航空发动机先进数控加工技术应用分析

■中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司 （辽宁 110043） 杨金发 张 军 李家永 杨万辉 陈 雷■中航工业沈阳发动机设计研究所 （辽宁 110015） 梁宏坤

航空发动机先进数控加工技术应用分析

■中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司 （辽宁 110043） 杨金发 张 军 李家永 杨万辉 陈 雷
■中航工业沈阳发动机设计研究所 （辽宁 110015） 梁宏坤

航空发动机技术已成为衡量一个国家科技水平、国防实力和综合国力的重要标志之一。而先进数控加工技术是航空发动机技术发展的重要基础。

航空发动机对数控加工技术的需求

为了满足飞机对动力装置的要求，航空发动机始终朝着高推重比、高可靠性、高耐久性、低耗油率、低成本的方向发展。先进的设计方案必需依靠新材料技术及现代制造技术才能实现，而新材料的研发和应用与相应的制造技术也是密不可分的。

发动机设计制造过程中由于性能上的需求而广泛采用了整体结构件，几何精度和技术条件要求越来越苛刻，零件趋于薄壁件。零件材料多为高温合金、钛合金等难加工材料，加工后零件表面残余应力较大，对数控设备的精度和使用寿命影响很大。

航空发动机机匣、盘轴、叶片（见图1）等零件大量采用钛合金、高温合金等难加工材料，切削力大、切削功率高，需要机床主轴有更大的扭矩和功率。这些复杂结构零件采用普通设备很难加工 ，零件加工变形较为严重，影响产品质量。

目前，高性能数控机床的研发方向是高精度、高效率，发展节能、绿色环保机床，加速研究超精密加工技术，发展纳米机床，复合加工机床以及多轴联动加工机床，发展具有智能化、网络化开放式数控系统的机床。

国内在数控工艺技术、数控编程技术等方面与国外存在着一定的差距，工艺准备周期较长，占据了零件整个生产周期的30%以上，效率亟待提高。目前，国外数控编程技术已经朝着智能化、集成化、网络化方向发展，并在成熟的CAD/CAM软件平台上进行了大量研发，构建完成了实用的基于知识或特征的工艺程编平台。

国内数控行业工艺程编技术还处于通用CAD/CAM软件的单项应用阶段，软件本身提供的通用功能无法完全满足复杂结构零件的个性需求，导致数控编程工作量大，编程规范性差、加工策略受限、自动化程度较低、系统集成度有待完善，因此提高工艺准备效率和准确率、建立快速反应平台尤为重要。

图1　航空发动机叶片

高效加工技术

高效数控加工是保证零件精度和质量的前提下，通过改进数控技术，降低零件生产成本、提高设备的生产效率，可以说高效加工是将加工时间、加工质量、生产效率以及生产成本合理分配的一种高性能的机械加工技术。

（1）高速铣削技术。高速铣削一般采用高的切削速度、适当的进给量、小的径向和轴向铣削深度，铣削时大量的铣削热被切屑带走。因此，工件的表面温度较低。随着铣削速度的提高，铣削力略有下降，表面质量提高，加工生产率随之提高。

保持金属去除率的恒定，在高速切削过程中，分层切削要优于仿形加工。刀具切入工件要顺畅，保证刀具轨迹的平滑过渡，好的刀具轨迹是保证切削质量的重要条件。

（2）钻铣加工技术。钻铣技术主要用于整体叶盘流道加工。切削刀具为可转位式机夹U型钻头。一般铣削工艺去除材料采用的刀具为各种铣刀，而钻铣技术则采用了钻孔工艺的刀具即新型U钻加工叶盘流道，大量去除材料，在采用的工具上有本质的区别，该技术突破了传统铣削加工只能用铣刀的思路，将钻孔加工中的刀具应用到型面的加工中。选择钻铣刀具时要求刀具有较好的刚性，零件型腔要求刀具具备较好的排屑功能，刀具具备内冷功能，刀具寿命高，切削效率高。U钻结构上具备内冷却设计，就具有良好的排屑功能和刚性。

（3）插铣加工技术。插铣法又称为Z轴铣削法，插铣是实现高切除率金属切削最有效的方法之一，插铣加工的进给速度相对较低。对于航空难加工材料零件的曲面加工、深槽加工，以及由于结构复杂刀具悬伸较长的零件加工，插铣加工可大幅降低刀具的径向切削力，使切削力稳定，有效抑制切削系统的振动现象，提高切削效率。插铣加工优势在于：减少工件变形，降低作用于铣床的径向切削力，刀具悬伸长度对工件的凹槽铣削十分有利，能实现高温合金材料的切槽加工。

