某機(jī)匣無(wú)人值守技術(shù)研究

陳亞莉 鄭憶南 于 浩 李 娜

（1．空軍駐沈陽(yáng)黎明公司軍代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110043；2．中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

0 引言

近代飛行能力的每一次突破，都與推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展直接相關(guān)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)由于研制難度高等特點(diǎn)，被譽(yù)為是“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，覆蓋面廣，涉及機(jī)械、材料、電子和信息等諸多行業(yè)，對(duì)基礎(chǔ)工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有巨大帶動(dòng)作用和產(chǎn)業(yè)輻射效應(yīng)[2]。

目前，數(shù)字化制造方面在工廠已經(jīng)具備了良好的建設(shè)條件，也為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)制造提供了保障。例如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)辦公全面普及，滿足信息技術(shù)應(yīng)用。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等系統(tǒng)應(yīng)用普及，建立了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，具備良好的數(shù)字化制造基礎(chǔ)。先進(jìn)的高速高效數(shù)控加工設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的快速反應(yīng)。數(shù)控加工自動(dòng)編程、機(jī)匣高效加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)幾何仿真技術(shù)具備了數(shù)字化制造的技術(shù)能力。對(duì)柔性制造單元的配置有了深入的了解。以上基礎(chǔ)條件和技術(shù)儲(chǔ)備就是為了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造向數(shù)字化制造轉(zhuǎn)變。

該項(xiàng)目從刀具、虛擬制造技術(shù)（切削參數(shù)）、在線測(cè)量、機(jī)內(nèi)對(duì)刀、機(jī)床的維護(hù)、工裝的管理和加工流程等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的開(kāi)發(fā)及研究，建立起了一套適合對(duì)開(kāi)機(jī)匣零件數(shù)控加工的機(jī)床高效應(yīng)用模式。該機(jī)床綜合應(yīng)用方案涉及的技術(shù)及管理方案符合工廠大部數(shù)控加工中心的使用要求，隨著該機(jī)床使用技術(shù)的推廣，成熟度提升，可以逐漸改變機(jī)匣廠自動(dòng)化加工生產(chǎn)能力，有效地提高機(jī)匣銑加工效率及零件加工質(zhì)量，盡可能地減少現(xiàn)場(chǎng)操作者對(duì)零件加工狀態(tài)的干預(yù)，保證現(xiàn)場(chǎng)零件加工的一致性，實(shí)現(xiàn)精銑高效加工，為后續(xù)的自動(dòng)化生產(chǎn)線提供技術(shù)支持。

1 任務(wù)來(lái)源

由于某機(jī)匣零件材料硬度較大，且外型面比較復(fù)雜，精銑加工過(guò)程中還存在較大的提升空間，同時(shí)2018 年技改將對(duì)某設(shè)備進(jìn)行改善，增加在線測(cè)量設(shè)備和機(jī)內(nèi)對(duì)刀設(shè)備，并對(duì)設(shè)備增加足夠的刀柄以提高設(shè)備的整體加工能力，這樣在硬件上已經(jīng)滿足了某機(jī)匣精銑無(wú)人值守的基本條件，通過(guò)在線測(cè)量、機(jī)內(nèi)對(duì)開(kāi)功能的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，并對(duì)數(shù)控程序、加工方案進(jìn)行優(yōu)化、固化加工參數(shù)及加工刀具，可以有效地提高某機(jī)匣精銑的加工效率及零件加工質(zhì)量，盡可能地減少現(xiàn)場(chǎng)操作者對(duì)零件加工狀態(tài)的干預(yù)，保證現(xiàn)場(chǎng)零件加工的一致性，實(shí)現(xiàn)精銑高效加工。

