■中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 （遼寧 110043） 楊金發(fā) 張 軍 李家永 楊萬(wàn)輝 陳 雷■中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所 （遼寧 110015） 梁宏坤

航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用分析

■中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 （遼寧 110043） 楊金發(fā) 張 軍 李家永 楊萬(wàn)輝 陳 雷
■中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所 （遼寧 110015） 梁宏坤

航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技水平、國(guó)防實(shí)力和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志之一。而先進(jìn)數(shù)控加工技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)數(shù)控加工技術(shù)的需求

為了滿足飛機(jī)對(duì)動(dòng)力裝置的要求，航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)展。先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案必需依靠新材料技術(shù)及現(xiàn)代制造技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)，而新材料的研發(fā)和應(yīng)用與相應(yīng)的制造技術(shù)也是密不可分的。

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造過(guò)程中由于性能上的需求而廣泛采用了整體結(jié)構(gòu)件，幾何精度和技術(shù)條件要求越來(lái)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(yīng)力較大，對(duì)數(shù)控設(shè)備的精度和使用壽命影響很大。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、盤軸、葉片（見(jiàn)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(jī)床主軸有更大的扭矩和功率。這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件采用普通設(shè)備很難加工 ，零件加工變形較為嚴(yán)重，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

目前，高性能數(shù)控機(jī)床的研發(fā)方向是高精度、高效率，發(fā)展節(jié)能、綠色環(huán)保機(jī)床，加速研究超精密加工技術(shù)，發(fā)展納米機(jī)床，復(fù)合加工機(jī)床以及多軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床，發(fā)展具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。

國(guó)內(nèi)在數(shù)控工藝技術(shù)、數(shù)控編程技術(shù)等方面與國(guó)外存在著一定的差距，工藝準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)，占據(jù)了零件整個(gè)生產(chǎn)周期的30%以上，效率亟待提高。目前，國(guó)外數(shù)控編程技術(shù)已經(jīng)朝著智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，并在成熟的CAD/CAM軟件平臺(tái)上進(jìn)行了大量研發(fā)，構(gòu)建完成了實(shí)用的基于知識(shí)或特征的工藝程編平臺(tái)。

國(guó)內(nèi)數(shù)控行業(yè)工藝程編技術(shù)還處于通用CAD/CAM軟件的單項(xiàng)應(yīng)用階段，軟件本身提供的通用功能無(wú)法完全滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的個(gè)性需求，導(dǎo)致數(shù)控編程工作量大，編程規(guī)范性差、加工策略受限、自動(dòng)化程度較低、系統(tǒng)集成度有待完善，因此提高工藝準(zhǔn)備效率和準(zhǔn)確率、建立快速反應(yīng)平臺(tái)尤為重要。

圖1　航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

高效加工技術(shù)

高效數(shù)控加工是保證零件精度和質(zhì)量的前提下，通過(guò)改進(jìn)數(shù)控技術(shù)，降低零件生產(chǎn)成本、提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，可以說(shuō)高效加工是將加工時(shí)間、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)成本合理分配的一種高性能的機(jī)械加工技術(shù)。

（1）高速銑削技術(shù)。高速銑削一般采用高的切削速度、適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量、小的徑向和軸向銑削深度，銑削時(shí)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(zhì)量提高，加工生產(chǎn)率隨之提高。

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

（2）鉆銑加工技術(shù)。鉆銑技術(shù)主要用于整體葉盤流道加工。切削刀具為可轉(zhuǎn)位式機(jī)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(shù)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(zhì)的區(qū)別，該技術(shù)突破了傳統(tǒng)銑削加工只能用銑刀的思路，將鉆孔加工中的刀具應(yīng)用到型面的加工中。選擇鉆銑刀具時(shí)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(nèi)冷功能，刀具壽命高，切削效率高。U鉆結(jié)構(gòu)上具備內(nèi)冷卻設(shè)計(jì)，就具有良好的排屑功能和剛性。

