細(xì)長軸智能加工關(guān)鍵技術(shù)研究

■ 劉杰 帥新國 姜東升 李雙全 劉鏡瓊/中國航發(fā)南方

中國航發(fā)南方創(chuàng)新團隊緊密圍繞加強信息化與工業(yè)化融合，以“互聯(lián)網(wǎng)+”思維改變傳統(tǒng)的制造模式，逐步解決了航空發(fā)動機細(xì)長軸加工質(zhì)量不穩(wěn)定、加工成本高及工藝成熟期長的問題。

航空發(fā)動機的細(xì)長軸是核心轉(zhuǎn)動件，長徑比達到40～70，壁厚2～5mm，壁厚差≤0.05mm，多采用鎳基高溫合金等難加工材料制成，其制造技術(shù)水平和質(zhì)量直接決定著發(fā)動機的性能和可靠性。

航空發(fā)動機細(xì)長軸主要面臨三個方面的加工難題，即加工質(zhì)量不穩(wěn)定、加工成本高及工藝成熟期長。具體原因是：細(xì)長軸加工變形大，為了減少加工變形，主要采取降低切削用量（切削深度、速度及進給量）、分段切削、預(yù)留工藝臺等措施，但上述工藝方法效果不明顯且大大降低了零件的加工效率；為了解決生產(chǎn)過程中刀具磨損可能帶來的質(zhì)量問題，只能依賴操作者經(jīng)驗決定是否更換刀具，其結(jié)果是刀具使用量越來越大，浪費嚴(yán)重；此外，零件的這些特點也導(dǎo)致新機工藝更改頻繁，工藝成熟期特別長。

在傳統(tǒng)方法難以有效解決細(xì)長軸加工中的各種難題的情況下，中國航發(fā)南方創(chuàng)新團隊緊密圍繞加強信息化與工業(yè)化融合，以“互聯(lián)網(wǎng)+”思維改變傳統(tǒng)的制造模式，在細(xì)長軸切削物理仿真、加工過程在線監(jiān)控這兩項智能加工關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破，并通過這兩項關(guān)鍵技術(shù)的交互應(yīng)用，逐步解決了細(xì)長軸加工質(zhì)量不穩(wěn)定、加工成本高及工藝成熟期長的困擾。

航空發(fā)動機智能加工關(guān)鍵技術(shù)

目前，我國航空發(fā)動機制造在工藝穩(wěn)定性及加工質(zhì)量一致性方面與國際一流企業(yè)存在較大的差距。其中很重要的原因在于，虛擬仿真技術(shù)在生產(chǎn)制造中的應(yīng)用不深入，制造過程中缺乏狀態(tài)監(jiān)測與主動調(diào)控能力，人為因素影響大。而以感知、計算和操控為核心的制造系統(tǒng)智能化技術(shù)是進一步提升航空制造能力的關(guān)鍵，并且國外已經(jīng)在航空制造領(lǐng)域大力推行仿真、加工過程在線監(jiān)控等智能制造關(guān)鍵技術(shù)。為此，國內(nèi)航空發(fā)動機制造企業(yè)急需加強信息化與工業(yè)化融合，改變傳統(tǒng)的加工制造模式，提高發(fā)動機制造能力。

切削物理仿真技術(shù)

在高性能計算、過程自動化和軟件工具發(fā)展的推動下，普惠公司在發(fā)動機全生命周期內(nèi)都運用了仿真技術(shù)，大大提高了產(chǎn)品的研制效率和質(zhì)量，并認(rèn)為合理運用仿真技術(shù)是其保持航空發(fā)動機領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢的重要原因之一。GE公司、普惠公司等聯(lián)合啟動了以航空發(fā)動機葉片和盤快速研制為目標(biāo)的設(shè)計-材料-制造等一體化多學(xué)科仿真優(yōu)化集成應(yīng)用研究，大幅縮短了航空發(fā)動機葉片和盤的研制周期。沃爾沃航空發(fā)動機公司通過實施航空發(fā)動機零部件制造工藝的全流程仿真研究，實現(xiàn)了零件工藝參數(shù)和加工路徑的優(yōu)化，縮短了零部件的研制周期并降低了研發(fā)成本。

加工過程在線監(jiān)控技術(shù)

