航空發(fā)動(dòng)機(jī)精鍛葉片數(shù)字化生產(chǎn)線

中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 陳貴林 趙春蓉

風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比、推重比及服役壽命要求的不斷提高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片已經(jīng)大量采用三元流理論設(shè)計(jì)，葉片型面及進(jìn)排氣邊形狀日趨復(fù)雜，對(duì)其制造精度、檢測(cè)技術(shù)提出了更為嚴(yán)格的要求。目前年產(chǎn)達(dá)數(shù)十萬(wàn)片，且產(chǎn)量逐年上升。屬于唯一可以按大批量生產(chǎn)規(guī)劃布局專業(yè)化生產(chǎn)線的零件。隨著工業(yè)化生產(chǎn)向自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的步伐日益加速，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)迫在眉睫。

國(guó)外GE、R·R、MTU等知名航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)精鍛葉片數(shù)字化制造技術(shù)的工程化應(yīng)用，加工的產(chǎn)品具有極強(qiáng)的過(guò)程一致性和動(dòng)態(tài)快速響應(yīng)性，穩(wěn)定、可靠的產(chǎn)品質(zhì)量也為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、可靠性提供了重要保障。

國(guó)內(nèi)無(wú)余量精鍛葉片的鍛造及精密加工，目前僅在中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱西航）實(shí)現(xiàn)了批生產(chǎn)，主要以多軸數(shù)控單機(jī)加工為主要制造手段。為了加速葉片制造技術(shù)成熟度的提升，西航開(kāi)展了葉片數(shù)字化生產(chǎn)線的探索研究、規(guī)劃建設(shè)。本文從分析三代發(fā)動(dòng)機(jī)精鍛葉片加工工藝入手，對(duì)比國(guó)外知名發(fā)動(dòng)機(jī)公司葉片制造的加工技術(shù)優(yōu)勢(shì)，梳理壓氣機(jī)葉片工藝流程，分析工藝難點(diǎn)，制定解決方案，合理確立生產(chǎn)線建線綱領(lǐng)、技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)對(duì)該生產(chǎn)線未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

葉片數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)必要性分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造技術(shù)的歷史從20世紀(jì)70年代以前的普通銑床仿形加工，逐步發(fā)展到80～90年代初期的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工，以及90年代后期精益生產(chǎn)單元，到21世紀(jì)的數(shù)字化生產(chǎn)線，跨越了漫長(zhǎng)的40年歷程（圖1）。

圖1 航空葉片制造技術(shù)發(fā)展歷程

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，信息技術(shù)高度發(fā)展，與制造業(yè)逐步融合，工業(yè)發(fā)展模式發(fā)生變化。為了在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)制高點(diǎn)，德國(guó)推出以信息物理系統(tǒng)融合為核心的工業(yè)4.0，美國(guó)推出了以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)計(jì)劃，法國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都在不同層面出臺(tái)相應(yīng)策略、計(jì)劃，對(duì)高端制造業(yè)進(jìn)行再調(diào)整再布局，打造國(guó)家制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)。面對(duì)挑戰(zhàn)，我國(guó)推出“兩化融合”及“中國(guó)制造2025”等戰(zhàn)略規(guī)劃，大力推進(jìn)“中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”加速轉(zhuǎn)變，提高制造業(yè)數(shù)字化和智能化水平，實(shí)現(xiàn)制造工業(yè)的快速發(fā)展。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求不斷提高，制造技術(shù)向高效、低成本、高精度、精益化方向發(fā)展，迫使傳統(tǒng)的制造技術(shù)不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，由自動(dòng)化、數(shù)字化向智能化方向發(fā)展，智能制造已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)未來(lái)的主要發(fā)展方向。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造必須跨越自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化3個(gè)臺(tái)階。第一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制造。通過(guò)使用自動(dòng)化設(shè)備、工具，建設(shè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、生產(chǎn)車間，使生產(chǎn)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，提高制造精度，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度；第二步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造。通過(guò)各種生產(chǎn)要素的電子化，借助計(jì)算機(jī)工具和網(wǎng)絡(luò)工具對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，使制造過(guò)程更加高效，解放人的腦力；第三步實(shí)現(xiàn)智能制造。使生產(chǎn)過(guò)程具有自感知、自適應(yīng)、自診斷、自決策、自修復(fù)的能力，由“人腦分析+機(jī)器制造”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皺C(jī)器分析+機(jī)器制造”。實(shí)現(xiàn)智能制造是一個(gè)相當(dāng)漫長(zhǎng)的過(guò)程，需要航空人不斷地努力與探索。

