于 璐，祁俊軒，李海泳

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 加工自動(dòng)化需求分析

近年來企業(yè)數(shù)控機(jī)床擁有量快速增長，數(shù)控加工已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件加工制造的重要方法。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)進(jìn)程的推進(jìn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)能力受制于其產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)工藝特點(diǎn)的現(xiàn)狀逐漸暴露，表現(xiàn)在加工過程中手工操作、人為干預(yù)較多，存在較大的質(zhì)量波動(dòng)及出錯(cuò)幾率高等問題，對數(shù)控設(shè)備功能指令理解不全造成數(shù)控設(shè)備利用率較低、工藝過程中工藝參數(shù)相對保守，產(chǎn)品質(zhì)量難以有效提高，數(shù)控加工質(zhì)量和效率與航發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)對制造過程“優(yōu)化、高效、低耗”的要求有較大差距。

為改變這一現(xiàn)狀，公司依托現(xiàn)有資源和能力，實(shí)施了航空發(fā)動(dòng)機(jī)“典型單工序自動(dòng)化加工應(yīng)用”工程項(xiàng)目，通過提升數(shù)控設(shè)備利用率，優(yōu)化工藝參數(shù)和切削用量，優(yōu)化數(shù)控加工工藝等內(nèi)容，以點(diǎn)帶線，實(shí)現(xiàn)典型零件關(guān)鍵工序的高效、精密和全程序過程人工干預(yù)最小化的數(shù)控加工，以整體提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的批產(chǎn)優(yōu)質(zhì)交付能力。

2 加工自動(dòng)化目標(biāo)效果

航空發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)化加工的目標(biāo)效果最終體現(xiàn)為

1）幾何準(zhǔn)確度、表面質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

2）機(jī)加工切削效率由20%提高到60%。

3）工人實(shí)操工時(shí)降低、刀具損耗降低、設(shè)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(yù)最小。

3 加工自動(dòng)化分層次實(shí)施內(nèi)容

自動(dòng)化加工分層次實(shí)施內(nèi)容如圖1所示，可分為數(shù)控程序準(zhǔn)備一體化、數(shù)控程序質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化和單工序機(jī)加自動(dòng)化三方面。

圖1 自動(dòng)化加工分層次實(shí)施內(nèi)容

數(shù)控程序準(zhǔn)備一體化是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)及測量技術(shù)等多學(xué)科交叉技術(shù)于一體的，通過在一個(gè)系統(tǒng)平臺上實(shí)現(xiàn)CAM編程、刀具軌跡驗(yàn)證及優(yōu)化、后置輸出、仿真驗(yàn)證和數(shù)字化檢測一體化,保證數(shù)控程序的完整性、準(zhǔn)確性和安全性，以提高工作質(zhì)量和效率，提升整體CAM 技術(shù)水平 。

數(shù)控編程存在工作量大、重復(fù)性勞動(dòng)多和質(zhì)量完全依賴于CNC 工程師的知識積累等缺陷，數(shù)控程序質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化通過規(guī)范編程、后置處理標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)在輸出數(shù)控程序中增加各種防錯(cuò)保證數(shù)控程序的完整性、準(zhǔn)確性和安全性和以提高工作質(zhì)量和效率，提升整體CAM 技術(shù)水平。

單工序機(jī)加自動(dòng)化是指基于快換工裝、在線測量、機(jī)內(nèi)對刀和自適應(yīng)加工等技術(shù)，通過優(yōu)化、固化加工刀具和工藝參數(shù)，采用程序控制方法，減少數(shù)控加工過程人為干預(yù)，改變傳統(tǒng)的人工測量、手動(dòng)刀補(bǔ)進(jìn)刀的數(shù)控加工方法，形成具有自動(dòng)測量、自動(dòng)加工補(bǔ)償和防錯(cuò)控制等特點(diǎn)的全程序干預(yù)最小化數(shù)控加工模式，以提高數(shù)控加工過程的可靠性、穩(wěn)定性和一致性，同時(shí)減少數(shù)控加工過程的輔助加工時(shí)間、非增值環(huán)節(jié)，達(dá)到提高加工效率、降低加工成本和保證加工質(zhì)量的目的，從而整體提升發(fā)動(dòng)機(jī)的批產(chǎn)優(yōu)質(zhì)交付能力。

4 數(shù)控程序準(zhǔn)備一體化應(yīng)用技術(shù)

（1）典型零件加工數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了能夠?qū)崿F(xiàn)零件數(shù)控程序的快速編程，需要有數(shù)據(jù)庫作為支持，通過將成熟的加工經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)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(jù)。數(shù)據(jù)庫中應(yīng)該包含零件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、切削方法數(shù)據(jù)庫、加工特征數(shù)據(jù)庫、零件材料數(shù)據(jù)庫、加工策略數(shù)據(jù)庫、加工刀具庫、加工機(jī)床數(shù)據(jù)庫和切削參數(shù)庫等各種制造資源以及加工知識庫，典型機(jī)匣類零件的相關(guān)數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示，在實(shí)際編程過程中，工藝人員能夠?qū)⒊Ｓ玫木哂写硇缘闹圃熨Y源以及加工知識庫按照接口要求添加到數(shù)據(jù)庫中，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)

（2）數(shù)控編程自動(dòng)化技術(shù)