（3）插銑加工技術(shù)。插銑法又稱為Z軸銑削法，插銑是實(shí)現(xiàn)高切除率金屬切削最有效的方法之一，插銑加工的進(jìn)給速度相對(duì)較低。對(duì)于航空難加工材料零件的曲面加工、深槽加工，以及由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜刀具懸伸較長(zhǎng)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(wěn)定，有效抑制切削系統(tǒng)的振動(dòng)現(xiàn)象，提高切削效率。插銑加工優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)度對(duì)工件的凹槽銑削十分有利，能實(shí)現(xiàn)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(yīng)考慮加工任務(wù)的要求以及所使用加工機(jī)床的特點(diǎn)。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(shí)間。另外當(dāng)要求刀具軸向長(zhǎng)度較大時(shí)(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(cè)銑法相比具有更高的加工穩(wěn)定性。此外當(dāng)工件上需要切削的部位采用常規(guī)銑削方法難以達(dá)到時(shí)，可考慮采用插銑法加工。

針對(duì)航空零件如整體葉盤等復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(lián)動(dòng)變位插銑方式，可以有效避免加工過(guò)程中的振動(dòng)現(xiàn)象，使此類零件粗加工效率提高50%以上。

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

擺線加工的優(yōu)點(diǎn)在于能夠大量地去除毛坯材料，提高切削效率；對(duì)于難加工材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的窄槽和型腔加工，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

綜合應(yīng)用以上技術(shù)可以有效解決技術(shù)瓶頸問(wèn)題，如整體葉盤加工中采用擺線銑削、鉆銑和插銑復(fù)合的粗開(kāi)槽數(shù)控加工方法，利用分區(qū)域、變切深的加工方法，可有效增強(qiáng)葉片剛性和加工穩(wěn)定性；擺線銑、插銑復(fù)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(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象，降低了切削力并且最大限度地拓展了刀具運(yùn)動(dòng)空間，提高了零件的加工質(zhì)量和加工效率。

數(shù)控加工虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真包括兩個(gè)方面：①幾何仿真。應(yīng)用仿真軟件，借以顯示刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，并判斷刀具、刀夾與工件及其夾具是否產(chǎn)生干涉。②物理仿真。虛擬加工仿真技術(shù)的另一發(fā)展是研究解析切削加工過(guò)程中的物理現(xiàn)象，并將這一系列切削過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)。

數(shù)控加工物理仿真研究?jī)?nèi)容主要有：切削力建模與仿真、加工誤差建模、加工誤差補(bǔ)償、銑削加工參數(shù)優(yōu)化、切削振動(dòng)預(yù)測(cè)、切削熱預(yù)測(cè)及表面形貌預(yù)測(cè)等。

在編程過(guò)程中，必須要將用于加工的實(shí)際刀具長(zhǎng)度，刀夾尺寸進(jìn)行干涉檢查，系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)置快速檢查刀具、刀柄、夾具之間是否會(huì)產(chǎn)生干涉，實(shí)際加工過(guò)程中刀具、刀柄、夾具的干涉碰撞是操作者最擔(dān)心的問(wèn)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(dòng)去掉發(fā)生碰撞的刀具路徑與指令，并可以給出不發(fā)生碰撞的最短夾刀長(zhǎng)度，有效避免過(guò)切和切削系統(tǒng)碰撞。

切削速度的優(yōu)化高速控制器，系統(tǒng)可以根據(jù)生成刀具路徑在切削時(shí)的切削量的變化，自動(dòng)進(jìn)行速度優(yōu)化處理，也就是說(shuō)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(shí)間，提高工作效率，減少刀具損壞，延長(zhǎng)刀具壽命，保證了機(jī)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(zhì)量，優(yōu)化進(jìn)給量

后，切削時(shí)切削速度根據(jù)余量的變化曲線變化。

在應(yīng)用過(guò)程中還需突破仿真分析報(bào)告自動(dòng)生成、仿真報(bào)告在線管理、仿真資源有效共享等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，探索基于PDM系統(tǒng)的數(shù)控加工程序仿真與管理的研究工作，實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程的有效監(jiān)控、仿真結(jié)果合理管理，保證仿真資源數(shù)據(jù)的唯一，這樣可使數(shù)字仿真技術(shù)水平得到顯著提升。

數(shù)控機(jī)床在線測(cè)量技術(shù)

航空精密制造存在的數(shù)控機(jī)床在線質(zhì)量控制問(wèn)題已經(jīng)很普遍，在使用高速五軸加工機(jī)的制造過(guò)程中，問(wèn)題已經(jīng)很嚴(yán)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(jù)進(jìn)行數(shù)控加工過(guò)程的產(chǎn)品質(zhì)量控制，嚴(yán)格控制制造過(guò)程的相關(guān)尺寸精度公差、形位公差、過(guò)程余量與工藝評(píng)估調(diào)整等是一種有效解決方案。