當(dāng)前，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)還處在自動(dòng)化、數(shù)字化制造階段，智能制造尚處于探索研究的初級(jí)發(fā)展階段。

西航精鍛葉片生產(chǎn)制造中心擁有較為先進(jìn)的數(shù)控加工和測(cè)量設(shè)備。通過(guò)多年的研究和探索，已掌握了精鍛葉片精密定位、多種葉型、榫頭、阻尼臺(tái)的數(shù)控加工技術(shù)。具備了一定的鈦合金、高溫合金葉片制造和研發(fā)能力，擁有國(guó)內(nèi)精鍛葉片重點(diǎn)生產(chǎn)線，代表了國(guó)內(nèi)精鍛葉片制造技術(shù)的最高水平。但是，目前和國(guó)外先進(jìn)水平相比還存在下述問(wèn)題：

（1）混線生產(chǎn)，專業(yè)化、集成化程度低。在目前的生產(chǎn)資源配置中，普遍存在專業(yè)化程度低、集群式布局、各種類型產(chǎn)品交叉生產(chǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重，制約了生產(chǎn)效率。

（2）數(shù)控加工準(zhǔn)備時(shí)間、輔助時(shí)間占用過(guò)多。在數(shù)控加工中程序調(diào)整、工裝夾具準(zhǔn)備、刀具準(zhǔn)備及零件檢測(cè)等占用的時(shí)間較多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，加工中心主軸利用率不足40%，影響了產(chǎn)品加工效率。

（3）信息化程度低，周轉(zhuǎn)、等待、協(xié)調(diào)時(shí)間長(zhǎng)。每個(gè)數(shù)控機(jī)床是一個(gè)信息碎片，各環(huán)節(jié)生產(chǎn)、質(zhì)量數(shù)據(jù)信息傳遞和交換依賴人工載體，無(wú)法將檢測(cè)結(jié)論信息及時(shí)傳送到加工設(shè)備上進(jìn)行補(bǔ)償修正，總體上制約了企業(yè)的高效運(yùn)作，影響生產(chǎn)效率。

（4）無(wú)余量精鍛葉片的精密加工硬裝夾技術(shù)尚未突破。長(zhǎng)期以來(lái)的低熔點(diǎn)合金裝夾方式，大量應(yīng)用于弱剛性葉片的加工。不但存在定位偏移誤差、環(huán)境污染等不利因素，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)快換。如何實(shí)現(xiàn)有效硬裝夾、減少裝夾次數(shù)并實(shí)現(xiàn)快換功能，是突破葉片加工的難題之一。

（5） 自適應(yīng)加工技術(shù)應(yīng)用水平較低。目前進(jìn)口五軸五聯(lián)動(dòng)加工中心、三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)只具備簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)、平移坐標(biāo)系的功能，因缺少自適應(yīng)加工軟件的深度開(kāi)發(fā)，對(duì)于無(wú)余量精鍛葉片的葉型面，難以實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣邊與葉身、阻尼臺(tái)與葉身及局部超差修復(fù)與原型面的平滑轉(zhuǎn)接加工。

