某機匣無人值守技術研究

陳亞莉 鄭憶南 于 浩 李 娜

（1．空軍駐沈陽黎明公司軍代表室，遼寧 沈陽 110043；2．中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

近代飛行能力的每一次突破，都與推進技術的發展直接相關，航空發動機由于研制難度高等特點，被譽為是“現代工業皇冠上的明珠”[1]。航空發動機產業鏈長，覆蓋面廣，涉及機械、材料、電子和信息等諸多行業，對基礎工業和科學技術的發展有巨大帶動作用和產業輻射效應[2]。

目前，數字化制造方面在工廠已經具備了良好的建設條件，也為航空發動機的先進制造提供了保障。例如計算機網絡辦公全面普及，滿足信息技術應用。計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）、產品數據管理系統（PDM）、制造執行系統（MES）等系統應用普及，建立了基礎數據庫，具備良好的數字化制造基礎。先進的高速高效數控加工設備，可以實現產品制造的快速反應。數控加工自動編程、機匣高效加工技術和計算機幾何仿真技術具備了數字化制造的技術能力。對柔性制造單元的配置有了深入的了解。以上基礎條件和技術儲備就是為了實現傳統制造向數字化制造轉變。

該項目從刀具、虛擬制造技術（切削參數）、在線測量、機內對刀、機床的維護、工裝的管理和加工流程等方面進行了系統性的開發及研究，建立起了一套適合對開機匣零件數控加工的機床高效應用模式。該機床綜合應用方案涉及的技術及管理方案符合工廠大部數控加工中心的使用要求，隨著該機床使用技術的推廣，成熟度提升，可以逐漸改變機匣廠自動化加工生產能力，有效地提高機匣銑加工效率及零件加工質量，盡可能地減少現場操作者對零件加工狀態的干預，保證現場零件加工的一致性，實現精銑高效加工，為后續的自動化生產線提供技術支持。

1 任務來源

由于某機匣零件材料硬度較大，且外型面比較復雜，精銑加工過程中還存在較大的提升空間，同時2018 年技改將對某設備進行改善，增加在線測量設備和機內對刀設備，并對設備增加足夠的刀柄以提高設備的整體加工能力，這樣在硬件上已經滿足了某機匣精銑無人值守的基本條件，通過在線測量、機內對開功能的開發應用，并對數控程序、加工方案進行優化、固化加工參數及加工刀具，可以有效地提高某機匣精銑的加工效率及零件加工質量，盡可能地減少現場操作者對零件加工狀態的干預，保證現場零件加工的一致性，實現精銑高效加工。

2 技術方案的制定及實施

機床綜合應用開發，屬于系統性性的研究，需要從技術和過程管理2 個方面同時入手，通過技術實現加工的規范化、流程化以及數字化，通過管理，提供和保證技術實施所需要的條件，保證項目的順利實施，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、刀具的測量、刀具壽命管理、加工流程方案、零件檢驗，機床的維護和保養、在線測量系統、機內對刀系統地運用及管理等內容，制定規范的加工流程，降低數控加工中的風險，充分發揮數控機床的設備功能，實現自動化加工，同時在刀具管理、設備維護以及改革現有制度，為加工流程提供可靠的硬件保證。技術的提升和硬件條件的保證，加上管理的完善，將提升機床的綜合利用利用能力。

2.1 零件需要人為干預的因素分析

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

2.2 解決方案的制定

2.2.1 自動對刀系統應用

BLUM 激光刀具檢測系統是一套精度極高的光學測量裝置，可以在加工過程中監控加工中心的刀具狀況并進行自動刀具測量。檢測刀具的幾何輪廓，能及早地偵測出調用錯誤及預設錯誤的刀具，同時也可以得知刀具是否已破損或磨損過量。這種操作方式可以有效地避免工件及后續刀具的損壞。

2.2.1.1 測量與設定循環

測量操作前，要求預設刀具數據，精度為±5 mm，測量后得到的數據被輸入刀具表。測量速度、移動行程及退出動作均在每次測量動作中逐步地變小。該運行方式可實現更短的測量時間。測量模式–1，–2，–3 中，刀具被直接快速定位到光線中（錯誤的刀具數據可能導致撞機）。測量模式0，1，2，3 中，包括在一定范圍內搜索并確定刀長的動作，長度超過預設值的刀具將被檢出，不會有撞機的危險。