2 技術(shù)方案的制定及實(shí)施

機(jī)床綜合應(yīng)用開(kāi)發(fā)，屬于系統(tǒng)性性的研究，需要從技術(shù)和過(guò)程管理2 個(gè)方面同時(shí)入手，通過(guò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)加工的規(guī)范化、流程化以及數(shù)字化，通過(guò)管理，提供和保證技術(shù)實(shí)施所需要的條件，保證項(xiàng)目的順利實(shí)施，即從工裝定位管理、工裝的裝夾找正、刀具選擇與配送管理、刀具的裝、卸要求、刀具的測(cè)量、刀具壽命管理、加工流程方案、零件檢驗(yàn)，機(jī)床的維護(hù)和保養(yǎng)、在線測(cè)量系統(tǒng)、機(jī)內(nèi)對(duì)刀系統(tǒng)地運(yùn)用及管理等內(nèi)容，制定規(guī)范的加工流程，降低數(shù)控加工中的風(fēng)險(xiǎn)，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的設(shè)備功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工，同時(shí)在刀具管理、設(shè)備維護(hù)以及改革現(xiàn)有制度，為加工流程提供可靠的硬件保證。技術(shù)的提升和硬件條件的保證，加上管理的完善，將提升機(jī)床的綜合利用利用能力。

2.1 零件需要人為干預(yù)的因素分析

零件需要人為干預(yù)的因素主要包括加工刀具的檢測(cè)、加工刀具的刀長(zhǎng)輸入 、零件加工過(guò)程中的尺寸測(cè)量、 裝配銷釘加工過(guò)程中的拆卸以及零件加工后尺寸測(cè)量等。

2.2 解決方案的制定

2.2.1 自動(dòng)對(duì)刀系統(tǒng)應(yīng)用

BLUM 激光刀具檢測(cè)系統(tǒng)是一套精度極高的光學(xué)測(cè)量裝置，可以在加工過(guò)程中監(jiān)控加工中心的刀具狀況并進(jìn)行自動(dòng)刀具測(cè)量。檢測(cè)刀具的幾何輪廓，能及早地偵測(cè)出調(diào)用錯(cuò)誤及預(yù)設(shè)錯(cuò)誤的刀具，同時(shí)也可以得知刀具是否已破損或磨損過(guò)量。這種操作方式可以有效地避免工件及后續(xù)刀具的損壞。

2.2.1.1 測(cè)量與設(shè)定循環(huán)

測(cè)量操作前，要求預(yù)設(shè)刀具數(shù)據(jù)，精度為±5 mm，測(cè)量后得到的數(shù)據(jù)被輸入刀具表。測(cè)量速度、移動(dòng)行程及退出動(dòng)作均在每次測(cè)量動(dòng)作中逐步地變小。該運(yùn)行方式可實(shí)現(xiàn)更短的測(cè)量時(shí)間。測(cè)量模式–1，–2，–3 中，刀具被直接快速定位到光線中（錯(cuò)誤的刀具數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致撞機(jī)）。測(cè)量模式0，1，2，3 中，包括在一定范圍內(nèi)搜索并確定刀長(zhǎng)的動(dòng)作，長(zhǎng)度超過(guò)預(yù)設(shè)值的刀具將被檢出，不會(huì)有撞機(jī)的危險(xiǎn)。

2.2.1.2 應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)如下。1）刀具是在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下對(duì)刀，因此更接近加工狀態(tài)，對(duì)刀精度更高。2）在刀具、刀柄與設(shè)備完成裝配之后對(duì)刀，消除了一些裝配誤差。3）無(wú)須手動(dòng)輸入刀長(zhǎng)信息，由系統(tǒng)自動(dòng)輸入，避免了手動(dòng)刀長(zhǎng)輸入錯(cuò)誤的情況。

需要注意的是，自動(dòng)對(duì)刀精度與機(jī)床溫度有關(guān)，在對(duì)刀前主軸應(yīng)該自轉(zhuǎn)幾分鐘預(yù)熱后再加工，同時(shí)機(jī)床應(yīng)該定期保養(yǎng)、維護(hù)。

2.2.2 在線測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用

數(shù)控設(shè)備加工在線檢測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)控機(jī)床自身、測(cè)頭系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)以及測(cè)量軟件等。其中測(cè)頭系統(tǒng)由觸發(fā)式測(cè)頭、測(cè)頭信號(hào)接收器以及接口電路等組成，并與數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)配套使用，實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的觸發(fā)功能。

數(shù)控加工中心在線測(cè)量免去了工件的反復(fù)裝夾、校正的過(guò)程，比離線檢測(cè)減少了工件檢測(cè)的時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。在成本方面，僅需安裝在機(jī)檢測(cè)測(cè)頭和相應(yīng)軟件即可完成檢測(cè)工作。由于加工與檢測(cè)在同機(jī)上完成，檢測(cè)反饋信息可以用于修改加工G 代碼，形成加工—檢測(cè)—再加工的閉環(huán)系統(tǒng)，將大大提高尺寸的合格率。

