面向第四代航空发动机的数控加工发展趋势分析

摘 要：从分析第四代航空发动机的典型结构特点入手，详细阐述了第四代航空发动机零件特点对数控加工中心的需求，并指明了满足第四代航空发动机制造的数控加工中心发展方向。

关键词：数控加工；航空产品；需求分析；发展趋势

1 对数控加工需求分析

1.1 对精度与轴数的要求

首先根据被加工零件的精度，综合考虑装夹、找正误差和加工誤差等因素，来确定所选择机床的精度。其次根据被加工零件的几何形状，考虑自由曲面构成在加工时对刀具刀轴的要求，从经济的角度尽可能选择轴数较少的机床。比如，某些锥形薄壁大型件有正反两个不同方向的锥角，尽管外壁为可展曲面，但是加工外壁直径时，需要用棒形铣刀的端面加工，刀轴法向于外壁，故需要五坐标加工中心加工。主轴的旋转范围除正常的0°～90°外，需要额外增加向上旋转的角度范围，即上仰角。否则就必须通过零件的二次装夹找正来解决不同方向的锥形外壁加工。

1.2 对冷却功能的要求

以往零件的加工中多采用外部冷却，随着近年来数控加工设备功能的不断完善以及发动机难切削材料的需求，加工中已经大量使用主轴内、外部同时冷却的方式。通过对难加工材料耐热高温合金、钛合金的切削试验和零件加工验证表明，这种内、外冷却组合方式的应用对降低零件表面的切削温度、延长刀具使用寿命、提高切削效率和降低表面粗糙度确实具有良好效果。目前，一些高端机床厂家研制的现代机床配备了高压喷射冷却系统，冷却液流量充沛、射流方向与射流部位准确，因此切屑的断屑形状、切削热的传导、工件材料在切削刃上优良的粘结性、刀具磨损、材料表面完整性等加工特性会有显著提高。国外资料表明，高压冷却（HPC）在钛合金、耐热超级合金等难加工材料的加工中，表现出令人惊奇的效果。通常在一些盘、环类零件的车削中，特别是在封闭区域的加工中，切屑过长、断屑和排屑不及时，会使已加工表面产生刮痕，粗糙度受到影响。

1.3 对数控加工程序的要求

目前，欧美等国家数控铣削加工中心或者车削中心装载数控加工程序大多介质型号为NCU573.5，容量为2MB。在运行程序时，机床控制系统要占用一部分，因此，留给用户的空间一般小于2MB。当数控程序超过此容量时，需要将整个程序拆分成几部分，或者采用外部硬盘运行的方式。当程序结构过于复杂、采用子程序循环等机床内部配备的高级语言编程时，外部硬盘运行方式也将失效，给零件加工表面带来不必要的接刀痕，影响表面质量。

尽管制造企业数控程序的编制已经实现采用CAD/CAM通用软件例如UGNX等，并采用虚拟仿真技术对程序进行仿真验证，来检查刀具轨迹的正确性。但是在正式加工前应该用机床内部所配备的刀具轨迹显示模块，对程序进行轨迹模拟显示，这对于编程者所选定的零件编程坐标系是否与工件坐标系重合，起到一个校正作用，对保障零件加工质量非常有益。

1.4 对控制系统的要求

对于同一制造企业而言，都拥有多种铣削、磨削或者车削加工中心，但这些加工中心最好采用相同厂家的控制系统，便于使用维修，零件具有良好的互换性，维修时也有益于对系统更深入的研究与应用。避免每种系统都停留在浅层了解阶段，处于不精、不深的状态中，也可以通过对系统软件功能的深度开发后，便可大面积推广应用，减少重复性工作。近年来，结合复杂零件的加工，很多企业对控制系统中的一些高级指令等进行了研究与应用。例如刷新功能、刀尖跟踪功能、循环功能、子程序嵌套、内存虚拟扩容和在线测量功能等。对于实现复杂零件的数控加工，实现几何尺寸的精密成型，保证产品质量，起到了不可或缺的作用。

1.5 对在线测量功能的要求

随着现代制造企业对于制造效率和工件质量提出了越来越高的要求，原来那种加工完成后，卸载并交由计量部门进行公差和精度检验的方式已经越来越不能适应新产品研制的需求，要求能够实现在线测量。传统的手工测量工具虽然有较好的移动性，但测量精度低、功能相对单一。利用在线测量系统和在加工中心实现测量的方法，能够很好的满足精密、不便于移动和超大型工件的测量要求。例如对于车削加工中心，加工刃具几何尺寸的测量非常必要。对于某些公差尺寸较严的部位，要求对装入刀夹后车刀的轴向、径向长度尺寸测量的非常精确。而机床配备了雷尼绍测头后，可精确地测量出刀具各方向的刀长，为精密加工提供了有利的保障。

对于一些处于试制阶段的零件，应用在线测量技术可以避免测量工装的应用，缩短研制周期。国外较为先进的加工中心所配备的840D西门子控制系统，具备一般在线测量功能，可以测量法向于Z轴的加工尺寸。

2 数控加工发展方向

2.1 高速度与高精度化

速度和精度是数控加工的两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和质量。目前，新型的加工中心都使用32位甚至64位微处理器技术，最小移动单位不断缩小，最大进给速度和主轴转速不断增加。

2.2 高度智能化

智能化是体现数控加工运用高技术的重要标志，它表现在运用自适应控制技术；运用人机对话自动编程功能建立切削用量系统；运用自诊断功能判别故障模式。

2.3 高度集成微型化

控制系统体积的小型化便于将机、电装置揉合为一体。目前，高端系统都采用三维安装方法，采用新型彩色液晶薄型显示器和触摸屏。

2.4 高可靠性

数控加工中心价格较高，制造企业期望发挥投资效益，要求设备可靠，特别是对要用在长时间无人操作环境下运行的数控系统，可靠性成为人们最为关注的问题。

2.5 高度网络化

为适应FMC、FMS以及进一步联网组成CIMS的要求，一般的数控系统都具有高速串行接口。现代数控加工中心为了适应自动化技术的进一步发展，满足工厂自动化规模越来越大的要求，满足不同厂家不同类型数控机床联网的需要，纷纷采用先进的工业控制网络。

2.6 高度开放性

传统的数控系统是一种专用封闭式系统，各个厂家的产品之间以及与通用计算机之间不兼容，维修、升级困难，越来越难以满足市场对数控技术的要求。为此，提出了开放式数控系统的概念，现正在大力研究开发开放式数控系统，有些已进入实用阶段。

3 结束语

综上所述，随着第四代航空发动机性能和可靠性要求的不断提高，加工其零件的数控加工中心应功能齐备、性价比高、可扩展性强和满足多种零件特点的设备，同时具有较高的维护性和较低的使用成本，这类数控加工中心也将为第四代航空发动机的研制提供较大空间和有力支撑，必将受到用户青睐。

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作者简介：徐健（1978，4-）男，辽宁沈阳，本科，工程师，研究方向：机械设计与制造。