工件加工是否采用插铣方式，主要应考虑加工任务的要求以及所使用加工机床的特点。如果加工要求很高的金属切除率，则采用插铣法可大幅度缩短加工时间。另外当要求刀具轴向长度较大时(如铣削大凹腔或深槽)，由于采用插铣法可有效减小径向切削力，因此与侧铣法相比具有更高的加工稳定性。此外当工件上需要切削的部位采用常规铣削方法难以达到时，可考虑采用插铣法加工。

针对航空零件如整体叶盘等复杂结构件，从锻造毛坯到最终零件加工成形，需要切除大量材料，利用五轴联动变位插铣方式，可以有效避免加工过程中的振动现象，使此类零件粗加工效率提高50%以上。

（4）摆线铣削技术。“摆线”铣削非常适合高速铣削。在整个加工过程中，切削的刀具总是沿着一条具有固定半径的曲线运动，它使刀具运动总能保持一致的进给率。在高性能数控设备上采用摆线加工是一种很好的方法。

摆线加工的优点在于能够大量地去除毛坯材料，提高切削效率；对于难加工材料复杂结构中的窄槽和型腔加工，具有明显的优势。

综合应用以上技术可以有效解决技术瓶颈问题，如整体叶盘加工中采用摆线铣削、钻铣和插铣复合的粗开槽数控加工方法，利用分区域、变切深的加工方法，可有效增强叶片刚性和加工稳定性；摆线铣、插铣复合的加工方法，提高了刀具的耐用度和材料去除率；有效避免了铣加工过程中产生的振动现象，降低了切削力并且最大限度地拓展了刀具运动空间，提高了零件的加工质量和加工效率。

数控加工虚拟仿真技术

虚拟仿真包括两个方面：①几何仿真。应用仿真软件，借以显示刀具运动轨迹，并判断刀具、刀夹与工件及其夹具是否产生干涉。②物理仿真。虚拟加工仿真技术的另一发展是研究解析切削加工过程中的物理现象，并将这一系列切削过程通过计算机模拟出来。

数控加工物理仿真研究内容主要有：切削力建模与仿真、加工误差建模、加工误差补偿、铣削加工参数优化、切削振动预测、切削热预测及表面形貌预测等。

在编程过程中，必须要将用于加工的实际刀具长度，刀夹尺寸进行干涉检查，系统可以根据设置快速检查刀具、刀柄、夹具之间是否会产生干涉，实际加工过程中刀具、刀柄、夹具的干涉碰撞是操作者最担心的问题，虚拟仿真类软件提供精确的刀具、刀柄、夹具的干涉检查，自动去掉发生碰撞的刀具路径与指令，并可以给出不发生碰撞的最短夹刀长度，有效避免过切和切削系统碰撞。

切削速度的优化高速控制器，系统可以根据生成刀具路径在切削时的切削量的变化，自动进行速度优化处理，也就是说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，从而缩短加工时间，提高工作效率，减少刀具损坏，延长刀具寿命，保证了机床和刀具需要的切削载荷的更小变化，提高精加工的表面质量，优化进给量

后，切削时切削速度根据余量的变化曲线变化。

在应用过程中还需突破仿真分析报告自动生成、仿真报告在线管理、仿真资源有效共享等多项关键技术，探索基于PDM系统的数控加工程序仿真与管理的研究工作，实现仿真过程的有效监控、仿真结果合理管理，保证仿真资源数据的唯一，这样可使数字仿真技术水平得到显著提升。

数控机床在线测量技术

航空精密制造存在的数控机床在线质量控制问题已经很普遍，在使用高速五轴加工机的制造过程中，问题已经很严重，都在寻求一种有效的解决方案。使用原始CAD模型作为理论依据进行数控加工过程的产品质量控制，严格控制制造过程的相关尺寸精度公差、形位公差、过程余量与工艺评估调整等是一种有效解决方案。

采用在线检测可方便地在初加工、半精加工等阶段很好地控制产品精度，在加工过程中，当零件没有被从数控机床上卸下之前，做出制造过程中是否继续、是否返工等正确判断。通过在加工的每一个阶段监测被加工零件的质量，节省大量的加工时间。图2为整体叶盘的测量，它能够尽早地发现加工中出现的任何误差，并尽快地将其修正，从而极大地降低成本，提高效率。例如，它能精确地检测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发现加工过程中存在错误，可避免废品产生。

图2　整体叶盘的在线测量

先进数控工艺编程技术

国外先进数控加工工艺设计及程编技术方面已经成熟，基本实现了工艺、程编、仿真、机床、控制系统在CAD/CAM系统下的集成应用，可在工艺设计及程序编制的同时实现程序质量控制和加工结果的仿真，并且在智能编程技术方面实现基于特征的程编，大大提高了数控程编和加工效率。