采用在線檢測(cè)可方便地在初加工、半精加工等階段很好地控制產(chǎn)品精度，在加工過(guò)程中，當(dāng)零件沒(méi)有被從數(shù)控機(jī)床上卸下之前，做出制造過(guò)程中是否繼續(xù)、是否返工等正確判斷。通過(guò)在加工的每一個(gè)階段監(jiān)測(cè)被加工零件的質(zhì)量，節(jié)省大量的加工時(shí)間。圖2為整體葉盤的測(cè)量，它能夠盡早地發(fā)現(xiàn)加工中出現(xiàn)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(cè)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(fā)現(xiàn)加工過(guò)程中存在錯(cuò)誤，可避免廢品產(chǎn)生。

圖2　整體葉盤的在線測(cè)量

先進(jìn)數(shù)控工藝編程技術(shù)

國(guó)外先進(jìn)數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)及程編技術(shù)方面已經(jīng)成熟，基本實(shí)現(xiàn)了工藝、程編、仿真、機(jī)床、控制系統(tǒng)在CAD/CAM系統(tǒng)下的集成應(yīng)用，可在工藝設(shè)計(jì)及程序編制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)程序質(zhì)量控制和加工結(jié)果的仿真，并且在智能編程技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)基于特征的程編，大大提高了數(shù)控程編和加工效率。

工藝設(shè)計(jì)與數(shù)控程編可實(shí)現(xiàn)并行，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝隱患，可實(shí)現(xiàn)工藝、設(shè)計(jì)、程編的有機(jī)協(xié)同。設(shè)計(jì)、制造資源與工藝資源形成統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，使用單一的數(shù)據(jù)源，不存在信息孤島。自動(dòng)化程度高，工藝程編流程簡(jiǎn)潔有效，基于特征的程編設(shè)計(jì)達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的階段，專家知識(shí)融入工藝程編過(guò)程，向智能編程、自動(dòng)編程不斷發(fā)展。

國(guó)內(nèi)工藝程編技術(shù)主要沿用或借鑒國(guó)外CAD/CAM軟件自身的功能，在工藝程編技術(shù)自主創(chuàng)新方面存在先天不足的缺陷。刀具、切削參數(shù)、工裝、機(jī)床等制造資源與工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)存在信息孤島；工藝程編基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)尚未完全形成，工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)與程編系統(tǒng)相對(duì)孤立。

切削加工參數(shù)的優(yōu)化

UG加工數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化，通過(guò)分析加工數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，典型零件、典型材料的切削參數(shù)，建立典型零件的加工參數(shù)庫(kù)，切削參數(shù)針對(duì)具體零件、具體的難加工材料、具體的數(shù)控機(jī)床。在進(jìn)行類似的零件編程時(shí)，能夠快速、準(zhǔn)確的生成切削參數(shù)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的加工需求。UG加工數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化解決了切削參數(shù)的合理設(shè)置問(wèn)題，切削參數(shù)根據(jù)不同的機(jī)床、需要進(jìn)行不同的調(diào)整，滿足不同機(jī)床的特殊性需求。如果不區(qū)別機(jī)床狀態(tài)、精度，切削參數(shù)都一樣的話，加工效果是不一樣的。通過(guò)開(kāi)發(fā)UG車加工、銑加工數(shù)據(jù)整體設(shè)置功能，由單個(gè)進(jìn)行切削參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)變?yōu)樗胁僮骷幸黄鹪O(shè)置，消除了遺漏設(shè)置的問(wèn)題，使切削參數(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)用快捷、可靠。為全程無(wú)人干預(yù)數(shù)控加工打下良好基礎(chǔ)。圖3為全程序無(wú)干預(yù)數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用流程。

先進(jìn)數(shù)控加工資源庫(kù)建設(shè)

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

（2）編程模塊資源庫(kù)。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(huán)境資源庫(kù)。對(duì)仿真環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，提升仿真環(huán)境的防錯(cuò)能力，調(diào)整機(jī)床默認(rèn)換刀位置，在部分機(jī)床中增加主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度判斷功能，自動(dòng)檢查程序中出現(xiàn)的小轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給等不合理參數(shù)，保護(hù)

