萬 能，沈 鵬，常智勇，王 展，馮 詠

（1.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072；2.中國航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710021）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛存在制約發(fā)動(dòng)機(jī)核心承載性能的難加工零件，例如渦輪盤、整體葉盤、機(jī)匣等 （圖1）。這些難加工零件的特點(diǎn)為： （1）精度要求高。例如機(jī)匣零件上很多裝配孔的位置度0.03 mm，葉片葉身的輪廓度要求0.05 mm。因此，加工過程中每個(gè)誤差來源都要精密控制。（2）材料難加工。航發(fā)難加工零件的材料多為高溫合金、鈦合金等難切削材料。加工過程中切削力大，切削熱明顯，刀具磨損嚴(yán)重。這些因素相互耦合關(guān)系復(fù)雜，造成加工精度難以控制[1]。（3）零件剛度弱。氣動(dòng)設(shè)計(jì)、減重設(shè)計(jì)等使得許多航發(fā)零件呈現(xiàn)弱剛度特點(diǎn)，受切削力影響發(fā)生不可忽視的工件變形。這些變形既增加了保證本道工序加工精度的難度，也可能將加工誤差向后傳遞，增加后續(xù)工序的加工難度。（4）切削環(huán)境與切削質(zhì)量之間關(guān)系復(fù)雜。強(qiáng)時(shí)變的切削狀態(tài)、刀具與工件材料的多樣匹配、切削參數(shù)組合等對(duì)切削質(zhì)量的影響規(guī)律未知，這讓很多切削工藝并不成熟，但如何優(yōu)化工藝又缺少方法和充分驗(yàn)證。（5）待測(cè)量特性多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為保證加工過程質(zhì)量，關(guān)鍵工序加工后需要工序檢測(cè)。使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)會(huì)讓檢測(cè)環(huán)節(jié)成為效率瓶頸，而用傳統(tǒng)測(cè)具人工測(cè)量時(shí)，又因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜和數(shù)量多，造成測(cè)量效率低和一致性差。

因?yàn)樯鲜鲭y點(diǎn)，按照理論工序模型編制的數(shù)控加工程序難以加工出合格零件，需要人工介入加工過程，使用千分表等測(cè)具測(cè)量工件的實(shí)際狀態(tài)，調(diào)整加工補(bǔ)償量，以滿足加工的質(zhì)量特性要求。因?yàn)榧庸み^程中增加了人工操作的不確定性，讓測(cè)量和加工的一致性更難保證。究其原因，是因?yàn)榍Х直淼葌鹘y(tǒng)測(cè)具無法與數(shù)控系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，測(cè)量到的結(jié)果不能直接驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償加工。

加工精度高且一致性好、加工效率高，是高品質(zhì)加工的兩個(gè)重要特征。因?yàn)閭鹘y(tǒng)工藝中大量的人工介入，很難高精且高效地加工航發(fā)難加工零件。數(shù)控機(jī)床機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)將測(cè)量結(jié)果自動(dòng)反饋到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)，并驅(qū)動(dòng)數(shù)控程序補(bǔ)償加工，從而實(shí)現(xiàn)航發(fā)難加工零件的高品質(zhì)加工。

1 機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用范圍與研究熱點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床機(jī)內(nèi)測(cè)量 （以下簡(jiǎn)稱機(jī)內(nèi)測(cè)量）技術(shù)是指接觸式機(jī)內(nèi)測(cè)頭安裝在刀柄上，可從刀庫中被自動(dòng)調(diào)出安裝到數(shù)控機(jī)床的主軸上，在工件不拆卸裝夾的狀態(tài)下，數(shù)控程序驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)內(nèi)測(cè)頭上的紅寶石球去觸碰工件。當(dāng)紅寶石球觸碰到工件時(shí)，機(jī)內(nèi)測(cè)頭發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)接收并記錄此信號(hào)觸發(fā)時(shí)的主軸位置?；谟涗浀闹鬏S位置計(jì)算探針紅寶石球心位置，經(jīng)過紅寶石球半徑補(bǔ)償后得到測(cè)量結(jié)果。機(jī)內(nèi)測(cè)量過程由數(shù)控程序控制自動(dòng)執(zhí)行， 無須人工介入。

雖然機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)具有自動(dòng)化測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)前并未在航發(fā)制造企業(yè)廣泛應(yīng)用。企業(yè)對(duì)應(yīng)用機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)普遍有兩種觀點(diǎn)。第一種觀點(diǎn)認(rèn)為數(shù)控機(jī)床本質(zhì)上是切削工具，只有切削時(shí)才創(chuàng)造價(jià)值，將其作為測(cè)量工具會(huì)占用機(jī)床創(chuàng)造價(jià)值的時(shí)間，所以應(yīng)該研究如何優(yōu)化切削工藝，避免在機(jī)測(cè)量與補(bǔ)償加工。第二種觀點(diǎn)則認(rèn)為，機(jī)內(nèi)測(cè)量是實(shí)現(xiàn)難加工零件精密切削的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一，可以避免人工反復(fù)介入加工過程，轉(zhuǎn)變當(dāng)前由人工保證切削精度成為由工藝保證，從而提升加工效率和結(jié)果一致性。

