基于在線測量的盤軸類零件鏜銑加工編程技術(shù)研究

■ 韓健 吳海濤 何昊 葛守興 焦江濤 杜大成 周寶輝 夏野 張棟 趙磊 劉星 /中國航發(fā)西航

通過對加工中心在線測量系統(tǒng)進行深入研究，完成盤軸類零件自動化、數(shù)字化鏜銑加工技術(shù)的方案設(shè)計、技術(shù)提升和流程優(yōu)化，從而保證零件加工過程的高效性、準確性和安全性。

盤軸類零件是航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵組成部分，具有結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜、加工精度要求高、材料加工難度大等特點，多采用高精度、高效率的數(shù)控加工技術(shù)。而在實際加工過程中，工序前的裝夾找正、工序中的測量補償、刀具更換以及工序后的停機檢測和刀具檢查占據(jù)了大量的加工時間。傳統(tǒng)加工及檢測手段不僅沒有將機床的自動化功能充分發(fā)揮出來，還影響了零件加工效率和設(shè)備利用率，甚至還可能因為過多的人為參與而導(dǎo)致產(chǎn)品加工質(zhì)量的降低。中國航發(fā)西航的創(chuàng)新團隊，利用數(shù)控加工在線檢測技術(shù)，使原先由人工完成的工件找正、試切、刀具磨損（破損）檢測所耗費的生產(chǎn)準備時間減少了50%以上。

總體方案和控制流程

項目以數(shù)控機床在線測量系統(tǒng)為主要研究對象，在對盤軸類零件典型結(jié)構(gòu)特征進行分析的基礎(chǔ)上，使用工件測量系統(tǒng)及刀具測量系統(tǒng)對傳統(tǒng)加工過程中人為數(shù)據(jù)提取和處理的環(huán)節(jié)進行置換，并在其中關(guān)鍵節(jié)點引入防錯、反饋機制。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合盤軸類零件加工特點對數(shù)控機床測量功能進行二次開發(fā)，完成測量程序深度定制，搭建模塊化程序結(jié)構(gòu)，最終形成涵蓋初始模型重構(gòu)、刀具信息決策、加工測量數(shù)據(jù)在線采集與響應(yīng)的深度集成數(shù)字化編程技術(shù)，在一定程度上實現(xiàn)“無人干預(yù)”加工，改進前后的加工流程如圖1所示。

圖1 改進前后的鏜銑加工流程

圖2 盤軸類零件的加工前模型重構(gòu)測量

圖3 榫齒找正原理示意圖

關(guān)鍵技術(shù)實施情況

盤軸類零件模型重構(gòu)程序設(shè)計

圖4 刀具在線測量

盤軸類零件在夾具限位作用下，工件坐標系在微小范圍內(nèi)波動。因此，將測頭坐標系附著在夾具上，以此為基準建立測頭工作初始坐標系，可切實解決測頭運動無參照的問題。加工前，對零件的基準圓、基準面以及對后續(xù)加工有干擾的關(guān)鍵特征進行測量，構(gòu)建零件初始加工模型并進行判斷，消除裝夾狀態(tài)和零件個體差異的影響，如圖2所示。對于基準面傾斜的工件，通過構(gòu)建基準平面并計算其法矢量N，將法矢量與水平面的夾角分解至機床A、C軸上，最后旋轉(zhuǎn)A、C軸將零件調(diào)整至理想狀態(tài)。對于帶榫齒結(jié)構(gòu)的盤軸類零件，編程控制測頭對榫槽輪廓重復(fù)進行測量—對正—復(fù)核的操作過程，從而完成輪盤榫槽角向的校正，如圖3所示。

刀具機內(nèi)自適應(yīng)測量與監(jiān)控

如圖4所示，在使用刀具測量系統(tǒng)時，機內(nèi)對刀儀將采集到的刀具最大回轉(zhuǎn)輪廓的長度和半徑作為刀具實際長度和半徑寫入刀具列表中。若刀具裝夾偏擺量過大，測得的刀具參數(shù)將偏離刀具半徑實際值。另外，已使用的刀具上黏結(jié)鐵屑、冷卻液等細小雜物對刀具測量結(jié)果也有一定影響。為解決此類問題，在測量刀具前，須編程控制高壓冷卻液對刀具進行沖刷，并用壓縮空氣吹干。測量時根據(jù)加工部位的尺寸要求和刀具自身狀態(tài)自動選取合適的測量參數(shù)，配合防誤程序?qū)Φ毒邊?shù)進行限定。對于較精密的孔、槽加工，采用柔性夾頭或液壓刀柄代替卡簧進行裝夾，避免因刀具裝夾造成的裝配誤差，減小刀具偏擺。加工完成后，編程控制刀具測量系統(tǒng)對刀具磨損狀況進行評價，配合程序中的計數(shù)器對刀具壽命進行管理。如果刀具超出設(shè)定的加工時長或加工次數(shù)，程序自動調(diào)取備用刀具加工。通過上述方案的實施，可以有效加強刀具使用過程中的監(jiān)控，提高產(chǎn)品加工過程的自動化水平。