3 某后機(jī)匣零件整體加工方案

3.1 精銑工序拆卸釘流程優(yōu)化

由于對(duì)開(kāi)機(jī)匣結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在精銑外型面工序?qū)﹂_(kāi)安裝邊兩側(cè)存在螺釘、螺帽和定位銷等工藝件，影響零件的加工，因此在零件整體加工過(guò)程中人為進(jìn)行工藝件拆卸是不可避免的。

該種加工方案存在3 個(gè)優(yōu)點(diǎn)，首先人為干預(yù)的次數(shù)盡可能地減少，其次將人為干預(yù)提前，保證后續(xù)自動(dòng)化加工程度，最終控制零件裝配狀態(tài)，保證后續(xù)加工表面接刀、尺寸測(cè)量等方面精度。

3.2 對(duì)開(kāi)安裝邊壁厚尺寸控制方案

對(duì)于對(duì)開(kāi)機(jī)匣類零件，在精銑過(guò)程中對(duì)開(kāi)安裝邊兩側(cè)壁厚尺寸與零件加工狀態(tài)有關(guān)，一旦出現(xiàn)偏差，就會(huì)導(dǎo)致安裝邊中線兩側(cè)不對(duì)稱導(dǎo)致零件尺寸超差，因此經(jīng)常需要在加工過(guò)程中操作者手動(dòng)測(cè)量，并調(diào)整控制加工程序，以保證安裝邊壁厚尺寸，而此壁厚尺寸很難通過(guò)在線測(cè)量手段在加工狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，通常只能通過(guò)游標(biāo)卡尺手動(dòng)比較測(cè)量。

3.2.1 方案1

在工藝規(guī)程中增加銑頂部平面工序，使對(duì)開(kāi)安裝邊中心線與機(jī)匣理論圓中心線重合，消除線切割工序、鏜結(jié)合面所造成加工誤差，為后續(xù)的半精車、精車工序提供找正基準(zhǔn)，確保后續(xù)精加工工序機(jī)匣兩半部的一致性和對(duì)稱性，保證后續(xù)零件加工狀態(tài)。

3.2.2 方案2

在數(shù)控程序加工坐標(biāo)系中增加G55 坐標(biāo)系，涉及對(duì)開(kāi)安裝邊壁厚尺寸全部分開(kāi)，以對(duì)開(kāi)結(jié)合面線為基準(zhǔn)進(jìn)行加工，確保兩半部結(jié)合面壁厚尺寸合格。

3.3 某機(jī)匣外型面表面接刀控制方案

某機(jī)匣表面使用Φ20 整體合金銑刀銑加工大面，橫向加強(qiáng)筋轉(zhuǎn)接R 為R6.5，所以在清根時(shí)使用Φ20R6.5 整體合金銑刀加工，由于材料硬度、刀具材料和機(jī)床精度等多方面的原因，導(dǎo)致在加工過(guò)程中兩刀的接刀位置常常出現(xiàn)一條比較明顯的接刀痕跡，此痕跡常需要手動(dòng)調(diào)整刀長(zhǎng)值進(jìn)行補(bǔ)償，影響后續(xù)零件無(wú)人值守加工表面精度。

試驗(yàn)了多個(gè)方法，包括調(diào)整加工順序、走刀路線、加工參數(shù)、更換加工刀具品牌，該接刀痕一直存在，后來(lái)調(diào)整加工刀具，銑大面與清根保持一致都使用Φ20R6.5 銑刀進(jìn)行加工，確保清根刀具與銑大面刀具使用同一把刀，以控制表面接刀痕跡，優(yōu)化后零件表面質(zhì)量得到了有效控制，消除了表面接刀痕。

