典型航空发动机零部件自动化加工应用技术

于 璐，祁俊轩，李海泳

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110000）

1 加工自动化需求分析

近年来企业数控机床拥有量快速增长，数控加工已成为航空发动机关键零部件加工制造的重要方法。随着航空发动机批产进程的推进，航空发动机批产能力受制于其产品的材料和结构工艺特点的现状逐渐暴露，表现在加工过程中手工操作、人为干预较多，存在较大的质量波动及出错几率高等问题，对数控设备功能指令理解不全造成数控设备利用率较低、工艺过程中工艺参数相对保守，产品质量难以有效提高，数控加工质量和效率与航发发动机对制造过程“优化、高效、低耗”的要求有较大差距。

为改变这一现状，公司依托现有资源和能力，实施了航空发动机“典型单工序自动化加工应用”工程项目，通过提升数控设备利用率，优化工艺参数和切削用量，优化数控加工工艺等内容，以点带线，实现典型零件关键工序的高效、精密和全程序过程人工干预最小化的数控加工，以整体提高航空发动机的批产优质交付能力。

2 加工自动化目标效果

航空发动机自动化加工的目标效果最终体现为

1）几何准确度、表面质量符合设计要求。

2）机加工切削效率由20%提高到60%。

3）工人实操工时降低、刀具损耗降低、设备利用率提高等使加工成本降低。

4）工人在工序加工过程尽量保证人工干预最小。

3 加工自动化分层次实施内容

自动化加工分层次实施内容如图1所示，可分为数控程序准备一体化、数控程序质量标准化和单工序机加自动化三方面。

图1 自动化加工分层次实施内容

数控程序准备一体化是集计算机技术、机械制造技术、自动化控制技术及测量技术等多学科交叉技术于一体的，通过在一个系统平台上实现CAM编程、刀具轨迹验证及优化、后置输出、仿真验证和数字化检测一体化,保证数控程序的完整性、准确性和安全性，以提高工作质量和效率，提升整体CAM 技术水平 。

数控编程存在工作量大、重复性劳动多和质量完全依赖于CNC 工程师的知识积累等缺陷，数控程序质量标准化通过规范编程、后置处理标准化，同时在输出数控程序中增加各种防错保证数控程序的完整性、准确性和安全性和以提高工作质量和效率，提升整体CAM 技术水平。

单工序机加自动化是指基于快换工装、在线测量、机内对刀和自适应加工等技术，通过优化、固化加工刀具和工艺参数，采用程序控制方法，减少数控加工过程人为干预，改变传统的人工测量、手动刀补进刀的数控加工方法，形成具有自动测量、自动加工补偿和防错控制等特点的全程序干预最小化数控加工模式，以提高数控加工过程的可靠性、稳定性和一致性，同时减少数控加工过程的辅助加工时间、非增值环节，达到提高加工效率、降低加工成本和保证加工质量的目的，从而整体提升发动机的批产优质交付能力。

4 数控程序准备一体化应用技术

（1）典型零件加工数据库关联技术

发动机零件结构复杂，为了能够实现零件数控程序的快速编程，需要有数据库作为支持，通过将成熟的加工经验和经典的加工方知识固化下来，作为特征识别和程序编制的依据。数据库中应该包含零件结构数据、切削方法数据库、加工特征数据库、零件材料数据库、加工策略数据库、加工刀具库、加工机床数据库和切削参数库等各种制造资源以及加工知识库，典型机匣类零件的相关数据库的关联关系如图2所示，在实际编程过程中，工艺人员能够将常用的具有代表性的制造资源以及加工知识库按照接口要求添加到数据库中，对数据库进行更新和完善，使编制的刀具轨迹适用范围更大。

图2 典型零件加工数据库关联

（2）数控编程自动化技术

以典型零件模型为载体，通过特征梳理与工艺定制，确定支撑特征编程模块的制造资源库与工艺知识库架构，基于加工特征完成工艺规划以及工艺决策，通过加工特征识别实现加工工艺的映射（一对一映射、一对多映射），达到CAM快速编程，包括刀具选择、刀轨数量及加工顺序和刀轨参数等，具体流程如图3所示。特征驱动的数控编程自动化一方面批量自动产生刀轨，提高编程效率；另一方面通过MKE（工艺知识编辑器）固化典型特征的编程经验，降低编程难度，确保程序质量。

图3 数控编程自动化流程

5 数控程序质量标准化技术

（1）刀具轨迹防错规范化

在刀具轨迹设计中刀具选择、切削参数选择、加工模型建模、加工策略选择等关键要素，确定每个阶段的控制点，归纳控制规则，从而形成刀具轨迹防错规范化的关键要素控制方法及其工作流程，具体内容如图4所示。

图4 刀具轨迹防错

（2）后置处理输出防错多样化

在刀具轨迹后置处理输出数控程序过程中采用程序头尾固定化、设计多种后置处理过程防错方法以及应用多种在线测量方法等实现后置处理输出防错多样化，具体内容如图5所示。

图5 后置处理输出防错

（3）加工过程防错多样化

在加工过程中应用数控程序防错多样化、加工过程监控多样化、人员素质提升以及管理制度流程与时俱进、持续推进来达到加工过程防错多样化的目的，加工过程防错多样化的具体内容如图6所示。

图6 加工过程防错

6 单工序加工自动化应用技术

（1）机内刀具测量技术

在加工设备中配备刀具检测系统，如图7所示，刀具检测系统是一种准确度极高的光学测量装置，可在加工过程中监控加工中的刀具状况并进行自动刀具测量，将刀具属性输入至加工设备中。检测刀具的几何轮廓，能及早侦测出调用错误及预设错误的刀具，同时也可得知刀具是否已破损或磨损过量。这种操作方式可以有效地避免工件及后续刀具的损坏。

图7 刀具检测系统

（2）机内在线测量技术

在加工设备中装配在线测量系统，如图8所示，使用在线测量代替手动测量。数控加工中心在线测量免去了工件的反复装夹、校正的过程。比离线检测减少了工件检测的时间，提高了检测效率。加工与检测在同机上完成，检测反馈信息可用于修改加工G代码，形成加工—检测—再加工的闭环系统，提高尺寸合格率。

图8 在线测量系统

在线测量这项功能是在机床上将零件的实际加工轮廓进行测量，与理论值进行对比，同时将差值补偿在零件加工的程序里，再把程序有机串联起来，编译到NC程序当中实现的。这一新技术的开发极大地提高零件的加工质量稳定性，机床自动测量代替了人工干预测量。

（3）自适应控制与监测技术

自适应控制与监测能够通过检测主轴监控（刀具平衡检测、冲突检测和轴承检测等）以及刀具监控（破损检测、磨损检测等）实现刀具、机床的过载保护，运用内部的专家系统对采集的主轴负载信号和相应的刀具及材料数据进行分析处理，系统自动判断进行实时调整机床的进给倍率，从而实现稳定负载的高效加工，如图9所示。

图9自适应控制与监测技术

7 单工序机加自动化应用工作流程

结合在线测量技术和优铣加工技术，在机加工过程中人工干预尽量最小化，通过自动校准、自动找正、自动加工、自动测量、自动补偿和自动适应等实现加工自动化过程，如图10所示。

图10单工序机加自动化应用实践工作流程

8 结束语

随着科技发展和技术进步，加工自动化、智能化正在改变各个行业。中国航发将以“数字化、自动化、智能化”为目标，系统规划、分步实施，从提升产品关键特性的制造自动化水平着手，逐步提升发动机生产线自动化水平，满足航空发动机产品发展的需求。