零件和刀具等。

（4）后置處理資源庫(kù)。在增加部分后置文件的基礎(chǔ)上，也主要在對(duì)后置處理文件進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，消除潛在的不足因素，增加數(shù)控程序的防錯(cuò)能力，如對(duì)機(jī)床增加自動(dòng)輸出防錯(cuò)子程序，開(kāi)發(fā)成組輸出程序能力，修正后置文件中暫停指令的系統(tǒng)默認(rèn)錯(cuò)誤等。

（5）典型零件切削參數(shù)資源庫(kù)。創(chuàng)建UG編程銑加工切削數(shù)據(jù)庫(kù)、車加工數(shù)據(jù)庫(kù)，使數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)更加符合現(xiàn)場(chǎng)使用情況?？砷_(kāi)發(fā)多個(gè)利用切削數(shù)據(jù)庫(kù)快速生成程序的功能，在解決數(shù)據(jù)庫(kù)使用存在問(wèn)題的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)由原來(lái)逐個(gè)編程操作生成切削參數(shù)，變?yōu)檎麄€(gè)工序所有操作一鍵式或幾鍵式完成全部切削參數(shù)生成，極大提高數(shù)控程序切削參數(shù)的生成速度。

（6）設(shè)備參數(shù)資源庫(kù)。目前設(shè)備參數(shù)資源庫(kù)包括各個(gè)數(shù)控機(jī)床的參數(shù)，其內(nèi)容包括機(jī)床的行程、主軸轉(zhuǎn)數(shù)、程序傳輸方式及機(jī)床主要的編程特點(diǎn)等。

（7）數(shù)控設(shè)備編程特征資源庫(kù)。內(nèi)容包括各型數(shù)控機(jī)床的仿真環(huán)境示意圖、機(jī)床的編程注意事項(xiàng)、程序的編程結(jié)構(gòu)及常用案例等，為不熟悉機(jī)床的編程工藝人員提供借鑒。

圖3　無(wú)干預(yù)數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用流程

數(shù)控加工防錯(cuò)技術(shù)

數(shù)控加工防錯(cuò)是為了防止操作者的操作失誤，對(duì)必須采用刀補(bǔ)加工的內(nèi)容，通過(guò)開(kāi)發(fā)機(jī)床功能，借助先進(jìn)編程手段控制操作的刀補(bǔ)值范圍，消除刀補(bǔ)錯(cuò)誤隱患，利用數(shù)控系統(tǒng)的高級(jí)語(yǔ)言編制防錯(cuò)數(shù)控程序，從技術(shù)上解決加工出錯(cuò)問(wèn)題，將人防改為技防，由計(jì)算機(jī)把關(guān)，滿足條件則加工，不滿足條件則停止，基本可以實(shí)現(xiàn)100%防錯(cuò)。

制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)控加工能力建設(shè)的因素：硬件方面，自動(dòng)換刀系統(tǒng)等配備應(yīng)該完善，刀庫(kù)配置合理。數(shù)控刀具的管理不符合數(shù)控加工發(fā)展的需要，加工刀具頻繁更換，刀具評(píng)價(jià)機(jī)制有待完善。數(shù)控程序切削參數(shù)設(shè)置參考標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，較為隨意。

結(jié)語(yǔ)

堅(jiān)持自主創(chuàng)新為核心，加強(qiáng)技術(shù)基礎(chǔ)研究，夯實(shí)技術(shù)根基；提升快速反應(yīng)能力、質(zhì)量保障能力、技術(shù)儲(chǔ)備能力；形成快速反應(yīng)、工藝試驗(yàn)、協(xié)調(diào)平臺(tái)、工藝數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)。

開(kāi)展一人多機(jī)無(wú)人值守研究。通過(guò)對(duì)刀具、虛擬制造技術(shù)、機(jī)床在線測(cè)量技術(shù)、機(jī)內(nèi)對(duì)刀、工裝管理及數(shù)控機(jī)床維護(hù)管理加工流程等方面系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和研究。提升先進(jìn)數(shù)控加工技術(shù)的推廣，逐步適應(yīng)柔性化生產(chǎn)線的管理模式。

總之先進(jìn)數(shù)控加工技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)水平。

收稿日期：（20150510）