面向第四代航空發(fā)動機(jī)的數(shù)控加工發(fā)展趨勢分析

摘 要：從分析第四代航空發(fā)動機(jī)的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，詳細(xì)闡述了第四代航空發(fā)動機(jī)零件特點(diǎn)對數(shù)控加工中心的需求，并指明了滿足第四代航空發(fā)動機(jī)制造的數(shù)控加工中心發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；航空產(chǎn)品；需求分析；發(fā)展趨勢

1 對數(shù)控加工需求分析

1.1 對精度與軸數(shù)的要求

首先根據(jù)被加工零件的精度，綜合考慮裝夾、找正誤差和加工誤差等因素，來確定所選擇機(jī)床的精度。其次根據(jù)被加工零件的幾何形狀，考慮自由曲面構(gòu)成在加工時對刀具刀軸的要求，從經(jīng)濟(jì)的角度盡可能選擇軸數(shù)較少的機(jī)床。比如，某些錐形薄壁大型件有正反兩個不同方向的錐角，盡管外壁為可展曲面，但是加工外壁直徑時，需要用棒形銑刀的端面加工，刀軸法向于外壁，故需要五坐標(biāo)加工中心加工。主軸的旋轉(zhuǎn)范圍除正常的0°～90°外，需要額外增加向上旋轉(zhuǎn)的角度范圍，即上仰角。否則就必須通過零件的二次裝夾找正來解決不同方向的錐形外壁加工。

1.2 對冷卻功能的要求

以往零件的加工中多采用外部冷卻，隨著近年來數(shù)控加工設(shè)備功能的不斷完善以及發(fā)動機(jī)難切削材料的需求，加工中已經(jīng)大量使用主軸內(nèi)、外部同時冷卻的方式。通過對難加工材料耐熱高溫合金、鈦合金的切削試驗(yàn)和零件加工驗(yàn)證表明，這種內(nèi)、外冷卻組合方式的應(yīng)用對降低零件表面的切削溫度、延長刀具使用壽命、提高切削效率和降低表面粗糙度確實(shí)具有良好效果。目前，一些高端機(jī)床廠家研制的現(xiàn)代機(jī)床配備了高壓噴射冷卻系統(tǒng)，冷卻液流量充沛、射流方向與射流部位準(zhǔn)確，因此切屑的斷屑形狀、切削熱的傳導(dǎo)、工件材料在切削刃上優(yōu)良的粘結(jié)性、刀具磨損、材料表面完整性等加工特性會有顯著提高。國外資料表明，高壓冷卻（HPC）在鈦合金、耐熱超級合金等難加工材料的加工中，表現(xiàn)出令人驚奇的效果。通常在一些盤、環(huán)類零件的車削中，特別是在封閉區(qū)域的加工中，切屑過長、斷屑和排屑不及時，會使已加工表面產(chǎn)生刮痕，粗糙度受到影響。

1.3 對數(shù)控加工程序的要求

目前，歐美等國家數(shù)控銑削加工中心或者車削中心裝載數(shù)控加工程序大多介質(zhì)型號為NCU573.5，容量為2MB。在運(yùn)行程序時，機(jī)床控制系統(tǒng)要占用一部分，因此，留給用戶的空間一般小于2MB。當(dāng)數(shù)控程序超過此容量時，需要將整個程序拆分成幾部分，或者采用外部硬盤運(yùn)行的方式。當(dāng)程序結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、采用子程序循環(huán)等機(jī)床內(nèi)部配備的高級語言編程時，外部硬盤運(yùn)行方式也將失效，給零件加工表面帶來不必要的接刀痕，影響表面質(zhì)量。

盡管制造企業(yè)數(shù)控程序的編制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)采用CAD/CAM通用軟件例如UGNX等，并采用虛擬仿真技術(shù)對程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證，來檢查刀具軌跡的正確性。但是在正式加工前應(yīng)該用機(jī)床內(nèi)部所配備的刀具軌跡顯示模塊，對程序進(jìn)行軌跡模擬顯示，這對于編程者所選定的零件編程坐標(biāo)系是否與工件坐標(biāo)系重合，起到一個校正作用，對保障零件加工質(zhì)量非常有益。