兩種觀點(diǎn)看似對(duì)立、實(shí)則統(tǒng)一，機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)并不是適用于任何加工場(chǎng)景。對(duì)于加工合格率高、工藝方法成熟穩(wěn)定的難加工零件，無須補(bǔ)償加工。但機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)可以作為加工前準(zhǔn)備和加工后工序檢測(cè)的手段，取代人工測(cè)量或三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)，從而提升測(cè)量結(jié)果可信度，且將檢測(cè)能力分散到生產(chǎn)線上。對(duì)工藝方法尚不成熟和不穩(wěn)定的難加工零件，則應(yīng)該使用自動(dòng)化的機(jī)內(nèi)測(cè)量，基于測(cè)量結(jié)果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償加工，避免加工過程中人工測(cè)量帶來的停機(jī)和測(cè)量不一致。因此，歸納機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用范圍，可以覆蓋機(jī)內(nèi)測(cè)量全部加工時(shí)機(jī)。序前： （1） 測(cè)量工件定位基準(zhǔn)，自動(dòng)找正工件； （2）測(cè)量工件或工裝，實(shí)現(xiàn)加工前防呆。序中： （1）測(cè)量工序基準(zhǔn)，自動(dòng)找正加工特征；（2）測(cè)量加工前或加工后的工件外形，基于工件形狀的實(shí)際偏差，找正加工特征； （3）保存加工過程的質(zhì)量數(shù)據(jù)，用于工藝優(yōu)化。序后： （1）測(cè)量加工后特征，替代人工或三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工序檢測(cè)； （2）保存工序加工質(zhì)量數(shù)據(jù)，用于生產(chǎn)過程的質(zhì)量監(jiān)控。從上述應(yīng)用場(chǎng)景中可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)是否能在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)加工，有兩個(gè)核心問題需要得到驗(yàn)證：其一是機(jī)內(nèi)測(cè)量的精度是否滿足檢驗(yàn)需求；其二是機(jī)內(nèi)測(cè)量的效率是滿足生產(chǎn)需求。因此，圍繞機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)的研究熱點(diǎn)聚焦于測(cè)量精度與效率。

接觸式機(jī)內(nèi)測(cè)頭與數(shù)控機(jī)床共同組成機(jī)內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)，機(jī)內(nèi)測(cè)頭在機(jī)床運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，觸碰到工件時(shí)觸發(fā)測(cè)量信號(hào)，因此機(jī)內(nèi)測(cè)量的精度依賴于機(jī)內(nèi)測(cè)頭結(jié)構(gòu)[2]和機(jī)床精度。測(cè)頭內(nèi)部的觸發(fā)結(jié)構(gòu)引入的預(yù)行程誤差與紅寶石球半徑補(bǔ)償是主要誤差來源。因此，需要借助標(biāo)準(zhǔn)球定期標(biāo)定不同觸碰方向的預(yù)行程誤差，并在測(cè)量結(jié)果中補(bǔ)償預(yù)行程誤差，也需要沿更加逼近實(shí)際觸碰點(diǎn)處的法矢方向補(bǔ)償紅寶石球半徑。Wozniak[3]和Dobosz[4–5]分析了機(jī)內(nèi)測(cè)頭的預(yù)行程誤差原因，包括測(cè)頭開關(guān)預(yù)行程、觸針彈性撓度、觸球和零件表面赫茲撓度的位移分量總和。同時(shí)考慮觸針長(zhǎng)度和直徑、彈簧力和接近觸點(diǎn)方向等因素，理論分析了觸發(fā)式探針遲滯的特性。王立成等[6]根據(jù)機(jī)械式測(cè)頭的受力模型，分析了受力情況下測(cè)頭產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)位移和探針產(chǎn)生的彎曲位移，并給出了預(yù)行程誤差的計(jì)算方法。趙宇[7]分析了機(jī)內(nèi)測(cè)頭觸發(fā)過程中造成預(yù)行程誤差的因素，包括測(cè)桿座旋轉(zhuǎn)變化位移量、測(cè)桿撓曲變形位移量以及赫茲彈性變形位移量，并建立了各位移量的函數(shù)表達(dá)式。這些研究揭示了預(yù)行程誤差的產(chǎn)生機(jī)理，提出了相應(yīng)的補(bǔ)償方法，為減小機(jī)內(nèi)測(cè)量的誤差提供了指導(dǎo)。