（6）研制成本高、風(fēng)險(xiǎn)大。無(wú)余量精鍛葉片毛料型面復(fù)雜、精度要求高，導(dǎo)致生產(chǎn)周期長(zhǎng)、價(jià)值高。任何質(zhì)量損失、時(shí)間損失都會(huì)給企業(yè)帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，對(duì)于大批量無(wú)余量精鍛葉片生產(chǎn)制造而言，現(xiàn)有的工藝技術(shù)和生產(chǎn)組織模式，存在著生產(chǎn)效率低、研制周期長(zhǎng)、質(zhì)量穩(wěn)定性差、制造成本高、能耗高等問(wèn)題，這已經(jīng)成為制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化的生產(chǎn)線作業(yè)方式是解決問(wèn)題的最佳途徑，并且在行業(yè)內(nèi)具有較強(qiáng)的示范效應(yīng)。因此，西航迫切需要開(kāi)展精鍛葉片數(shù)字化化生產(chǎn)線建設(shè)工作。通過(guò)信息技術(shù)和制造技術(shù)在葉片生產(chǎn)過(guò)程中的深度融合實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，依托AOS中航工業(yè)運(yùn)營(yíng)管理體系強(qiáng)化工藝體系、質(zhì)量控制體系、信息化管控等體系的創(chuàng)新，全面提高葉片生產(chǎn)制造能力和產(chǎn)品質(zhì)量水平。

葉片數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)要求

1 建線目標(biāo)

通過(guò)國(guó)外、國(guó)內(nèi)葉片數(shù)字化生產(chǎn)線在投資力度、建設(shè)面積、設(shè)備數(shù)量、人員、生產(chǎn)能力、質(zhì)量等方面對(duì)比分析（見(jiàn)表1），可以看出：在相似的投資力度下，集中投資比分散投資具有起點(diǎn)高、整體規(guī)劃性強(qiáng)、布局完整統(tǒng)一、產(chǎn)能高、質(zhì)量穩(wěn)定、周期短等優(yōu)點(diǎn)。而國(guó)內(nèi)通常采用的分步實(shí)施的建設(shè)方案，建設(shè)時(shí)間一般在10年以上，對(duì)于投資大的項(xiàng)目時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。而且因?yàn)橥顿Y分散、時(shí)間長(zhǎng)、建設(shè)目標(biāo)多發(fā)生偏離變化，所以整體規(guī)劃性弱、布局分散、產(chǎn)品產(chǎn)能低、質(zhì)量不穩(wěn)定。

表1 國(guó)外、國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片生產(chǎn)線對(duì)比

綜合分析認(rèn)為：要確立建線目標(biāo)，首先需要梳理現(xiàn)階段無(wú)余量精鍛葉片精密加工在技術(shù)、管理等方面存在的差距、問(wèn)題及落后原因。其次，了解國(guó)外葉片先進(jìn)的機(jī)械加工設(shè)備、在線數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備、自適應(yīng)加工軟件、質(zhì)量控制軟件、生產(chǎn)管理軟件等功能及應(yīng)用情況。再通過(guò)對(duì)其他行業(yè)國(guó)內(nèi)外數(shù)字化生產(chǎn)線建線成果、經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)的調(diào)研，汲取眾家之長(zhǎng)，規(guī)劃建設(shè)精鍛葉片數(shù)字化生產(chǎn)線，其具體目標(biāo)確定為：生產(chǎn)線年產(chǎn)兩類5種壓氣機(jī)葉片4萬(wàn)片。

2 數(shù)字化生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)原則

依據(jù)建線目標(biāo)，該生產(chǎn)線目前應(yīng)達(dá)到智能制造生產(chǎn)線的國(guó)際水平。通過(guò) “集成化、數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化”的“四化”建線原則，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)線“自感知、自適應(yīng)、自診斷、自決策、自修復(fù)”的“五自”基本功能。

（1）實(shí)現(xiàn)集成化。

集成化即利用AOS分族技術(shù)確定葉片類型，將葉片生產(chǎn)過(guò)程中的主要設(shè)備和工藝集成，通過(guò)AOS生產(chǎn)管理系統(tǒng)將生產(chǎn)、質(zhì)量、檢測(cè)、工裝、物料移載等單機(jī)生產(chǎn)信息集成管理，形成生產(chǎn)專線。

