零件的相關數據庫的關聯關系如圖2所示，在實際編程過程中，工藝人員能夠將常用的具有代表性的制造資源以及加工知識庫按照接口要求添加到數據庫中，對數據庫進行更新和完善，使編制的刀具軌跡適用范圍更大。

圖2 典型零件加工數據庫關聯

（2）數控編程自動化技術

以典型零件模型為載體，通過特征梳理與工藝定制，確定支撐特征編程模塊的制造資源庫與工藝知識庫架構，基于加工特征完成工藝規劃以及工藝決策，通過加工特征識別實現加工工藝的映射（一對一映射、一對多映射），達到CAM快速編程，包括刀具選擇、刀軌數量及加工順序和刀軌參數等，具體流程如圖3所示。特征驅動的數控編程自動化一方面批量自動產生刀軌，提高編程效率；另一方面通過MKE（工藝知識編輯器）固化典型特征的編程經驗，降低編程難度，確保程序質量。

圖3 數控編程自動化流程

5 數控程序質量標準化技術

（1）刀具軌跡防錯規范化

在刀具軌跡設計中刀具選擇、切削參數選擇、加工模型建模、加工策略選擇等關鍵要素，確定每個階段的控制點，歸納控制規則，從而形成刀具軌跡防錯規范化的關鍵要素控制方法及其工作流程，具體內容如圖4所示。

圖4 刀具軌跡防錯

（2）后置處理輸出防錯多樣化

在刀具軌跡后置處理輸出數控程序過程中采用程序頭尾固定化、設計多種后置處理過程防錯方法以及應用多種在線測量方法等實現后置處理輸出防錯多樣化，具體內容如圖5所示。

圖5 后置處理輸出防錯

（3）加工過程防錯多樣化

在加工過程中應用數控程序防錯多樣化、加工過程監控多樣化、人員素質提升以及管理制度流程與時俱進、持續推進來達到加工過程防錯多樣化的目的，加工過程防錯多樣化的具體內容如圖6所示。

圖6 加工過程防錯

6 單工序加工自動化應用技術

（1）機內刀具測量技術

在加工設備中配備刀具檢測系統，如圖7所示，刀具檢測系統是一種準確度極高的光學測量裝置，可在加工過程中監控加工中的刀具狀況并進行自動刀具測量，將刀具屬性輸入至加工設備中。檢測刀具的幾何輪廓，能及早偵測出調用錯誤及預設錯誤的刀具，同時也可得知刀具是否已破損或磨損過量。這種操作方式可以有效地避免工件及后續刀具的損壞。

圖7 刀具檢測系統

（2）機內在線測量技術

在加工設備中裝配在線測量系統，如圖8所示，使用在線測量代替手動測量。數控加工中心在線測量免去了工件的反復裝夾、校正的過程。比離線檢測減少了工件檢測的時間，提高了檢測效率。加工與檢測在同機上完成，檢測反饋信息可用于修改加工G代碼，形成加工—檢測—再加工的閉環系統，提高尺寸合格率。

圖8 在線測量系統

在線測量這項功能是在機床上將零件的實際加工輪廓進行測量，與理論值進行對比，同時將差值補償在零件加工的程序里，再把程序有機串聯起來，編譯到NC程序當中實現的。這一新技術的開發極大地提高零件的加工質量穩定性，機床自動測量代替了人工干預測量。

（3）自適應控制與監測技術

自適應控制與監測能夠通過檢測主軸監控（刀具平衡檢測、沖突檢測和軸承檢測等）以及刀具監控（破損檢測、磨損檢測等）實現刀具、機床的過載保護，運用內部的專家系統對采集的主軸負載信號和相應的刀具及材料數據進行分析處理，系統自動判斷進行實時調整機床的進給倍率，從而實現穩定負載的高效加工，如圖9所示。

圖9自適應控制與監測技術

7 單工序機加自動化應用工作流程

結合在線測量技術和優銑加工技術，在機加工過程中人工干預盡量最小化，通過自動校準、自動找正、自動加工、自動測量、自動補償和自動適應等實現加工自動化過程，如圖10所示。

圖10單工序機加自動化應用實踐工作流程

8 結束語

隨著科技發展和技術進步，加工自動化、智能化正在改變各個行業。中國航發將以“數字化、自動化、智能化”為目標，系統規劃、分步實施，從提升產品關鍵特性的制造自動化水平著手，逐步提升發動機生產線自動化水平，滿足航空發動機產品發展的需求。