另一方面，數(shù)控機(jī)床的定位誤差是影響機(jī)內(nèi)測(cè)量精度的主要因素。用包含機(jī)床誤差的測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)工件的形位尺寸，有“運(yùn)動(dòng)員”和“裁判員”一體的嫌疑。與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相比，機(jī)床精度等級(jí)低、工作環(huán)境惡劣，誤差來源和相互間耦合作用也更加復(fù)雜。這讓加工過程中機(jī)床定位精度可能達(dá)不到測(cè)量精度的要求，測(cè)量結(jié)果是否可信受到質(zhì)疑，所以有很多研究聚焦機(jī)床誤差建模與補(bǔ)償。Elshennawy 等[8]考慮幾何誤差，運(yùn)用齊次坐標(biāo)變換法建立三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的運(yùn)動(dòng)誤差模型。Ferreira 等[9]基于齊次變換矩陣建立準(zhǔn)靜態(tài)誤差模型，并通過分解誤差向量來估計(jì)準(zhǔn)靜態(tài)誤差相關(guān)參數(shù)。王秀山等[10]使用多體理論進(jìn)行五軸機(jī)床綜合誤差建模，提出測(cè)量刀尖和工件之間相對(duì)位置偏差，來表征熱誤差的綜合效應(yīng)。Kong 等[11]使用D–H 方法對(duì)兩軸機(jī)床進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析，用來補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差對(duì)加工精度的影響。李自漢[12]基于D–H 方法對(duì)立式加工中心、臥式加工中心、大型龍門機(jī)床、臥式鏜床等多種類型機(jī)床建立通用綜合誤差模型，并針對(duì)各類誤差提出了關(guān)鍵誤差補(bǔ)償方案。這些研究揭示了機(jī)床內(nèi)多源誤差的積累機(jī)理，提出的誤差補(bǔ)償方法也有助于提升機(jī)內(nèi)測(cè)量精度。

機(jī)內(nèi)測(cè)量會(huì)占用機(jī)床切削工件的時(shí)間，如果測(cè)量占用太多時(shí)間卻又不能提升加工精度，則難以在生產(chǎn)中推廣。影響機(jī)內(nèi)測(cè)量效率的重要因素是測(cè)量點(diǎn)分布和測(cè)量路徑。測(cè)量點(diǎn)布局的原則是能夠以最少測(cè)量點(diǎn)計(jì)算出工件形狀或材料偏差；規(guī)劃測(cè)量路徑的原則是測(cè)量路徑最短；在多軸數(shù)控機(jī)床上的機(jī)測(cè)量路徑規(guī)劃中，探針方向規(guī)劃的原則是免干涉約束下方向改變最小。Cho 等[13]提出了一種基于曲率的測(cè)量點(diǎn)布局方法。將待測(cè)曲面劃分為較小的分區(qū)，并依據(jù)各個(gè)分區(qū)平均曲率的大小規(guī)劃測(cè)量點(diǎn)，平均曲率大的分區(qū)部署更多測(cè)量點(diǎn)。Yu 等[14]提出了一種基于形狀誤差的測(cè)量點(diǎn)部署方法，在最大偏差處盡可能多布置測(cè)量點(diǎn)。 He等[15]構(gòu)建待干涉檢查對(duì)象在某一位置處的包圍盒，根據(jù)兩包圍盒之間的距離判斷干涉情況。Chang 等[16]根據(jù)機(jī)內(nèi)測(cè)頭與葉輪之間的相對(duì)位置關(guān)系，計(jì)算出了機(jī)內(nèi)測(cè)頭與葉輪發(fā)生干涉碰撞時(shí)葉輪繞自身回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)角度。Li 等[17]利用計(jì)算機(jī)的圖像計(jì)算單元，考慮機(jī)內(nèi)測(cè)頭和探針的形狀尺寸，計(jì)算每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處探針軸向的可達(dá)方向錐。萬能等[18]針對(duì)復(fù)雜曲面葉輪的多軸機(jī)內(nèi)測(cè)量，提出了平衡效率和精度的測(cè)量路徑規(guī)劃方法。面向各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工特征時(shí)，借助這些規(guī)劃無干涉且高效率測(cè)量路徑的基礎(chǔ)研究能幫助提升機(jī)內(nèi)測(cè)量效率。

2 應(yīng)用機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)改進(jìn)航發(fā)難加工零件加工工藝