（2）實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

數(shù)字化即將2D的CAD產(chǎn)品平面模型轉(zhuǎn)換為3D數(shù)字模型，以數(shù)字化產(chǎn)品模型為單一數(shù)據(jù)源，進(jìn)行葉片工藝設(shè)計(jì)、無(wú)余量鍛造毛坯設(shè)計(jì)制造，加工、檢測(cè)工裝設(shè)計(jì)制造，數(shù)字化檢測(cè)，數(shù)字化工藝仿真等。將零件、夾具、刀具等硬件資料用二維碼標(biāo)識(shí)，將原來(lái)人工統(tǒng)計(jì)、傳輸、處理信息提升為控制系統(tǒng)可自動(dòng)讀取、統(tǒng)計(jì)、傳輸、分析的數(shù)字化信息，減少非加工時(shí)間。

（3）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

自動(dòng)化即在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用機(jī)器人或機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)零件在料庫(kù)、設(shè)備間自動(dòng)有序傳送。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用指令、程序、工裝，設(shè)備自動(dòng)找正、加工、清洗、檢測(cè)的無(wú)人工參與，消除質(zhì)量不確定因素；應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)使各環(huán)節(jié)物流信息、制造數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)信息傳遞和交換自動(dòng)完成。

（4）實(shí)現(xiàn)智能化。

智能化即運(yùn)用先進(jìn)傳感器、儀器，通過(guò)監(jiān)測(cè)、控制、工藝優(yōu)化、過(guò)程優(yōu)化技術(shù)和實(shí)踐的組合，可自動(dòng)根據(jù)產(chǎn)品型別、數(shù)量制定生產(chǎn)計(jì)劃，根據(jù)毛料狀態(tài)及檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)加工應(yīng)用、自動(dòng)生成數(shù)控加工程序、自動(dòng)調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍，提高設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)工廠能量、生產(chǎn)率和成本的實(shí)時(shí)管理。

在數(shù)字化生產(chǎn)線內(nèi)實(shí)現(xiàn)“自感知、自適應(yīng)、自診斷、自決策、自修復(fù)”功能。

·自感知。應(yīng)用各類型的數(shù)字化傳感器獲取機(jī)械手上下料、物料移載，系統(tǒng)調(diào)取程序、夾具、刀具，對(duì)刀儀自動(dòng)檢測(cè)刀具，設(shè)備自動(dòng)加工零件，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)/白光掃描機(jī)自動(dòng)檢測(cè)等過(guò)程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)各動(dòng)作機(jī)構(gòu)的聯(lián)鎖、互鎖信息，并傳輸至中央控制器。

·自適應(yīng)。將葉片在夾具上可靠定位，通過(guò)自感知系統(tǒng)獲取葉片信息，自動(dòng)調(diào)取3D 數(shù)字模型、檢測(cè)程序，對(duì)待加工型面進(jìn)行數(shù)字化在線檢測(cè)，經(jīng)過(guò)數(shù)控系統(tǒng)處理后，用自適應(yīng)加工軟件與數(shù)模進(jìn)行比對(duì)，快速重構(gòu)新模型，后置處理生成數(shù)控加工程序，完成葉片自適應(yīng)加工，實(shí)現(xiàn)葉型與進(jìn)排氣邊緣的平滑轉(zhuǎn)接。

·自診斷。通過(guò)對(duì)線內(nèi)各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)感知、識(shí)別、診斷產(chǎn)品型號(hào)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，工裝型號(hào)、使用情況及數(shù)量，系統(tǒng)工作狀態(tài)及故障點(diǎn)；對(duì)異常情況發(fā)出聲、光、電等信號(hào)報(bào)警，并對(duì)故障模式提出診斷報(bào)告。

