航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝仿真技術(shù)實(shí)踐與啟示

■ 張森堂 周鑫 趙恒 / 中國(guó)航發(fā)黎明

新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)朝著輕質(zhì)化、高可靠性、長(zhǎng)壽命、快速響應(yīng)以及低成本制造等方向發(fā)展。傳統(tǒng)試制研制方式已無法滿足重點(diǎn)型號(hào)工程的發(fā)展需求，持續(xù)開展制造工藝仿真技術(shù)研究，將助推航空制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

工藝仿真技術(shù)是指在虛擬環(huán)境中真實(shí)再現(xiàn)一個(gè)具體的工藝過程，允許用戶實(shí)時(shí)操作工藝設(shè)備或改變相關(guān)參數(shù)的一種先進(jìn)仿真技術(shù)。在產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)階段對(duì)其工藝過程進(jìn)行仿真和評(píng)估，可以輔助產(chǎn)品整個(gè)制造周期的工藝改進(jìn)。傳統(tǒng)模式下，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)程制定、加工、質(zhì)量驗(yàn)證，以及交貨供應(yīng)的周期長(zhǎng)、成本高、效率低，質(zhì)量精度難以得到有效保證。為提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件生產(chǎn)制造能力，急需開展制造工藝仿真技術(shù)研究，減少加工驗(yàn)證的次數(shù)，預(yù)判制造過程中的問題，優(yōu)化制造工藝、加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)制造工藝短周期快速迭代以及驗(yàn)證產(chǎn)品的可制造性。

制造工藝仿真研究思路

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝仿真發(fā)展現(xiàn)狀

制造工藝仿真技術(shù)始于美國(guó)的航空航天、核電等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。20世紀(jì)60年代，為解決航空航天工業(yè)結(jié)構(gòu)分析的迫切需求，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提出了開發(fā)世界上第一套有限元分析軟件Nastran的計(jì)劃。同期，NASA、西屋電氣公司和美國(guó)國(guó)防部（DoD）的代碼轉(zhuǎn)移和扶持計(jì)劃使得美國(guó)早期的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件公司成功地從科研機(jī)構(gòu)進(jìn)入到市場(chǎng)之中。半個(gè)多世紀(jì)以來，歐美的CAE軟件產(chǎn)業(yè)迅速崛起，牢牢占據(jù)了工業(yè)價(jià)值鏈的高地，并形成了產(chǎn)業(yè)化壟斷。

自20世紀(jì)80年代后期以來，多學(xué)科數(shù)值仿真技術(shù)的作用受到重視，開發(fā)了多類工藝仿真分析專用軟件，例如，美國(guó)第三次浪潮系統(tǒng)（Third Wave Systems） 公 司 的PM和FEM、比利時(shí)GeonX公司的Virfac等。由于這些軟件的專業(yè)性遠(yuǎn)優(yōu)于通用軟件，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)中得到了普遍的應(yīng)用。

德國(guó)于2006年啟動(dòng)卓越計(jì)劃項(xiàng)目群框架內(nèi)的材料制造和加工過程的虛擬加工鏈項(xiàng)目，開發(fā)了加工虛擬平臺(tái)AixViPMaP，能夠?qū)Σ牧霞庸ぴ诓煌叨壬线M(jìn)行有效的仿真、優(yōu)化和控制。基于該平臺(tái)，進(jìn)行了齒輪零件、不銹鋼軸承座等5個(gè)零件的鑄造、機(jī)械加工、熱處理等全工藝鏈加工仿真驗(yàn)證。

美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）提出的加速引入材料(AIM)計(jì)劃是實(shí)現(xiàn)全流程仿真與集成應(yīng)用的成功案例。AIM計(jì)劃以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪盤等產(chǎn)品快速研制為應(yīng)用目標(biāo)，構(gòu)建一個(gè)數(shù)字化集成研制平臺(tái)，幫助設(shè)計(jì)與工程人員更加快速、廉價(jià)地開發(fā)和找到新材料和新工藝，為材料工藝建模仿真、虛擬制造和功能驗(yàn)證提供基礎(chǔ)材料數(shù)據(jù)和物理驗(yàn)證。