我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)不乏高檔數(shù)控機(jī)床，這些機(jī)床大多已經(jīng)配置了機(jī)內(nèi)測(cè)頭的硬件，部分機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)也內(nèi)置了典型簡(jiǎn)單特征的機(jī)內(nèi)測(cè)量數(shù)控程序。遺憾的是，機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)沒有得到充分應(yīng)用，大多僅用作簡(jiǎn)單的工件找正。分析原因，航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工零件加工不能止步于測(cè)量工件，更需要依據(jù)測(cè)量結(jié)果實(shí)現(xiàn)加工特征自動(dòng)找正或自動(dòng)補(bǔ)償加工。但機(jī)內(nèi)測(cè)頭供應(yīng)商只關(guān)注銷售測(cè)頭和測(cè)量編程軟件，機(jī)床廠商只負(fù)責(zé)選配機(jī)內(nèi)測(cè)頭，二者都不會(huì)也沒有能力關(guān)心如何使用機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)解決工藝難題。而航發(fā)制造企業(yè)中工藝員忙于生產(chǎn)，缺少時(shí)間探索運(yùn)用機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)革新難加工零件精密加工的新工藝。

賽峰等歐美發(fā)達(dá)航發(fā)制造企業(yè)大力推廣“關(guān)門加工”（Closed door machining）的質(zhì)量控制理念，即加工中全程關(guān)閉機(jī)床門，避免開門測(cè)量工件、調(diào)整刀具等人工操作。借助機(jī)內(nèi)測(cè)量與補(bǔ)償加工，來避免工人介入加工過程，是實(shí)現(xiàn)難加工零件“關(guān)門加工”的有效途徑。難加工零件加工特征的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料變形的形式多樣，很難窮盡每種加工特征的機(jī)內(nèi)測(cè)量和補(bǔ)償加工專用工藝。這阻礙了在航發(fā)難加工零件加工中推廣機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)，需要發(fā)現(xiàn)該類問題的共性原理，并基于共性原理提出統(tǒng)一的解決方法。這對(duì)于快速開發(fā)航發(fā)難加工零件的機(jī)內(nèi)測(cè)量和補(bǔ)償加工工藝而言是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。首先，分析航發(fā)難加工零件補(bǔ)償加工的2個(gè)需求，揭示其背后隱藏的3 個(gè)共性原理。

2.1 弱剛度零件的加工特征找正需求

因?yàn)楣ぜ膭偠热?，前道序加工往往造成材料邊界偏離理論位置的偏離量過大，如果本工序中按理論加工特征模型切削，會(huì)因?yàn)椴牧蠠o法完全包裹加工特征而產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。為了在本工序中找正加工特征，需要測(cè)量工件材料邊界的偏離量。進(jìn)一步，依據(jù)材料邊界偏離量找正加工特征，進(jìn)而補(bǔ)償工件或者切削程序的位置。因此，在加工過程中找正加工特征，要滿足的條件包括： （1）確定工序基準(zhǔn)在機(jī)床內(nèi)的位置； （2）加工特征都在毛坯材料內(nèi)； （3）加工特征滿足形位公差要求。圖2中的2 個(gè)案例說明了條件（1）和（2）。

如圖2（a）所示，基準(zhǔn)面A和B是工件的定位基準(zhǔn)，孔1 在前道工序中加工完成，依據(jù)的是基準(zhǔn)A和B。本工序中加工孔2 位置度的基準(zhǔn)是孔1 的圓心位置。換言之，孔1 是本道工序中加工孔2 的工序基準(zhǔn)。需要先測(cè)量工序基準(zhǔn)孔1 圓心在機(jī)床坐標(biāo)系內(nèi)的位置，以此建立坐標(biāo)系加工孔2。在圖2（b）中，加工倒圓特征R（5±0.1） mm 時(shí)的基準(zhǔn)是定位基準(zhǔn)A和B。如果倒圓特征所依附的材料邊界偏移了理論位置的偏離量過大（右上角放大圖所示），則會(huì)因?yàn)椴牧蠠o法完全包裹倒圓加工特征，造成工件的過切或欠切。

圖2 加工特征要滿足與工序基準(zhǔn)的位置度要求并且要完全被工件材料包裹Fig.2 Machining feature meeting the position requirements of the machining datum and completely wrapped in the workpiece material

2.2 復(fù)雜誤差源下加工特征補(bǔ)償加工需求

因?yàn)閺?fù)雜的誤差來源，如刀具磨損、工件變形和切削讓刀等，往往造成被加工面不滿足公差要求。因此，需要能夠在加工過程中識(shí)別被加工面的實(shí)際形狀和位置，依據(jù)實(shí)際值與理論值之間的偏差量自動(dòng)驅(qū)動(dòng)加工補(bǔ)償，避免工人介入加工過程，并且提升加工結(jié)果的一致性。

統(tǒng)一上述兩種需求，毛坯材料與被加工面是被測(cè)對(duì)象集合，記為F1，其理論形狀記為P1，而實(shí)際形狀記為R1，Diff是計(jì)算形狀差異的算子，ε是被測(cè)對(duì)象形狀變化的閾值。得到確定被測(cè)對(duì)象的如下假設(shè)：