·自決策。系統(tǒng)根據(jù)自感知、自診斷所獲取的信息，將過(guò)程信息實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)統(tǒng)一記錄、分析、判斷，依據(jù)專家知識(shí)庫(kù)、高逼真度的仿真軟件提供的支持，做出決策方案及報(bào)告，并傳輸至中央控制器。

· 自修復(fù)。根據(jù)自決策進(jìn)行自動(dòng)糾正，系統(tǒng)將處置指令發(fā)送給生產(chǎn)線各控制點(diǎn)的執(zhí)行器，進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，完成系統(tǒng)自修復(fù)。對(duì)超差葉片利用自適應(yīng)加工技術(shù)，在超差部位重新構(gòu)建3D模型，通過(guò)反復(fù)疊代，在公差范圍內(nèi)自動(dòng)生成新程序，自動(dòng)完成修復(fù)加工。

葉片數(shù)字化生產(chǎn)線布局與設(shè)計(jì)

1 壓氣機(jī)葉片特點(diǎn)及典型加工工藝流程分析

某型發(fā)動(dòng)機(jī)精鍛轉(zhuǎn)子葉片為精密鍛造鈦合金毛坯，采用榫根定位裝配，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有帶榫根、單緣板、基于三元流設(shè)計(jì)的葉型曲面、葉片厚薄不均、葉尖處僅為1mm，葉片具有剛性弱的特征。

目前，該葉片典型加工工藝流程主要包括：首先以葉片葉身定位加工榫根，再以榫根定位進(jìn)行排氣邊加工，中間需要輔助測(cè)量工序。由于葉片的剛性不足，在加工榫根時(shí)，其葉身采用低熔點(diǎn)合金包裹定位，可靠性低。排氣邊加工采用手工拋修完成，導(dǎo)致葉片一致性差、合格率低。葉片檢測(cè)評(píng)價(jià)方法定性多，定量少，未能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。現(xiàn)行葉片的加工及檢測(cè)方法較為落后，難以滿足數(shù)字化生產(chǎn)的要求。

2 生產(chǎn)線難點(diǎn)分析

（1）工藝技術(shù)方面。首先低熔點(diǎn)合金定位不穩(wěn)定、基準(zhǔn)面被包裹無(wú)法校正，冷卻溶解繁瑣，且存在對(duì)環(huán)境的污染，急需突破硬裝夾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)整基準(zhǔn)、快速、可靠裝夾、綠色制造；其次手工拋修進(jìn)排氣邊，一致性差、質(zhì)量不穩(wěn)定，需探索數(shù)控變圓弧機(jī)械加工方法；再者傳統(tǒng)專用工裝無(wú)法實(shí)現(xiàn)加工、檢測(cè)工裝之間的快換、自動(dòng)轉(zhuǎn)移等功能，需設(shè)計(jì)具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口的工裝和托板。

（2）生產(chǎn)管理方面。傳統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、監(jiān)管與過(guò)程控制依賴人工經(jīng)驗(yàn)完成，工序間轉(zhuǎn)換零件需要人工裝卸，隨著產(chǎn)品種類、數(shù)量增加，勢(shì)必造成生產(chǎn)安排不均衡，物流線路交織反復(fù)，生產(chǎn)調(diào)度忙亂。需要尋找一套統(tǒng)一協(xié)調(diào)的管理方法，均衡生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)物流單向流動(dòng)，提高生產(chǎn)管理效率，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）質(zhì)量控制方面。傳統(tǒng)工序間檢測(cè)屬于人工檢測(cè)、事后控制：即將不合格品檢測(cè)結(jié)果告知工藝員，工藝員編制補(bǔ)加工工藝及程序，工人根據(jù)新的工藝及程序補(bǔ)加工零件，直至合格；其過(guò)程需要3個(gè)不同部門的人員協(xié)同完成，信息傳遞速度慢、且無(wú)法事前預(yù)知、預(yù)判。如何實(shí)現(xiàn)零件自動(dòng)檢測(cè)，并對(duì)超差趨勢(shì)可以提前預(yù)知，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)加工，將大幅提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