3.4 某機(jī)匣精銑自動(dòng)對(duì)刀驗(yàn)證

激光測(cè)量系統(tǒng)使用前必須進(jìn)行校準(zhǔn)，即必須精確確定觸發(fā)點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)。校準(zhǔn)時(shí)使用BLUM 特制的標(biāo)準(zhǔn)刀。標(biāo)準(zhǔn)刀要事先通過(guò)熱縮方式或彈簧筒夾裝入刀柄，并測(cè)量得到長(zhǎng)度、直徑及高度，精確到0.001 mm。校準(zhǔn)循環(huán)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)刀進(jìn)行“測(cè)量”，確定激光光線上觸發(fā)點(diǎn)的精確位置。測(cè)量的結(jié)果寫(xiě)入校準(zhǔn)參數(shù)中。這些參數(shù)禁止被其他程序改寫(xiě)。在之后的刀具測(cè)量過(guò)程中，這些參數(shù)用于刀具在光線中的定位，并用于計(jì)算刀長(zhǎng)和半徑。

通過(guò)長(zhǎng)期的跟蹤和數(shù)據(jù)分析，機(jī)內(nèi)對(duì)刀系統(tǒng)的穩(wěn)定性是可靠的，由于不受外部因素影響，比機(jī)外對(duì)刀儀操作者手動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性更好。兩者的測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值差距較小。對(duì)于加工的準(zhǔn)確性比較，可通過(guò)修正機(jī)內(nèi)、外對(duì)刀系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)刀數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，由于兩系統(tǒng)誤差差距在0.02 mm 左右，相對(duì)機(jī)匣零件的直徑公差0.10 mm，不會(huì)帶來(lái)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，可在運(yùn)用中測(cè)量比較分析，對(duì)具體刀具進(jìn)行補(bǔ)償使用。

機(jī)內(nèi)對(duì)刀系統(tǒng)是個(gè)精密的系統(tǒng)，為了保證機(jī)內(nèi)對(duì)刀測(cè)量的結(jié)果準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性，制定如下5 點(diǎn)操作要求：1）每天機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀應(yīng)用前需調(diào)用主軸預(yù)熱程序預(yù)熱5 min，每天進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)刀校準(zhǔn)，保證系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性。同時(shí)檢查機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀上激光發(fā)射/接收孔內(nèi)是否有油泥，用直徑為2 mm 的硬性塑料管將其清除。2）每次刀具裝夾時(shí)，檢查刀柄前端彈簧套是否損壞，刀柄后端拉釘是否擰緊，控制刀具擺動(dòng)帶來(lái)的測(cè)量誤差。3）在測(cè)量前，主軸倍率一定放置在100%位置，防止出現(xiàn)報(bào)警，影響測(cè)量結(jié)果，進(jìn)給倍率不能小于100%，避免影響測(cè)量速度。4）定期清除所有刀具刀柄上和主軸中的銹跡，在每周五進(jìn)行檢查，控制重復(fù)裝夾誤差，同時(shí)重點(diǎn)清理機(jī)內(nèi)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)刀刀柄，在機(jī)外對(duì)刀儀上檢查其長(zhǎng)度是否有變動(dòng)。5）每周第一把刀在測(cè)量后用工作臺(tái)測(cè)量基準(zhǔn)和對(duì)刀塊進(jìn)行手動(dòng)校對(duì)檢查。

3.5 某機(jī)匣精銑外型刀具選擇

某機(jī)匣精銑外型刀具選擇：應(yīng)用于加工中心進(jìn)行高速高效切削的數(shù)控刀具不僅要硬度、強(qiáng)度高、耐磨性、韌性好， 同時(shí)還需要具有高的可靠性、切削穩(wěn)定、質(zhì)量一致、換刀次數(shù)少、壽命長(zhǎng)、安裝精度高、重復(fù)定位好，互換性好，良好的斷屑、排屑性能，為了選擇合適的刀具，在某機(jī)匣外型面工序加工中，在刀具壽命、成本、加工質(zhì)量穩(wěn)定方面，通過(guò)多年來(lái)對(duì)各種品牌刀具進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，選用金鷺、成量品牌的刀具進(jìn)行加工。完善刀具在機(jī)床中的管理：1）規(guī)范機(jī)床的刀具命名，統(tǒng)一編程、仿真、機(jī)床各個(gè)系統(tǒng)之間的刀具命名規(guī)則，消除以前的孤島模式，保證批準(zhǔn)的程序可以直接使用，無(wú)須手動(dòng)更改刀具名稱。 2）固化每種刀具在刀庫(kù)中的位置，既可通過(guò)主軸將刀具放回刀庫(kù)位置，也可以通過(guò)刀庫(kù)管理器直接放回刀庫(kù)，在機(jī)床刀具表中的刀具與刀庫(kù)中刀具位置不會(huì)發(fā)生混亂。這也是將來(lái)生產(chǎn)線必須確定的工作。