條件1：若Diff（P1，R1）≤ε，則集合F1的實(shí)際位置與理論位置之間偏差能夠以剛體位移表示，最終被測(cè)對(duì)象記為集合Fn=F1；

條件2：若Diff（P1，R1）>ε，則集合F1不能以剛體位移表示，需要細(xì)分集合F1直至滿足條件1，最終被測(cè)對(duì)象記為集合Fn= Div（F1），式中Div 是細(xì)分被測(cè)對(duì)象的算子。

難加工零件機(jī)內(nèi)測(cè)量的統(tǒng)一原理：由此，統(tǒng)一以上2 個(gè)航發(fā)難加工零件的機(jī)內(nèi)測(cè)量需求，就是要測(cè)量獲得加工過程中被測(cè)對(duì)象集合Fn的實(shí)際位姿，求解被測(cè)對(duì)象集合Fn實(shí)際位姿與理論位姿間的偏差，表達(dá)為被測(cè)對(duì)象Fn集合的位移 （Rn，Tn）。

基于測(cè)量位移的特征找正原理：建立加工特征找正的優(yōu)化模型，優(yōu)化變量是加工特征的位移矩陣（RF，TF）；優(yōu)化約束是加工特征在毛坯材料（Rn，Tn）·Fn內(nèi)部；加工特征與工序基準(zhǔn)間滿足位置公差要求；優(yōu)化目標(biāo)是讓加工余量最均勻。最后通過調(diào)整加工坐標(biāo)系，將優(yōu)化結(jié)果（RF，TF）補(bǔ)償?shù)郊庸こ绦蛑小?/p>

基于測(cè)量位移的補(bǔ)償加工原理，建立加工補(bǔ)償量的優(yōu)化模型，由加工前特征集合Fn和加工后特征集合（Rn，Tn）·Fn計(jì)算加工余量分布。依據(jù)加工余量和加工偏差量之間經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，確定補(bǔ)償加工量。最后通過調(diào)整加工坐標(biāo)系，將補(bǔ)償加工量補(bǔ)償?shù)郊庸こ绦蛑小?/p>

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型難加工零件的應(yīng)用案例

為了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)精密加工中推廣機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用，需要做到“信得過、編得快、測(cè)得準(zhǔn)、補(bǔ)得對(duì)、存得全”?！靶诺眠^”是研究如何評(píng)估機(jī)內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)的可信程度，進(jìn)一步構(gòu)建可信的機(jī)內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)；“編得快”是研究如何為工藝員快速提供可靠的機(jī)內(nèi)測(cè)量與補(bǔ)償加工混合數(shù)控程序；“測(cè)得準(zhǔn)”是研究測(cè)量工藝和誤差補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化方法，以達(dá)到高精度機(jī)內(nèi)測(cè)量的目的；“補(bǔ)得對(duì)”是依據(jù)材料變形和切削誤差的測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)精確的加工特征找正和補(bǔ)償加工?！按娴萌笔茄芯繖C(jī)內(nèi)測(cè)量結(jié)果完備的結(jié)構(gòu)化保存方法，保存至機(jī)床外的數(shù)據(jù)庫中，用于加工過程質(zhì)量分析。本節(jié)以某外貿(mào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤為研究和應(yīng)用對(duì)象，以其工藝鏈條中榫槽倒圓特征加工工序?yàn)槔U述機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)在傳統(tǒng)工藝改進(jìn)中的應(yīng)用。

3.1 渦輪盤榫槽倒圓傳統(tǒng)工藝分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤是典型的弱剛度難加工零件，渦輪盤上周向陣列均布多個(gè)榫槽，現(xiàn)有工藝鏈條中包括：首先在拉床上拉削加工出榫槽，然后在4 軸數(shù)控銑床上銑削加工榫槽尖角處的倒圓。由于拉削力大而盤體剛度弱、拉床轉(zhuǎn)臺(tái)定位誤差等原因，造成榫槽實(shí)際相位角與理論角有偏差，并且槽間材料在軸向和徑向偏離理論位置。本研究的目的是，使用機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)改進(jìn)榫槽尖角處倒圓的4 軸銑削的加工工藝。

如圖3所示，有2 處榫槽尖角需要倒圓加工，圓角半徑要求0.3～0.8 mm。前道拉削加工造成榫槽尖角處的材料邊界無法覆蓋理論倒圓特征，按照理論倒圓特征編制的切削程序會(huì)產(chǎn)生過切或欠切，不滿足加工要求。其原因就是榫槽尖角附近工件材料偏離理論位置，若不找正倒圓特征就無法加工合格。但榫槽特征數(shù)量多，人工找正效率低，且形狀復(fù)雜的榫槽讓傳統(tǒng)測(cè)具找正困難。因此，傳統(tǒng)的倒圓加工工藝是將80 個(gè)榫槽分組，每10 個(gè)順序相連的榫槽分為一組。首先通過人工調(diào)整刀補(bǔ)試切每組內(nèi)的首槽，依據(jù)樣膏檢測(cè)結(jié)果判斷倒圓是否有過欠切。然后，基于組內(nèi)榫槽材料位移差異小的假設(shè)，按照合格的首槽刀補(bǔ)連續(xù)加工組內(nèi)剩余的榫槽倒圓 （圖4）。試切一個(gè)首槽就需要2～3 h，多組首槽試切成為了加工過程中的效率瓶頸。機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)可以改進(jìn)傳統(tǒng)工藝，突破這一效率瓶頸。