美國國防加工制造中心于近年批準(zhǔn)了一項軍用產(chǎn)品智能加工項目，其核心思想是：通過多種傳感器感知零件加工過程中的微小波動，通過融合計算實時修正工藝參數(shù)，通過操控加工中心優(yōu)化工藝參數(shù)完成零件加工，從而實現(xiàn)智能化的零件加工。此外，GE公司提出了少無缺陷加工技術(shù)；MTU航空發(fā)動機公司和羅羅公司提出了基于加工過程智能化監(jiān)控的自適應(yīng)切削技術(shù)，主要通過實時監(jiān)測零件、刀具的狀態(tài)，及時調(diào)整加工參數(shù)和工具修整、更換，使加工尺寸精度和表面質(zhì)量始終處于可控狀態(tài)；普惠加拿大公司已廣泛采用自適應(yīng)切削技術(shù)來提高難加工材料的切削效率和刀具使用壽命。

圖1 切削物理仿真模型的建立與優(yōu)化

細(xì)長軸智能加工應(yīng)用探索

在工藝研發(fā)環(huán)節(jié)，主要開展了細(xì)長軸切削力、熱有限元仿真技術(shù)研究。創(chuàng)新團隊圍繞難加工材料復(fù)雜細(xì)長軸切削加工中的力、熱仿真模型（如圖1所示），結(jié)合部分試驗數(shù)據(jù)，分析零件加工變形規(guī)律和加工振動狀態(tài)，建立早期加工參數(shù)庫，優(yōu)化零件加工路徑和工藝參數(shù)，提高加工效率和加工質(zhì)量。

在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，開展細(xì)長軸振動、切削負(fù)荷等狀態(tài)在線監(jiān)測與調(diào)控研究。通過加工過程狀態(tài)實時監(jiān)測，收集切削負(fù)荷、振動、刀具磨損狀態(tài)等信息，形成“加工過程心電圖”。通過智能預(yù)測算法分析刀具的磨損規(guī)律和異常情況，提示合理更換刀具，建立切削負(fù)荷與工件變形量和振動量的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化切削參數(shù)和加工方法，提高刀具的使用壽命和零件質(zhì)量穩(wěn)定性。

開展切削物理仿真技術(shù)與在線監(jiān)測技術(shù)的交互應(yīng)用研究，實現(xiàn)虛實數(shù)據(jù)的傳遞。利用在線獲取的加工狀態(tài)信息，改變切削過程仿真物理模型參數(shù)，動態(tài)地積累和改進工藝，快速形成成熟的加工工藝。建立基于大數(shù)據(jù)的特征數(shù)據(jù)庫和工藝知識庫，提供實時診斷和工藝決策方法，實現(xiàn)加工工藝過程的智能化以及工藝仿真與制造過程的閉環(huán)控制。

階段性成果

圖2 加工過程狀態(tài)監(jiān)測與自適應(yīng)控制

創(chuàng)新團隊針對航空發(fā)動機細(xì)長軸典型工序開展了切削物理仿真技術(shù)研究與應(yīng)用，提高了零件的加工質(zhì)量，縮短了零件的研制周期，具體實施方案如下：建立了切削力與加工參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型，通過研究切削力關(guān)于進給的變化規(guī)律，提出針對零件變剛度特性的進給量規(guī)劃方法；采用建模仿真技術(shù)比較分析零件加工變形量的大小，得到優(yōu)化后的加工路徑和工藝參數(shù)，提高了零件的加工質(zhì)量。

針對航空發(fā)動機細(xì)長軸典型工序開展了在線監(jiān)控技術(shù)研究與應(yīng)用，提高了刀具的使用壽命、零件的加工效率及質(zhì)量穩(wěn)定性，具體如下：分析了零件的加工工藝及質(zhì)量要求，構(gòu)建了加工監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；開展了傳感器測點敏感性分析，確定了傳感器的布點方案；分析了面向刀具磨損的電流信號、振動信號的特征敏感性，建立了細(xì)長軸加工常用刀具的磨損規(guī)律；開發(fā)了自適應(yīng)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了典型工序加工過程切削負(fù)荷自適應(yīng)控制（如圖2所示）。

結(jié)束語

“中國制造2025”在航空航天裝備智能制造業(yè)領(lǐng)域重點突出了航空發(fā)動機，給航空發(fā)動機制造轉(zhuǎn)型帶來了重大歷史性機遇。中國航發(fā)南方創(chuàng)新團隊基于航空發(fā)動機細(xì)長軸零件加工工藝特點，開展智能加工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用探索，提高了零件的加工效率和質(zhì)量，縮短了工藝研發(fā)周期。通過突破切削物理仿真、加工過程在線監(jiān)控兩項關(guān)鍵技術(shù)及交互應(yīng)用，實現(xiàn)了細(xì)長軸工藝與制造的閉環(huán)控制，改變了工藝研發(fā)與制造模式。