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(gòu)，基于加工特征完成工藝規(guī)劃以及工藝決策，通過加工特征識別實(shí)現(xiàn)加工工藝的映射（一對一映射、一對多映射），達(dá)到CAM快速編程，包括刀具選擇、刀軌數(shù)量及加工順序和刀軌參數(shù)等，具體流程如圖3所示。特征驅(qū)動(dòng)的數(shù)控編程自動(dòng)化一方面批量自動(dòng)產(chǎn)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(jīng)驗(yàn)，降低編程難度，確保程序質(zhì)量。

圖3 數(shù)控編程自動(dòng)化流程

5 數(shù)控程序質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

（1）刀具軌跡防錯(cuò)規(guī)范化

在刀具軌跡設(shè)計(jì)中刀具選擇、切削參數(shù)選擇、加工模型建模、加工策略選擇等關(guān)鍵要素，確定每個(gè)階段的控制點(diǎn)，歸納控制規(guī)則，從而形成刀具軌跡防錯(cuò)規(guī)范化的關(guān)鍵要素控制方法及其工作流程，具體內(nèi)容如圖4所示。

圖4 刀具軌跡防錯(cuò)

（2）后置處理輸出防錯(cuò)多樣化

在刀具軌跡后置處理輸出數(shù)控程序過程中采用程序頭尾固定化、設(shè)計(jì)多種后置處理過程防錯(cuò)方法以及應(yīng)用多種在線測量方法等實(shí)現(xiàn)后置處理輸出防錯(cuò)多樣化，具體內(nèi)容如圖5所示。

圖5 后置處理輸出防錯(cuò)

（3）加工過程防錯(cuò)多樣化

在加工過程中應(yīng)用數(shù)控程序防錯(cuò)多樣化、加工過程監(jiān)控多樣化、人員素質(zhì)提升以及管理制度流程與時(shí)俱進(jìn)、持續(xù)推進(jìn)來達(dá)到加工過程防錯(cuò)多樣化的目的，加工過程防錯(cuò)多樣化的具體內(nèi)容如圖6所示。

圖6 加工過程防錯(cuò)

6 單工序加工自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)

（1）機(jī)內(nèi)刀具測量技術(shù)

在加工設(shè)備中配備刀具檢測系統(tǒng)，如圖7所示，刀具檢測系統(tǒng)是一種準(zhǔn)確度極高的光學(xué)測量裝置，可在加工過程中監(jiān)控加工中的刀具狀況并進(jìn)行自動(dòng)刀具測量，將刀具屬性輸入至加工設(shè)備中。檢測刀具的幾何輪廓，能及早偵測出調(diào)用錯(cuò)誤及預(yù)設(shè)錯(cuò)誤的刀具，同時(shí)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(xù)刀具的損壞。

圖7 刀具檢測系統(tǒng)

（2）機(jī)內(nèi)在線測量技術(shù)

在加工設(shè)備中裝配在線測量系統(tǒng)，如圖8所示，使用在線測量代替手動(dòng)測量。數(shù)控加工中心在線測量免去了工件的反復(fù)裝夾、校正的過程。比離線檢測減少了工件檢測的時(shí)間，提高了檢測效率。加工與檢測在同機(jī)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(huán)系統(tǒng)，提高尺寸合格率。

圖8 在線測量系統(tǒng)

在線測量這項(xiàng)功能是在機(jī)床上將零件的實(shí)際加工輪廓進(jìn)行測量，與理論值進(jìn)行對比，同時(shí)將差值補(bǔ)償在零件加工的程序里，再把程序有機(jī)串聯(lián)起來，編譯到NC程序當(dāng)中實(shí)現(xiàn)的。這一新技術(shù)的開發(fā)極大地提高零件的加工質(zhì)量穩(wěn)定性，機(jī)床自動(dòng)測量代替了人工干預(yù)測量。

（3）自適應(yīng)控制與監(jiān)測技術(shù)

自適應(yīng)控制與監(jiān)測能夠通過檢測主軸監(jiān)控（刀具平衡檢測、沖突檢測和軸承檢測等）以及刀具監(jiān)控（破損檢測、磨損檢測等）實(shí)現(xiàn)刀具、機(jī)床的過載保護(hù)，運(yùn)用內(nèi)部的專家系統(tǒng)對采集的主軸負(fù)載信號和相應(yīng)的刀具及材料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，系統(tǒng)自動(dòng)判斷進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)床的進(jìn)給倍率，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定負(fù)載的高效加工，如圖9所示。

圖9自適應(yīng)控制與監(jiān)測技術(shù)

7 單工序機(jī)加自動(dòng)化應(yīng)用工作流程

結(jié)合在線測量技術(shù)和優(yōu)銑加工技術(shù)，在機(jī)加工過程中人工干預(yù)盡量最小化，通過自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)找正、自動(dòng)加工、自動(dòng)測量、自動(dòng)補(bǔ)償和自動(dòng)適應(yīng)等實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化過程，如圖10所示。

圖10單工序機(jī)加自動(dòng)化應(yīng)用實(shí)踐工作流程

8 結(jié)束語

隨著科技發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，加工自動(dòng)化、智能化正在改變各個(gè)行業(yè)。中國航發(fā)將以“數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化”為目標(biāo)，系統(tǒng)規(guī)劃、分步實(shí)施，從提升產(chǎn)品關(guān)鍵特性的制造自動(dòng)化水平著手，逐步提升發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線自動(dòng)化水平，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品發(fā)展的需求。