圖3 渦輪盤榫槽上倒圓加工特征Fig.3 Machining round features on groove of turbine disc

圖4 渦輪盤榫槽倒圓的傳統(tǒng)工藝過程Fig.4 Traditional process of rounding groove of turbine disc

3.2 基于機(jī)內(nèi)測(cè)量的改良工藝

在渦輪盤榫槽倒圓加工前，機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)用于精確測(cè)量其他榫槽材料偏差與首槽材料偏差的差異。不再需要對(duì)榫槽分10 組試切，只需要試切好整個(gè)盤體的1 個(gè)首槽，將其他榫槽與首槽的差異補(bǔ)償?shù)郊庸こ绦蛑?，就可以取消多次首槽試切。因此，工藝流程改變?yōu)槿鐖D5所示。

圖5 渦輪盤榫槽倒圓加工的改良工藝Fig.5 Improved technology of turbine disc rounding

首先，規(guī)劃能夠反映榫槽材料真實(shí)位移的測(cè)量點(diǎn)位置。通過分析，相位角偏差與徑向偏差是影響倒圓部位1 和部位2 過欠切的主要因素，因此測(cè)量點(diǎn)部署在能夠反映榫槽偏差的位置 （圖6），其中測(cè)量點(diǎn)1 和2 用于計(jì)算徑向偏差，測(cè)量點(diǎn)3 和4 用于計(jì)算相位角偏差。

圖6 榫槽材料位移的測(cè)量點(diǎn)部署Fig.6 Measurement point planning to recognize tenon material displacement

接著，利用西北工業(yè)大學(xué)自研的機(jī)內(nèi)測(cè)量編程工具生成機(jī)內(nèi)測(cè)量程序，該程序包括實(shí)現(xiàn)不同功能的多個(gè)子程序，其中保存子程序負(fù)責(zé)將測(cè)量到的每個(gè)榫槽與首槽在相位角和徑向的差異保存在數(shù)控系統(tǒng)中（圖7）。

圖7 渦輪盤榫槽機(jī)內(nèi)測(cè)量的數(shù)控編程工具Fig.7 CNC programming tool for measuring in turbine disc groove

然后，用1 號(hào)和2 號(hào)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量結(jié)果計(jì)算工件實(shí)際徑向偏差，用3 號(hào)和4 號(hào)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量結(jié)果計(jì)算榫槽實(shí)際相位角偏差。通過調(diào)整加工坐標(biāo)系，將每個(gè)榫槽與首槽在相位角和徑向的差異補(bǔ)償?shù)降箞A加工程序中。機(jī)內(nèi)測(cè)量程序、計(jì)算程序與補(bǔ)償加工程序共同形成混合機(jī)內(nèi)測(cè)量與補(bǔ)償加工數(shù)控程序。

在機(jī)內(nèi)測(cè)量程序執(zhí)行之前，首先使用千分表檢查測(cè)頭紅寶石球的跳動(dòng)，通過調(diào)節(jié)測(cè)頭螺釘讓跳動(dòng)量小于2 μm。然后，利用標(biāo)準(zhǔn)球標(biāo)定測(cè)頭的預(yù)行程誤差，根據(jù)測(cè)頭紅寶石球觸碰工件的位置，將預(yù)行程誤差補(bǔ)償?shù)綔y(cè)量結(jié)果中。

最后，運(yùn)行準(zhǔn)備好的混合機(jī)內(nèi)測(cè)量與補(bǔ)償加工數(shù)控程序，機(jī)內(nèi)測(cè)頭先測(cè)量所有榫槽，基于測(cè)量結(jié)果在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)計(jì)算榫槽相位角偏差和徑向偏差，并將與首槽之間的差異保存在數(shù)控系統(tǒng)中 （圖8）。

圖8 渦輪盤榫槽機(jī)內(nèi)測(cè)量與補(bǔ)償加工Fig.8 On-machine measurement and compensation machining of turbine disc tenon groove

3.3 傳統(tǒng)工藝與改進(jìn)工藝的加工結(jié)果比較

在試驗(yàn)件和批產(chǎn)交付件上分別驗(yàn)證了榫槽相位角和徑向偏差的測(cè)量精度。在試驗(yàn)件上首先對(duì)比千分表人工測(cè)量和機(jī)內(nèi)測(cè)量榫槽相位角的結(jié)果。如圖9所示，千分表人工測(cè)量和機(jī)內(nèi)測(cè)量的榫槽相位角偏差的最大差值為0.0193 mm。