3 生產(chǎn)線功能設(shè)計(jì)

（1）工藝技術(shù)方面。在現(xiàn)有PDM工藝技術(shù)管理模塊的基礎(chǔ)上，將葉片3D數(shù)字模型作為生產(chǎn)線加工、檢測(cè)單一數(shù)據(jù)源，利用自適應(yīng)加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)，選取最佳加工、檢測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)葉片在五軸加工中心上的銑削加工。

硬裝夾夾具：要求設(shè)計(jì)方案應(yīng)便于機(jī)械手自動(dòng)抓取，葉片裝夾可靠穩(wěn)定，葉片基準(zhǔn)尺寸便于自動(dòng)檢測(cè)采集。

快換工裝：設(shè)計(jì)統(tǒng)一的快換結(jié)構(gòu)及快換托板并便于抓取，使不同的夾具、測(cè)具之間，能夠在托板上實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)快速更換，其重復(fù)定位精度達(dá)到 0.005～0.008mm。

如圖2精鍛葉片硬裝夾快換夾具原理圖及實(shí)物圖所示。

自適應(yīng)加工技術(shù)：是基于數(shù)字模型的制造、修復(fù)、檢測(cè)加工技術(shù)。從裝載工件開(kāi)始，先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維掃描檢測(cè)獲取實(shí)物3D模型，應(yīng)用自適應(yīng)加工軟件將實(shí)物3D模型與理論3D原型進(jìn)行擬合、比對(duì)，加工坐標(biāo)重構(gòu)，通過(guò)多次迭代，快速構(gòu)建新的最佳加工、檢測(cè)模型，用于加工、檢測(cè)產(chǎn)品，以獲取最佳的產(chǎn)品質(zhì)量。主要流程示意圖如圖3所示。

圖2 精鍛葉片硬裝夾快換夾具實(shí)物圖

應(yīng)用自適應(yīng)加工技術(shù)后，葉片只需可靠裝夾即可。通過(guò)葉片進(jìn)排氣邊附近區(qū)域的光學(xué)測(cè)量，即可根據(jù)與3D數(shù)據(jù)源型比對(duì)，通過(guò)反復(fù)迭代，快速重新構(gòu)建加工、檢測(cè)模型，獲得進(jìn)排氣邊三元流曲面與精鍛表面平滑過(guò)渡銜接，高度一致性表面和尺寸形位高精度檢測(cè)評(píng)價(jià)，基于原材損失最小、用戶可自定義邊界的快速修整、修復(fù)，自動(dòng)視覺(jué)識(shí)別特征、缺陷并作出決策等功能。圖4為葉片自適應(yīng)加工實(shí)物效果圖。

圖3 精鍛葉片自適應(yīng)加工技術(shù)流程示意圖

（2）生產(chǎn)管理方面。根據(jù)AOS運(yùn)營(yíng)管理體系要求，結(jié)合公司MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)，建立新的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)模型。從原材料采購(gòu)供應(yīng)、生產(chǎn)計(jì)劃安排、產(chǎn)品工藝布局、物流通道設(shè)計(jì)、生產(chǎn)節(jié)拍控制、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)按燈系統(tǒng)等各個(gè)環(huán)節(jié)為產(chǎn)品交付提供高效運(yùn)營(yíng)模式。

圖4 自適應(yīng)加工實(shí)物效果圖

（3）質(zhì)量控制方面。傳統(tǒng)葉片測(cè)量大多采用專用測(cè)具，檢驗(yàn)員完成工序檢驗(yàn)和最終檢驗(yàn)，數(shù)字化生產(chǎn)線要求采用三坐標(biāo)或白光掃描實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，模型快速重建與精度評(píng)估。生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制新增SPC自動(dòng)監(jiān)控功能，自動(dòng)監(jiān)控質(zhì)量信息、分析原因并及時(shí)報(bào)警，見(jiàn)圖5 。