3.6 某機(jī)匣精銑在線測(cè)量驗(yàn)證

使用夾具作為在線測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)件，因此在夾具的裝夾有跳動(dòng)的要求，圓周跳動(dòng)不大于0.03，端面跳動(dòng)不大于0.01，使用夾具的止口位置作為Z 方向的標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量，使用夾具的定位面位置作為Y 方向的標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量。

3.7 零件加工前試切測(cè)量

由于零件材料、刀具材料、機(jī)床加工精度、零件狀態(tài)和冷卻液濃度等多方面原因，在加工過(guò)程中我們加工零件的實(shí)際數(shù)值與理論數(shù)值會(huì)出現(xiàn)一定的偏差及讓刀，因此需要對(duì)零件進(jìn)行試切加工，并進(jìn)行機(jī)床在線測(cè)量，將試切的偏差值進(jìn)行補(bǔ)償，確保后續(xù)尺寸加工合格。對(duì)縱向加強(qiáng)筋上部進(jìn)行試切加工，并單邊預(yù)留0.5 mm 余量，使用在線測(cè)量功能對(duì)零件加工尺寸進(jìn)行測(cè)量。后機(jī)匣在加工過(guò)程中需要測(cè)量保證的是外型面直徑尺寸以及橫向加強(qiáng)筋的軸向尺寸。

3.8 某機(jī)匣精銑在線測(cè)量UG編程

零件測(cè)量程序編制，由于三坐標(biāo)測(cè)量程序測(cè)量點(diǎn)比較多，因此研究開(kāi)發(fā)使用UG 軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)量程序的編制，以下是測(cè)量程序的測(cè)量點(diǎn)位及測(cè)量軌跡，如圖1 所示。

根據(jù)SJAO 系列設(shè)備特點(diǎn)及BLUM 系統(tǒng)編程結(jié)構(gòu)完成了SAJO 系列BLUM 系統(tǒng)在線測(cè)量UG 后處理文件，根據(jù)測(cè)量軌跡完成測(cè)量程序的輸出。

圖1 測(cè)量位置示意圖

4 結(jié)論

該項(xiàng)目以某機(jī)床為平臺(tái)，某機(jī)匣零件為載體，全過(guò)程質(zhì)量控制為研究主線，從刀具、虛擬制造技術(shù)（切削參數(shù)）、在線測(cè)量、機(jī)內(nèi)對(duì)刀、機(jī)床的維護(hù)、工裝的管理和加工流程等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的開(kāi)發(fā)及研究，建立了一套適合對(duì)開(kāi)機(jī)匣零件數(shù)控加工的機(jī)床高效應(yīng)用模式。某機(jī)匣零件加工過(guò)程除了零件裝夾工作以外，機(jī)床加工零件所需的卸刀、裝刀、主軸預(yù)熱，機(jī)內(nèi)對(duì)刀等所有動(dòng)作都編制進(jìn)流程程序，操作者只需要一步步按照流程程序運(yùn)行過(guò)程中的信息提示，完成必要的操作，就能保證零件后續(xù)加工不間斷的進(jìn)行，并自動(dòng)完成在線測(cè)量等工作，基本實(shí)現(xiàn)單機(jī)柔性加工單元進(jìn)行的工作。整個(gè)流程操作者3 h 完成必要工作，后續(xù)16 h 無(wú)須職守，并自動(dòng)完成在線測(cè)量等工作。該機(jī)床綜合應(yīng)用方案涉及的技術(shù)及管理方案符合工廠大部數(shù)控加工中心，有較大的推廣前景，隨著該機(jī)床使用技術(shù)的推廣，成熟度提升，工廠的加工能力、管理水平，必然得到相應(yīng)的提升，使機(jī)匣廠形成獨(dú)立加工中心與柔性生產(chǎn)線配套良性循環(huán)發(fā)展的模式，全面提升工廠在科研、批產(chǎn)各方面的能力，逐步達(dá)到國(guó)際數(shù)控加工先進(jìn)水平。