圖9 試驗(yàn)件上千分表人工與機(jī)內(nèi)測(cè)量榫槽相位角的結(jié)果比較Fig.9 Comparison of phase angle of measured result by manual and on-machine measurement

在批產(chǎn)交付件上，對(duì)比三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量、千分表人工測(cè)量和機(jī)內(nèi)測(cè)量榫槽相位角的結(jié)果。相較千分表人工測(cè)量結(jié)果，機(jī)內(nèi)測(cè)量結(jié)果更接近三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果，最大差值為0.0052 mm，如圖10 所示。

圖10 批產(chǎn)交付件上3 種測(cè)量方法的結(jié)果比較Fig.10 Comparison of measured results by three methods on batch parts

在試驗(yàn)件上對(duì)比千分表人工測(cè)量和機(jī)內(nèi)測(cè)量徑向偏差的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件上徑向偏差的最大差值為0.0012 mm，如圖11（a）所示。

在批產(chǎn)交付件上，對(duì)比人工千分表測(cè)量和機(jī)內(nèi)測(cè)量榫槽相位角的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩種測(cè)量方法之間的最大差值為0.0026 mm，如圖11（b）所示。

圖11 試驗(yàn)件和批產(chǎn)交付件上千分表人工測(cè)量與機(jī)內(nèi)測(cè)量徑向偏差的結(jié)果比較Fig.11 Comparison of measured radial error by manual and on-machine measurement on test and batch parts

如圖12 所示，在試驗(yàn)件上選取了相鄰的4 組榫槽，分別采用傳統(tǒng)工藝和改進(jìn)工藝加工這些榫槽，通過對(duì)比倒圓的樣膏檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證改進(jìn)工藝的有效性。

圖12 用于樣膏檢測(cè)倒圓加工結(jié)果的渦輪盤試驗(yàn)件Fig.12 Sample paste testing for rounding features on turbine disc test piece

1 號(hào)和2 號(hào)倒圓部位的檢測(cè)結(jié)果見表1?？梢园l(fā)現(xiàn)，使用改良工藝倒圓的4 個(gè)榫槽都合格，并且半徑的一致性很好。而按照傳統(tǒng)工藝倒圓的4 個(gè)榫槽大部分不合格，這是因?yàn)殡m然首槽試切合格，但因?yàn)槠渌静叟c首槽之間的一致性很差，所以其他榫槽并不能保證加工合格。

表1 試驗(yàn)件上1 號(hào)和2 號(hào)倒圓特征的樣膏檢測(cè)結(jié)果Table 1 Measured results of sample paste with No.1 and No.2 rounding feature on test piece

在批產(chǎn)交付件上，采用改良工藝加工榫槽，經(jīng)過樣膏檢測(cè)驗(yàn)證所有倒圓均合格。選擇的4 個(gè)榫槽的檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 批產(chǎn)交付件上倒圓特征的樣膏檢測(cè)結(jié)果Table 2 Measured results of sample paste with rounding feature on batch piece

上述驗(yàn)證結(jié)果表明，機(jī)內(nèi)測(cè)量結(jié)果是可信的，也能滿足加工精度的要求。借助機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)找正倒圓加工特征后自動(dòng)補(bǔ)償加工，能提升加工的合格率和一致性。

4 機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)在航發(fā)難加工零件制造中的探索方向

雖然機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)能成功改進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工零件的工藝，但要推廣該技術(shù)還需要更多的探索，這些探索包括以下3 個(gè)主要方面。

（1）可信機(jī)內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建研究。數(shù)控機(jī)床的幾何誤差、熱誤差等都明顯高于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差，這些誤差經(jīng)過復(fù)雜的耦合作用影響機(jī)內(nèi)測(cè)量的精度。由機(jī)床和在機(jī)測(cè)頭共同組成的機(jī)內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)，能否滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)精密零件加工和生產(chǎn)要求，是最受關(guān)注的問題。因此，有別于單一研究機(jī)內(nèi)測(cè)頭的預(yù)行程誤差標(biāo)定與補(bǔ)償，需要進(jìn)一步研究機(jī)內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)可信程度的評(píng)價(jià)方法和提升測(cè)量精度的補(bǔ)償方法。構(gòu)建可信測(cè)量系統(tǒng)要回答如下問題：該機(jī)內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)是否可用于機(jī)內(nèi)測(cè)量；該機(jī)內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)能否測(cè)量指定的加工特征；如何補(bǔ)償機(jī)內(nèi)測(cè)量誤差使其測(cè)量精度接近三坐標(biāo)。為回答這些問題，需要研究和識(shí)別機(jī)內(nèi)測(cè)量中的多源誤差，探索誤差傳播和積累機(jī)理，在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)償機(jī)內(nèi)測(cè)量結(jié)果等，這些都是提升在機(jī)測(cè)量精度和加工精度的研究熱點(diǎn)。