中國(guó)在制造工藝仿真方面已經(jīng)開展了大量的研究工作，但是起步較晚，工藝仿真技術(shù)仍處于研究探索階段，技術(shù)成熟度不高，缺少相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)庫，主要以跟蹤研究和國(guó)外通用商業(yè)化軟件的個(gè)性化應(yīng)用為主，尚未實(shí)現(xiàn)工藝仿真集成應(yīng)用，仿真軟件效能未得以有效發(fā)揮。目前，只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)工藝分析，未考慮連續(xù)工藝實(shí)施中應(yīng)力和變形等對(duì)前后工序的影響，尚未實(shí)現(xiàn)連續(xù)的制造工藝過程仿真。

零件加工問題統(tǒng)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝仿真技術(shù)實(shí)踐

從20世紀(jì)70年代起，航空制造業(yè)歷經(jīng)了仿真應(yīng)用研究、虛擬產(chǎn)品試制工具研發(fā)和數(shù)字化工廠仿真技術(shù)探索應(yīng)用等發(fā)展歷程。2008—2010年，筆者所在科研團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用專用物理仿真軟件解決了渦輪盤加工變形、技術(shù)指標(biāo)可達(dá)性等生產(chǎn)瓶頸問題。10年來，將引進(jìn)的數(shù)值仿真軟件應(yīng)用于工程實(shí)踐，收到良好的效果。

多因素仿真分析助力靜子葉片提質(zhì)增效

在靜子葉片的加工過程中，由于其自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致加工難度大，加工問題層出不窮，其中對(duì)復(fù)雜曲面性能影響較嚴(yán)重的加工問題主要有加工變形、加工顫振、刀具磨損等。

工藝仿真發(fā)展歷程

工藝參數(shù)仿真分析

科研團(tuán)隊(duì)采用先進(jìn)仿真分析方法對(duì)復(fù)雜曲面加工過程進(jìn)行研究，通過加工過程幾何仿真和切削參數(shù)有限元分析，以控制切削加工過程中切削載荷的大小和波動(dòng)為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)數(shù)控加工程序的正確性及合理性進(jìn)行了驗(yàn)證，找出了影響切削力大小的關(guān)鍵因素，并對(duì)加工過程進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的高效優(yōu)質(zhì)加工。具體分析內(nèi)容包括以下兩個(gè)方面：加工過程幾何仿真主要針對(duì)數(shù)控程序，對(duì)其正確性及合理性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，檢查切削加工過程中是否存在碰撞、干涉、過切、欠切等問題；切削參數(shù)有限元分析以切削力分析為主要研究?jī)?nèi)容，對(duì)刀具幾何參數(shù)和加工參數(shù)兩方面進(jìn)行切削力仿真試驗(yàn)，找出影響切削力的關(guān)鍵因素。最后，根據(jù)仿真分析結(jié)果，對(duì)復(fù)雜曲面切削加工進(jìn)行優(yōu)化。

通過對(duì)比加工試驗(yàn)可以看出，優(yōu)化后葉片加工時(shí)間明顯縮短，由原來的43min縮減至30min；單組刀具加工葉片的數(shù)量由17片增加至100片，刀具壽命顯著提高；零件加工表面質(zhì)量得到顯著的提高。由此可以看出，采用先進(jìn)分析的優(yōu)化方法，既能夠提高零件加工效率和加工質(zhì)量，同時(shí)又能減少刀具磨損，增加刀具的使用壽命。