圖5 位置度補償示意圖

誤差自動補償與反饋

對于批產(chǎn)盤軸類零件，工序一般安排有固定裝夾方案，基準零點一般在一定的誤差范圍內(nèi)波動。通過基準零點誤差判別防錯，可有效避免測量過程中由于裝夾狀態(tài)、異物黏結(jié)等因素造成的測量誤差。在零件加工過程中，零件受環(huán)境溫度、材料應(yīng)力、機床精度、刀具磨損等綜合因素的影響，加工過程處于波動狀態(tài)。使用工件測量系統(tǒng)可在加工過程中對零件狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)的分析、判斷、反饋對零件加工參數(shù)進行修正，進而解決傳統(tǒng)加工中靠工人經(jīng)驗和機床精度保證尺寸及形位公差要求的問題。尤其是對于一些高價值零件，能夠即時掌握零件狀態(tài)、保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

以孔位置度偏差補償為例，零件在鉆鏜孔過程中，孔的位置度公差帶是以孔理論位置為中心，公差值 S 為直徑的圓形區(qū)域。如圖5所示，孔的基準坐標實際位置為（Xo，Yo），被測孔的孔中心理論位置為（xi，yi）（i=1，2，3，…，n ，n 為被測孔數(shù)），實際位置為（xi′，yi′），則孔實際位置與理論位置徑向偏差ΔRi與周向偏差 ΔLi算術(shù)平方根最大值的 2 倍即為孔位置度的實際值Smax 。通過在基準坐標系下對孔位置進行修正，可以實現(xiàn)孔位置的自動補償。

模塊化在線測量程序設(shè)計

加工中心在線測量系統(tǒng)是構(gòu)成數(shù)控機床質(zhì)量保證體系的一個重要環(huán)節(jié)，它將加工和檢測集成在一起，減少了測量時間。但利用這種方法測量零件，其檢測程序的編制往往含有大量的參數(shù)賦值、循環(huán)嵌套和邏輯判斷，編程工作量巨大。因此，將模塊化的編程思路引入到在線檢測中，將零件的被測要素分解為點、線、面、圓孔、圓柱、凸臺、凹槽、球體等基本幾何特征，完成基本特征要素的分解、組合、嵌套及數(shù)學(xué)模型構(gòu)建；實現(xiàn)基于系統(tǒng)高級編程語言的邏輯判斷及設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)取、運算、覆蓋，并在滿足檢測精度的同時提高檢測效率；自行開發(fā)出針對孔徑、寬度、角度、位置度、對稱度、垂直度等設(shè)計要素的模塊化測量程序；利用參數(shù)對模塊化程序賦值調(diào)用的方法，生成所需要的實際測量程序，由控制加工中心自動完成測量任務(wù)。對于復(fù)雜零件，該方法可以極大減少編程量，提高測量效率和準確性。

數(shù)字化編程技術(shù)的深度集成

在線測量技術(shù)的實際應(yīng)用對數(shù)控加工流程產(chǎn)生了非常大的影響，主要體現(xiàn)在測量與加工的即時監(jiān)控和反饋上。因此，通過在線測量技術(shù)的應(yīng)用，將測量和反饋合理地安排在數(shù)控程序中，梳理出自動化加工的基本架構(gòu)和編程流程，同時通過測量數(shù)據(jù)的運算對流程走向和結(jié)果進行判斷，避免程序錯誤和死循環(huán)。在此基礎(chǔ)上，基于測量和補償數(shù)據(jù)的分批次、分類型統(tǒng)計，完成數(shù)模偏差、變形趨勢、補償修正等過程數(shù)據(jù)的積累，建立盤軸類零件鏜銑加工數(shù)據(jù)庫，進而發(fā)展出以數(shù)據(jù)為引導(dǎo)的深度集成的人機交互編程技術(shù)。簡化了制造流程，使生產(chǎn)流程扁平化，大大提高了生產(chǎn)效率。

結(jié)束語

創(chuàng)新團隊通過基于在線測量的盤軸類零件鏜銑加工編程技術(shù)研究及加工試驗，掌握了過程自適應(yīng)、精度自保障、數(shù)據(jù)自集成的數(shù)字化鏜銑加工技術(shù)，優(yōu)化了典型工序的加工流程，提高零件加工過程自動化，為難加工和不易測量零件的生產(chǎn)提供更優(yōu)化的加工解決方案。該技術(shù)在航空發(fā)動機渦輪盤、風扇盤、渦輪軸等零件中推廣應(yīng)用，縮短停機等待時間50%以上；零件加工效率提高20%以上。同時，實現(xiàn)了加工與測量的即時交互，為弱剛性零件、科研試制零件的交付提供了較為靈活的加工解決方案，零件測量過程與加工質(zhì)量穩(wěn)定；大幅減少加工過程中人為干預(yù)，降低勞動強度，并實現(xiàn)“一人多機”。