（2）基于機(jī)內(nèi)測(cè)量的加工過程質(zhì)量數(shù)據(jù)重用研究。機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于加工過程，測(cè)量結(jié)果來源于加工過程中的工件質(zhì)量特性。受限于測(cè)量效率，以往這些過程質(zhì)量數(shù)據(jù)只會(huì)抽樣或只記錄范圍，缺少完整的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，這讓從加工過程中挖掘質(zhì)量波動(dòng)規(guī)律缺少了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，不能丟棄機(jī)內(nèi)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)，需要通過網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量結(jié)果同步存儲(chǔ)到機(jī)床外的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，用以挖掘質(zhì)量波動(dòng)規(guī)律，還可作為優(yōu)化工藝的依據(jù)。重用加工過程質(zhì)量數(shù)據(jù)需要解決如下難題：如何結(jié)構(gòu)化記錄難加工件完備的過程質(zhì)量數(shù)據(jù)；如何從海量離散的在機(jī)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)加工質(zhì)量波動(dòng)的原因；如何建立反映質(zhì)量波動(dòng)規(guī)律和原因的模型，用以優(yōu)化加工工藝。為解答上述問題，可以引入統(tǒng)計(jì)學(xué)理論、貝葉斯理論等，研究和發(fā)現(xiàn)影響過程質(zhì)量的關(guān)鍵加工要素；探索關(guān)鍵加工要素對(duì)過程質(zhì)量的影響規(guī)律；基于影響規(guī)律，研究?jī)?yōu)化加工工藝的方法。

（3）面向航發(fā)典型制造特征的機(jī)內(nèi)測(cè)量與補(bǔ)償加工混合編程研究。航發(fā)制造企業(yè)中機(jī)床結(jié)構(gòu)種類非常多，所配置數(shù)控系統(tǒng)種類也多樣，甚至有些機(jī)床廠商還針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了定制改造。設(shè)備結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)異構(gòu)，造成需要面對(duì)機(jī)床開發(fā)機(jī)內(nèi)測(cè)量與補(bǔ)償加工的專用數(shù)控程序，工作量和技術(shù)難度對(duì)工藝員提出了很高要求，阻礙了機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)推廣。要在航發(fā)制造企業(yè)建立應(yīng)用機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)的能力，還需要有便捷可靠的機(jī)內(nèi)測(cè)量與補(bǔ)償加工混合編程工具。機(jī)內(nèi)測(cè)量能力建設(shè)需要突破如下技術(shù)方向：歸納航發(fā)難加工零件典型加工特征共性，突破機(jī)內(nèi)測(cè)量數(shù)控程序的參數(shù)化定義技術(shù)；實(shí)現(xiàn)基于航發(fā)典型制造特征的可視化交互機(jī)內(nèi)測(cè)量編程技術(shù)，降低工藝員編程的難度；機(jī)內(nèi)測(cè)量程序與補(bǔ)償加工程序能夠便捷地共享補(bǔ)償量，形成包含機(jī)內(nèi)測(cè)量工件、機(jī)內(nèi)計(jì)算形位尺寸、在機(jī)預(yù)警超差、在機(jī)保存測(cè)量結(jié)果和自動(dòng)補(bǔ)償加工的混合數(shù)控程序。為突破這些技術(shù)，需研究面向特征的參數(shù)化數(shù)控測(cè)量程序的結(jié)構(gòu)形式；需研究基于特征的機(jī)內(nèi)測(cè)量數(shù)控編程技術(shù)；探索在機(jī)測(cè)量、在機(jī)計(jì)算和自動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕旌铣绦虻纳杉夹g(shù)。

5 結(jié)論

精度、變形、磨損等工藝挑戰(zhàn)一直是實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工零件高品質(zhì)加工的難點(diǎn)問題。以往依靠加工過程中頻繁人工測(cè)量和補(bǔ)償?shù)呐f有模式，無法滿足高品質(zhì)加工的需求。因此，需要一種能夠識(shí)別工件實(shí)際狀態(tài)并主動(dòng)補(bǔ)償偏差的技術(shù)，這是在航發(fā)難加工零件加工中應(yīng)用機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)的定位。機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)能夠改變?nèi)斯ゎl繁介入加工過程或者工件二次裝夾的弊端，能夠顯著提升加工效率和加工結(jié)果一致性，降低成本。但在評(píng)估機(jī)內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)可信程度、重用加工過程質(zhì)量數(shù)據(jù)和開發(fā)機(jī)內(nèi)測(cè)量與補(bǔ)償加工混合的工藝編程工具等方面，還有很大的研究空間。通過突破這些關(guān)鍵技術(shù)，機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)將會(huì)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用。