工艺设计与数控程编可实现并行，能及时发现工艺隐患，可实现工艺、设计、程编的有机协同。设计、制造资源与工艺资源形成统一的基础数据库，使用单一的数据源，不存在信息孤岛。自动化程度高，工艺程编流程简洁有效，基于特征的程编设计达到了实际应用的阶段，专家知识融入工艺程编过程，向智能编程、自动编程不断发展。

国内工艺程编技术主要沿用或借鉴国外CAD/CAM软件自身的功能，在工艺程编技术自主创新方面存在先天不足的缺陷。刀具、切削参数、工装、机床等制造资源与工艺设计系统存在信息孤岛；工艺程编基础数据库尚未完全形成，工艺设计系统与程编系统相对孤立。

切削加工参数的优化

UG加工数据库的优化，通过分析加工数据库的结构特点，典型零件、典型材料的切削参数，建立典型零件的加工参数库，切削参数针对具体零件、具体的难加工材料、具体的数控机床。在进行类似的零件编程时，能够快速、准确的生成切削参数，满足发动机产品的加工需求。UG加工数据库的优化解决了切削参数的合理设置问题，切削参数根据不同的机床、需要进行不同的调整，满足不同机床的特殊性需求。如果不区别机床状态、精度，切削参数都一样的话，加工效果是不一样的。通过开发UG车加工、铣加工数据整体设置功能，由单个进行切削参数设置转变为所有操作集中一起设置，消除了遗漏设置的问题，使切削参数数据应用快捷、可靠。为全程无人干预数控加工打下良好基础。图3为全程序无干预数控加工技术应用流程。

先进数控加工资源库建设

（1）编程仿真UG刀具库。包括车加工资源库，铣加工资源库，UG编程刀具库等。

（2）编程模块资源库。例如车加工、铣型面加工、钻孔（包括铣螺纹），铣花边，铣型槽等

（3）仿真环境资源库。对仿真环境进行进一步的优化，提升仿真环境的防错能力，调整机床默认换刀位置，在部分机床中增加主轴转速、进给速度判断功能，自动检查程序中出现的小转速、小进给等不合理参数，保护

零件和刀具等。

（4）后置处理资源库。在增加部分后置文件的基础上，也主要在对后置处理文件进行技术升级，消除潜在的不足因素，增加数控程序的防错能力，如对机床增加自动输出防错子程序，开发成组输出程序能力，修正后置文件中暂停指令的系统默认错误等。

（5）典型零件切削参数资源库。创建UG编程铣加工切削数据库、车加工数据库，使数据库的数据更加符合现场使用情况。可开发多个利用切削数据库快速生成程序的功能，在解决数据库使用存在问题的同时，实现由原来逐个编程操作生成切削参数，变为整个工序所有操作一键式或几键式完成全部切削参数生成，极大提高数控程序切削参数的生成速度。

（6）设备参数资源库。目前设备参数资源库包括各个数控机床的参数，其内容包括机床的行程、主轴转数、程序传输方式及机床主要的编程特点等。

（7）数控设备编程特征资源库。内容包括各型数控机床的仿真环境示意图、机床的编程注意事项、程序的编程结构及常用案例等，为不熟悉机床的编程工艺人员提供借鉴。

图3　无干预数控加工技术应用流程

数控加工防错技术

数控加工防错是为了防止操作者的操作失误，对必须采用刀补加工的内容，通过开发机床功能，借助先进编程手段控制操作的刀补值范围，消除刀补错误隐患，利用数控系统的高级语言编制防错数控程序，从技术上解决加工出错问题，将人防改为技防，由计算机把关，满足条件则加工，不满足条件则停止，基本可以实现100%防错。

制约航空发动机零件数控加工能力建设的因素：硬件方面，自动换刀系统等配备应该完善，刀库配置合理。数控刀具的管理不符合数控加工发展的需要，加工刀具频繁更换，刀具评价机制有待完善。数控程序切削参数设置参考标准不统一，较为随意。

结语

坚持自主创新为核心，加强技术基础研究，夯实技术根基；提升快速反应能力、质量保障能力、技术储备能力；形成快速反应、工艺试验、协调平台、工艺数据应用平台。

开展一人多机无人值守研究。通过对刀具、虚拟制造技术、机床在线测量技术、机内对刀、工装管理及数控机床维护管理加工流程等方面系统开发和研究。提升先进数控加工技术的推广，逐步适应柔性化生产线的管理模式。

总之先进数控加工技术对航空发动机零件的制造具有重要意义，我们还需不断探索，提升制造技术水平。

收稿日期：（20150510）