多軸車銑復合設備在航空發動機領域的智能化提升應用＊

張臣宏 于建華

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 200241）

車銑復合加工中心是在一臺機床上集約了包括車床、銑床一并加工的場所[1]。車銑復合加工的基本理念是將盡可能多的加工工藝集中在一臺設備上一次完成。與常規數控加工工藝相比，車銑復合加工主要有縮短產品制造工藝鏈以提高生產效率、減少裝夾次數以提高加工精度及減少設備占地面積從而降低生產成本等優勢[2]。航空發動機核心傳動軸如低壓渦輪軸、風扇軸等，在其軸向長度上具有如孔、鍵槽、花鍵、軸頸和螺紋等一系列復雜特征，涉及工藝方法多、工藝路線長和基準轉換頻繁，帶有擺頭銑削主軸，雙驅車削主軸的多軸車銑復合設備的工序集中和基準自動轉換能力在此類零件加工中顯得不可替代。

近年來，隨著智能加工技術日新月異的進步，航空發動機零件設計與制造符合性適航的要求的不斷提高，以及高性能、難加工材料復雜結構零件的迫切需求，在航空零件加工中采用智能加工工藝的條件日益成熟[3-4]，而智能加工設備和強大有效的數據采集是實現智能加工工藝的硬件基礎，即將智能感知、過程監控和自適應控制等智能化功能應用于數控加工設備，這也是充分發揮車銑復合設備在復雜航空零件制造領域優勢的重要途徑。

在車銑復合設備制造領域，歐洲和日本作為引領者始終走在世界最前列。具有代表性的品牌包括奧地利WFL和EMCO、德國DMG和WOHLENBERG、日本OKUMA和MAZAK等[5]。國內高端加工裝備起步較晚，在專用編程和仿真軟件，數控系統遠程服務、刀具破損監控和自適應控制等功能上與航空發動機零件智能加工的需求還存在差距。國產車銑復合設備需要在控制系統智能化，多通道多任務同步加工編程軟件、故障診斷、與發動機零件工藝深度融合的后置處理和數據采集等方面進行性能提升改造，使設備及其配套軟硬件構成一個相對完整的智能化加工單元。充分利用智能加工技術提高設備智能化水平，是解決當下國產制造裝備水平不足與航空領域設計制造需求快速升級之間矛盾的重要手段。

1 智能加工提升整體框架

智能加工技術是在先進加工設備的基礎上借助傳感、仿真和機器學習等跨學科技術以達到加工過程可監視、可控制和可預測的目的[6]，充分融入各類智能化元素的車銑復合設備即可構成一個完整的智能化加工單元。國外高端車銑復合加工設備已實現很高程度的智能化，而國產機床在數控系統智能化、環境感知和配套專業軟件等方面還存在較大差距。在國產高端機床制造水平發展壯大實現趕超之前，通過對現有機床進行技術改造是提升智能化水平的重要過渡手段。加裝上下料機器人單元提升設備自動化水平[7]、部署在線數據檢測和反饋系統提升設備過程檢測能力[8]及利用神經網絡和機器視覺建立車銑復合刀具識別系統以提高機床防碰撞能力[9]等均是利用外部先進軟硬件條件對車銑復合設備進行智能化改造的有效途徑，均達到了提高設備智能化水平的目的。

圍繞國產同步雙驅車銑復合設備KTX1250TC，通過對其軟硬件進行改造并引入外部算法來提升設備智能化水平。首先設計專用柔性工裝提升機床主軸的同步對接能力，解決該設備在航空發動機異形零件高效加工中的不足之處；其次，基于通用工程軟件UG NX進行CAM模塊的后置處理開發，提高車銑復合多策略數控編程效率；最后，利用數控系統接口通訊協議采集機床實時運行數據，在此基礎上引入智能算法實現切削參數自適應優化，最終建立一個可大幅提高航空發動機典型零件加工效率的車銑復合智能加工單元（整體框架如圖1所示）。

圖1 智能加工單元整體框架

2 異形零件柔性裝夾接口

大連科德生產的KTX1250TC臥式五軸加工中心為帶B軸的雙主軸車銑復合設備，其同步雙驅結構可實現長度1 300 mm以內的多特征長軸類零件的車、銑、鉆、鏜等工藝，配合其自主研發的GNC數控系統，可實現復雜零件的一次裝夾加工成形，如圖2所示。為充分發揮其雙工件主軸同步加工功能，針對航空發動機測試系統中常見的安裝座、接嘴座和支桿3類零件設計專用工裝。該工裝安裝于副主軸上，通過更換不同的仿形接口脹套，可實現3類零件在無工藝臺的情況下快速完成同步對接。經計算，針對此3類零件，相比于分設備或手動轉換基準的加工方式，其加工效率可提升至少60%。

圖2 主副軸對接柔性工裝

3 基于UG NX的車銑復合后置開發

目前，國外針對車銑復合加工開發的專用CAM軟件種類越來越多，主要包括ESPRIT、GIBBSCAM和TOPSILID等，其中ESPRIT軟件在多通道多任務車銑復合加工編程及仿真上應用較多。KTX1250TC設備尚無配套的專用車銑復合CAM軟件，而手工編程無法實現復雜的多軸運動變換和車銑復合模式切換，為充分發揮設備加工功能，必須利用成熟的CAM軟件進行加工編程和仿真。UG NX作為一款集制圖、建模、編程和仿真于一體的多功能通用型軟件，已在國內航空、汽車和船舶等行業廣泛應用。由于航空零件工藝的復雜性和特殊性，利用通用型軟件UG NX進行車銑復合設備的加工編程CAM功能特定開發，有針對性的專用后置處理技術是解決問題的關鍵環節。