通過(guò)采用自動(dòng)SPC控制技術(shù)，將事后處理改為事前預(yù)防。確保葉片進(jìn)排氣邊輪廓度、表面粗糙度、位置度達(dá)到設(shè)計(jì)要求；確保生產(chǎn)線葉片加工一致性、產(chǎn)品合格率達(dá)到95%以上，加工過(guò)程能力指數(shù)CP≥1.33。

圖5 SPC質(zhì)量預(yù)警控制圖

4 數(shù)字化生產(chǎn)線總體布局

根據(jù)壓氣機(jī)葉片加工流程，設(shè)計(jì)“U”型線布局，如圖6所示。該生產(chǎn)線主要由8大單元組成：生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)與過(guò)程控制單元、機(jī)器人傳送與控制單元、生產(chǎn)線物料庫(kù)單元、人工裝卸單元、榫根加工單元、進(jìn)排氣邊加工（葉尖銑切）單元、清洗烘干單元、三坐標(biāo)/光學(xué)測(cè)量單元。

5 數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法

綜上所述，數(shù)字化生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)應(yīng)包括：

（1）確定產(chǎn)品。優(yōu)先選取可大批量生產(chǎn)的加工對(duì)象。批量越大，生產(chǎn)效率提高越明顯、單位建設(shè)成本越低。

（2） 確定工藝。按照GJB7688《裝備技術(shù)成熟度等級(jí)劃分及定義》選取技術(shù)成熟度8級(jí)（含8級(jí)）以上的工藝方法。對(duì)產(chǎn)品特點(diǎn)及典型工藝流程進(jìn)行分析，初步確定生產(chǎn)線涵蓋工藝路線內(nèi)容及初步的設(shè)備布局方案；根據(jù)生產(chǎn)線在工藝技術(shù)、生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制3方面存在制約生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量的因素，制定相應(yīng)的解決方案并納入到生產(chǎn)線功能設(shè)計(jì)之中。通過(guò)優(yōu)化工藝方法、工藝過(guò)程，確定主設(shè)備加工節(jié)拍。

（3）確定產(chǎn)能。根據(jù)產(chǎn)品加工節(jié)拍和年度生產(chǎn)綱領(lǐng)，按照最短板主設(shè)備生產(chǎn)能力配備生產(chǎn)線其他設(shè)備并留出生產(chǎn)能力安全空間。即：設(shè)備數(shù)量=實(shí)際加工時(shí)間÷5350÷80%（注：5350為年時(shí)基數(shù)，單位為h）。

按照精益生產(chǎn)原則，設(shè)計(jì)設(shè)備布局、物流網(wǎng)絡(luò)、物料存取方案。

（4）確保冗余。生產(chǎn)線內(nèi)各單元設(shè)備既可聯(lián)網(wǎng)成線，也可任意組合或獨(dú)立使用，即便個(gè)別設(shè)備環(huán)節(jié)故障也不會(huì)導(dǎo)致整條線的完全癱瘓，具有足夠安全冗余。必要時(shí)可在線外配置應(yīng)急工藝設(shè)備。

圖6 精鍛葉片機(jī)械加工數(shù)字化生產(chǎn)線示意圖

葉片數(shù)字化生產(chǎn)線預(yù)期效果

根據(jù)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案的建線目標(biāo)、功能設(shè)計(jì)和單元構(gòu)成與布局等方面的要求，現(xiàn)已完成最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和平面布局設(shè)計(jì)，葉片關(guān)鍵工藝難題的突破，葉片白光掃描檢測(cè)評(píng)價(jià)方法等技術(shù)工作。

（1）生產(chǎn)線按“U”型封閉排列。工裝庫(kù)、半成品庫(kù)、機(jī)械手2臺(tái)、加工中心4臺(tái)、三坐標(biāo)/白光測(cè)量機(jī)2臺(tái)、清洗烘干機(jī)2臺(tái)全部封閉在線內(nèi)，僅在線外安放裝夾工作站等輔助裝置。