1.4 對控制系統(tǒng)的要求

對于同一制造企業(yè)而言，都擁有多種銑削、磨削或者車削加工中心，但這些加工中心最好采用相同廠家的控制系統(tǒng)，便于使用維修，零件具有良好的互換性，維修時也有益于對系統(tǒng)更深入的研究與應(yīng)用。避免每種系統(tǒng)都停留在淺層了解階段，處于不精、不深的狀態(tài)中，也可以通過對系統(tǒng)軟件功能的深度開發(fā)后，便可大面積推廣應(yīng)用，減少重復(fù)性工作。近年來，結(jié)合復(fù)雜零件的加工，很多企業(yè)對控制系統(tǒng)中的一些高級指令等進(jìn)行了研究與應(yīng)用。例如刷新功能、刀尖跟蹤功能、循環(huán)功能、子程序嵌套、內(nèi)存虛擬擴(kuò)容和在線測量功能等。對于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的數(shù)控加工，實(shí)現(xiàn)幾何尺寸的精密成型，保證產(chǎn)品質(zhì)量，起到了不可或缺的作用。

1.5 對在線測量功能的要求

隨著現(xiàn)代制造企業(yè)對于制造效率和工件質(zhì)量提出了越來越高的要求，原來那種加工完成后，卸載并交由計(jì)量部門進(jìn)行公差和精度檢驗(yàn)的方式已經(jīng)越來越不能適應(yīng)新產(chǎn)品研制的需求，要求能夠?qū)崿F(xiàn)在線測量。傳統(tǒng)的手工測量工具雖然有較好的移動性，但測量精度低、功能相對單一。利用在線測量系統(tǒng)和在加工中心實(shí)現(xiàn)測量的方法，能夠很好的滿足精密、不便于移動和超大型工件的測量要求。例如對于車削加工中心，加工刃具幾何尺寸的測量非常必要。對于某些公差尺寸較嚴(yán)的部位，要求對裝入刀夾后車刀的軸向、徑向長度尺寸測量的非常精確。而機(jī)床配備了雷尼紹測頭后，可精確地測量出刀具各方向的刀長，為精密加工提供了有利的保障。

對于一些處于試制階段的零件，應(yīng)用在線測量技術(shù)可以避免測量工裝的應(yīng)用，縮短研制周期。國外較為先進(jìn)的加工中心所配備的840D西門子控制系統(tǒng)，具備一般在線測量功能，可以測量法向于Z軸的加工尺寸。

2 數(shù)控加工發(fā)展方向

2.1 高速度與高精度化

速度和精度是數(shù)控加工的兩個重要技術(shù)指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和質(zhì)量。目前，新型的加工中心都使用32位甚至64位微處理器技術(shù)，最小移動單位不斷縮小，最大進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速不斷增加。

2.2 高度智能化

智能化是體現(xiàn)數(shù)控加工運(yùn)用高技術(shù)的重要標(biāo)志，它表現(xiàn)在運(yùn)用自適應(yīng)控制技術(shù)；運(yùn)用人機(jī)對話自動編程功能建立切削用量系統(tǒng)；運(yùn)用自診斷功能判別故障模式。

2.3 高度集成微型化

控制系統(tǒng)體積的小型化便于將機(jī)、電裝置揉合為一體。目前，高端系統(tǒng)都采用三維安裝方法，采用新型彩色液晶薄型顯示器和觸摸屏。

2.4 高可靠性

數(shù)控加工中心價格較高，制造企業(yè)期望發(fā)揮投資效益，要求設(shè)備可靠，特別是對要用在長時間無人操作環(huán)境下運(yùn)行的數(shù)控系統(tǒng)，可靠性成為人們最為關(guān)注的問題。

2.5 高度網(wǎng)絡(luò)化

為適應(yīng)FMC、FMS以及進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)組成CIMS的要求，一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有高速串行接口。現(xiàn)代數(shù)控加工中心為了適應(yīng)自動化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，滿足工廠自動化規(guī)模越來越大的要求，滿足不同廠家不同類型數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的需要，紛紛采用先進(jìn)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。

2.6 高度開放性

傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是一種專用封閉式系統(tǒng)，各個廠家的產(chǎn)品之間以及與通用計(jì)算機(jī)之間不兼容，維修、升級困難，越來越難以滿足市場對數(shù)控技術(shù)的要求。為此，提出了開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念，現(xiàn)正在大力研究開發(fā)開放式數(shù)控系統(tǒng)，有些已進(jìn)入實(shí)用階段。

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著第四代航空發(fā)動機(jī)性能和可靠性要求的不斷提高，加工其零件的數(shù)控加工中心應(yīng)功能齊備、性價比高、可擴(kuò)展性強(qiáng)和滿足多種零件特點(diǎn)的設(shè)備，同時具有較高的維護(hù)性和較低的使用成本，這類數(shù)控加工中心也將為第四代航空發(fā)動機(jī)的研制提供較大空間和有力支撐，必將受到用戶青睞。

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作者簡介：徐健（1978，4-）男，遼寧沈陽，本科，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。