將前置處理得到的刀位文件通過后置處理提取刀軸方向和刀位點矢量是后置處理的過程，后置處理主要包括4個任務：（1）對機床運動過程進行求解。（2）對運動非線性誤差進行處理。（3）對進給速度進行處理。（4）對數控加工程序格式進行處理[10]。結合特定機床結構和代碼規則，可以利用UG NX后處理構造器Post Builder建立車銑復合加工后處理器[11-12]。為簡化后置處理開發過程，基于UG NX內 置 默 認 后 處 理sim15_millturn_9ax（FANUC），結合KTX1250TC機床結構和GNC62系統主要G代碼、M代碼規則，通過在UG后處理器Post Builder中進行TCL語言開發和替換代碼指令的方式對UG NX常見加工策略進行數控程序輸出測試，不斷提高NC代碼正確率。通過對圖3所示葉片零件實物加工驗證，實現UG NX車削、極坐標銑削和3+2定軸加工和五軸聯動等加工策略NC代碼的準確后處理輸出，最終獲得基于通用軟件UG NX的KTX1250TC車銑復合設備專用后置處理封裝文件。另外，利用該后置文件進行編程操作時，可在CAM任務屬性中設置主軸模式為主軸、副主軸和同步雙驅，分別對應的主軸代碼為S(2)、S(4)和S(3)，實現了對科德同步雙驅車銑復合加工中心加工功能的完全利用，極大地提高了車銑復合編程效率。

圖3 基于UG NX的車銑復合后置處理開發

4 加工過程監控與自適應加工

對于難加工材料的航空發動機零件，由于刀具磨損快、切削條件苛刻，要求設備極限性能工作，加工過程的智能監控以及遠距離通信是關注的重點，主要涉及振動、溫度和刀具等方面的監控與相應的補償方法[13]。通過對加工過程中的主軸功率信號進行記錄、學習和監控，實時判斷加工過程中是否出現諸如崩刃、撞刀和裝夾松動等異常情況并及時報警，實現的步驟如下：（1）記錄加工過程中的主軸功率信號以及相關信息，如圖4a。（2）利用記錄的主軸功率信號數據計算功率信號的上下預警邊界，如圖4b。（3）實時采集加工過程中的主軸功率信號和上下預警邊界，當功率信號的幅值超出預警邊界時，如圖4c、d所示，發出異常警報，并向機床發出急停命令。常見異常情況的原因及處理方法見表1。

在對加工過程數據采集、監控的基礎上，開發自適應加工功能，根據當前所監控到的刀具電主軸負載，自適應調整刀具進給速度。在空載或低載的狀態下，提高進給速度以提升加工效率，在高載荷的情況下降低進給速度保證加工過程穩定性。自適應控制的流程及進給調整算法邏輯如圖5所示，根據主軸瞬時的負載與設定的目標負載之間的誤差計算進給速度修調率，傳輸至數控機床數控系統達到自適應控制從而提高加工效率的目的。

為驗證自適應加工系統有效性，對圖6所示驗證零件的某一加工工序進行監控，在外圓車削過程中通過監測B軸刀具主軸負載實時調整車刀進給速度。加工過程主軸負載曲線如圖6所示，外圓車削加工程序理論加工時間為523 s，自適應調整后加工時間為471 s，加工時間縮短9.9%，且主軸負載平滑曲線始終處于預警邊界內，加工過程平穩無故障。

圖6 自適應加工系統加工驗證

5 結語

隨著航空器的不斷升級換代，航空發動機零件在特征結構、材料種類和精度等級方面的要求越來越高。為適應設計端需求的變化，數控機床正逐步朝著單機功能復合化、系統智能化的方向快速發展，智能制造技術與復合加工設備的結合應用是未來發展趨勢。國外高端車銑復合制造裝備在其長期積淀下已具備相當程度的智能化水平，而國內仍處于不斷追趕的階段之中，主要差距不僅體現在設備精度保持性上，還包括設備配套工業軟件、數控系統智能化功能上。通過借助通用工程軟件和后置處理技術可以在部分策略中實現復合加工數控編程和運動模擬仿真，同時，在機床運行數據實時采集的基礎上利用外部先進算法對加工過程進行干預、調整，也能在一定程度上提高車銑復合加工裝備的智能化水平，進而達到提升航空發動機零件高效率、高精度加工的目的。研究工作主要總結如下：

（1）設計副主軸仿形裝夾接口，可以實現族類特征零件的柔性高效加工。但裝夾接口的非回轉異形特征提高了動態同步對接的難度，在正式加工前需通過打表測量等手段獲得準確的副主軸裝夾坐標系，并與主軸上工件坐標系保持同步。

（2）通過UG后處理器Post Builder和TCL語言的結合，可以實現車銑復合設備的專用后置開發，完成了極坐標、3+2、五軸加工、主副軸同步加工等常用加工策略的后置處理，該后置文件可滿足常見零件加工編程需求。但對于多刀塔車銑復合機床涉及的多任務同步加工策略未進行研究。

（3）利用KTX1250TC設備數控系統自有的主軸功率信號，通過數據采集、分析并結合智能控制算法，實現加工過程的實時監控、異常處理和進給自適應調整，提高了車銑復合設備在航空發動機零件加工過程中的智能化水平。通過零件實物加工，驗證了自適應加工系統可滿足車銑復合設備在不影響加工穩定性的前提下提高加工效率。下一步可利用多種物理量傳感器對設備進行改造，實現車銑設備對加工過程振動、噪音和切削力等信號的監測能力，并結合機器視覺視頻監控和物理仿真技術，建立加工過程數字孿生體，進一步提升車銑復合設備在航空發動機零件制造領域的智能化應用水平。