（2）生產(chǎn)線內(nèi)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。通過(guò)中央計(jì)算機(jī)控制、管理整個(gè)生產(chǎn)線，自動(dòng)完成生產(chǎn)安排，加工節(jié)拍分配，調(diào)用夾具、刀具、程序，SPC監(jiān)控、機(jī)械加工、三坐標(biāo)/白光測(cè)量、檢測(cè)報(bào)告、自適應(yīng)加工和異常報(bào)警等功能。

（3）生產(chǎn)線年產(chǎn)量4萬(wàn)件，合格率達(dá)到95%以上。年產(chǎn)量按階段滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)要求，加工過(guò)程能力指數(shù)CP≥ 1.33。

目前，該項(xiàng)目技術(shù)狀態(tài)已全面確定，進(jìn)入實(shí)施階段。為最大程度規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)立了預(yù)驗(yàn)收、終驗(yàn)收兩級(jí)驗(yàn)收方式。在預(yù)驗(yàn)收階段，要求生產(chǎn)線應(yīng)完成單件生產(chǎn)、少量零件連續(xù)生產(chǎn)及所有功能試運(yùn)行；在終驗(yàn)收階段，要求生產(chǎn)線應(yīng)完成小批量、批量零件連續(xù)生產(chǎn)及所有功能正式運(yùn)行，穩(wěn)定、連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間不小于2個(gè)月，每天工作24h，每年工作時(shí)間不少于300天。

未來(lái)葉片數(shù)字化工廠展望

目前，智能制造已成為世界制造業(yè)發(fā)展的主流方向，世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正在大力倡導(dǎo)和推廣。智能制造必將催生企業(yè)生產(chǎn)組織模式的變革。數(shù)字制造和設(shè)計(jì)技術(shù)是智能制造的基礎(chǔ)和中樞。葉片數(shù)字化生產(chǎn)線的成功實(shí)踐，積累了專業(yè)化建線經(jīng)驗(yàn)，為數(shù)字化工廠在國(guó)內(nèi)航空制造業(yè)的建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)，打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

根據(jù)葉片中心現(xiàn)有技術(shù)及設(shè)備基礎(chǔ)，規(guī)劃精鍛葉片數(shù)字化工廠未來(lái)的能力建設(shè)工作。數(shù)字化工廠由虛擬車間和物理實(shí)體車間構(gòu)成。其中實(shí)體車間部署有大量的生產(chǎn)線、加工設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等，為制造過(guò)程提供硬件基礎(chǔ)設(shè)施與制造資源。虛擬車間則是在這些制造資源基礎(chǔ)之上，對(duì)整個(gè)制造過(guò)程進(jìn)行全面的建模與驗(yàn)證。通過(guò)建設(shè)車間工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，升級(jí)改造 MDC、MES、ERP、PLM 等系統(tǒng)，打通虛擬車間與現(xiàn)實(shí)物理車間的數(shù)據(jù)傳遞渠道，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程中各系統(tǒng)與設(shè)備、人員、產(chǎn)品之間信息的交互。在現(xiàn)有葉片數(shù)字化車間建設(shè)基礎(chǔ)之上，完成葉片機(jī)加智能生產(chǎn)示范線的升級(jí)改造，后續(xù)逐步推廣開(kāi)展其他生產(chǎn)線建設(shè)工作。

結(jié)束語(yǔ)

該數(shù)字化生產(chǎn)線是一條集五軸數(shù)控銑加工、自適應(yīng)加工、清洗、在線檢驗(yàn)、機(jī)械手物料移載為一體的封閉式數(shù)字化生產(chǎn)線。利用信息化技術(shù)集成零件、刀具的數(shù)字式管理，自動(dòng)優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍、最大限度減少人工參與其過(guò)程，將極大提高精鍛葉片生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性，它的建成將成為國(guó)內(nèi)首條航空發(fā)動(dòng)機(jī)精鍛葉片數(shù)字化生產(chǎn)示范線，葉片數(shù)字化工廠建設(shè)也將為期不遠(yuǎn)。