基于仿真驅(qū)動(dòng)解決3級(jí)盤軸排故問題

在3級(jí)盤軸工藝優(yōu)化過程中，為了將前、后、內(nèi)止口粗糙度（Ra）1.6提高為Ra0.8，科研團(tuán)隊(duì)前期攻關(guān)數(shù)月，僅后止口Ra1.75勉強(qiáng)可以滿足更改要求，但過程不穩(wěn)定、效率較低，且刀具磨損嚴(yán)重，零件表面有明顯溝痕和振紋，轉(zhuǎn)接處加工一致性差，很難確認(rèn)此種方法能夠保障內(nèi)止口的加工效果。

科研團(tuán)隊(duì)采取了全新的均衡切削載荷工藝方法，加工過程穩(wěn)定可靠，所有工藝過程和工藝參數(shù)均由程序控制，無須人工干預(yù)，連續(xù)加工多件結(jié)果趨同。

影響表面粗糙度的進(jìn)給量這一關(guān)鍵指標(biāo)由理論計(jì)算分析獲取，既非經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，更無須多次試驗(yàn)，實(shí)際加工與理論計(jì)算結(jié)果完全一致。

多工序連續(xù)仿真解決靜子機(jī)匣加工變形問題

靜子內(nèi)環(huán)零件是典型的回轉(zhuǎn)類對(duì)開機(jī)匣組合零件，由上下兩個(gè)環(huán)件通過螺栓連接組合而成，單件完成加工后通過切斷分成兩個(gè)半環(huán)零件，加工工藝以車削工藝和鉆孔工藝為主。零件是不銹鋼材料，屬于薄壁零件且包含大量軸向孔和鏡像孔特征。應(yīng)用傳統(tǒng)工藝先后進(jìn)行了4 批零件的試制工作，零件圓度超出設(shè)計(jì)圖要求5.25 倍，徑向孔位置度超出設(shè)計(jì)要求4.6 倍，且從徑向孔位置度雷達(dá)圖分析圓周變化無明顯規(guī)律。

葉片零件優(yōu)化前后對(duì)比

盤類零件優(yōu)化前后對(duì)比

盤體數(shù)控程序仿真分析

機(jī)匣工藝路線仿真分析

傳統(tǒng)的工藝攻關(guān)采用試制方式，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷工藝方案優(yōu)劣，缺少仿真手段對(duì)零件工藝方案的仿真分析。應(yīng)用多工序連續(xù)仿真分析技術(shù)，通過仿真分析對(duì)比不同工藝方案的優(yōu)劣，可以提供工藝改進(jìn)技術(shù)支撐?？蒲袌F(tuán)隊(duì)基于應(yīng)力應(yīng)變繼承的工藝路線仿真分析，對(duì)原始工藝、第一次改進(jìn)工藝、第二次改進(jìn)工藝分別進(jìn)行仿真。

采用優(yōu)化后的工藝路線進(jìn)行加工驗(yàn)證，外輪廓表面應(yīng)力值介于840 ～905MPa、端面表面應(yīng)力值介于620 ～705MPa，實(shí)現(xiàn)了合格零件小批量交付。

啟示

目前，傳統(tǒng)試制研制方式已無法滿足產(chǎn)品提質(zhì)增效與重點(diǎn)型號(hào)工程的發(fā)展需求，為應(yīng)對(duì)加速技術(shù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化周期、改善產(chǎn)品質(zhì)量、加大制造符合性和降低制造成本等需求挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)科技成果和生產(chǎn)加工方式的快速轉(zhuǎn)型，中國(guó)航發(fā)黎明將以重點(diǎn)型號(hào)任務(wù)需求為引擎，以關(guān)鍵件工藝為載體，發(fā)展工藝集成仿真技術(shù)，建設(shè)以“虛擬制造、虛擬現(xiàn)實(shí)、工藝仿真、工廠仿真”四位一體的工藝／技術(shù)預(yù)先驗(yàn)證機(jī)制，未來還將持續(xù)發(fā)展制造工藝仿真技術(shù)研究，助推航空制造企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。