2.2.1.2 應用優點

應用優點如下。1）刀具是在旋轉狀態下對刀，因此更接近加工狀態，對刀精度更高。2）在刀具、刀柄與設備完成裝配之后對刀，消除了一些裝配誤差。3）無須手動輸入刀長信息，由系統自動輸入，避免了手動刀長輸入錯誤的情況。

需要注意的是，自動對刀精度與機床溫度有關，在對刀前主軸應該自轉幾分鐘預熱后再加工，同時機床應該定期保養、維護。

2.2.2 在線測量系統應用

數控設備加工在線檢測系統主要包括數控機床自身、測頭系統、計算機以及測量軟件等。其中測頭系統由觸發式測頭、測頭信號接收器以及接口電路等組成，并與數控機床控制系統配套使用，實現測點的觸發功能。

數控加工中心在線測量免去了工件的反復裝夾、校正的過程，比離線檢測減少了工件檢測的時間，提高了檢測效率。在成本方面，僅需安裝在機檢測測頭和相應軟件即可完成檢測工作。由于加工與檢測在同機上完成，檢測反饋信息可以用于修改加工G 代碼，形成加工—檢測—再加工的閉環系統，將大大提高尺寸的合格率。

3 某后機匣零件整體加工方案

3.1 精銑工序拆卸釘流程優化

由于對開機匣結構的特點，在精銑外型面工序對開安裝邊兩側存在螺釘、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程中人為進行工藝件拆卸是不可避免的。

該種加工方案存在3 個優點，首先人為干預的次數盡可能地減少，其次將人為干預提前，保證后續自動化加工程度，最終控制零件裝配狀態，保證后續加工表面接刀、尺寸測量等方面精度。

3.2 對開安裝邊壁厚尺寸控制方案

對于對開機匣類零件，在精銑過程中對開安裝邊兩側壁厚尺寸與零件加工狀態有關，一旦出現偏差，就會導致安裝邊中線兩側不對稱導致零件尺寸超差，因此經常需要在加工過程中操作者手動測量，并調整控制加工程序，以保證安裝邊壁厚尺寸，而此壁厚尺寸很難通過在線測量手段在加工狀態進行測量，通常只能通過游標卡尺手動比較測量。

3.2.1 方案1

在工藝規程中增加銑頂部平面工序，使對開安裝邊中心線與機匣理論圓中心線重合，消除線切割工序、鏜結合面所造成加工誤差，為后續的半精車、精車工序提供找正基準，確保后續精加工工序機匣兩半部的一致性和對稱性，保證后續零件加工狀態。

3.2.2 方案2

在數控程序加工坐標系中增加G55 坐標系，涉及對開安裝邊壁厚尺寸全部分開，以對開結合面線為基準進行加工，確保兩半部結合面壁厚尺寸合格。

3.3 某機匣外型面表面接刀控制方案

某機匣表面使用Φ20 整體合金銑刀銑加工大面，橫向加強筋轉接R 為R6.5，所以在清根時使用Φ20R6.5 整體合金銑刀加工，由于材料硬度、刀具材料和機床精度等多方面的原因，導致在加工過程中兩刀的接刀位置常常出現一條比較明顯的接刀痕跡，此痕跡常需要手動調整刀長值進行補償，影響后續零件無人值守加工表面精度。

試驗了多個方法，包括調整加工順序、走刀路線、加工參數、更換加工刀具品牌，該接刀痕一直存在，后來調整加工刀具，銑大面與清根保持一致都使用Φ20R6.5 銑刀進行加工，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，優化后零件表面質量得到了有效控制，消除了表面接刀痕。

3.4 某機匣精銑自動對刀驗證

激光測量系統使用前必須進行校準，即必須精確確定觸發點的機床坐標。校準時使用BLUM 特制的標準刀。標準刀要事先通過熱縮方式或彈簧筒夾裝入刀柄，并測量得到長度、直徑及高度，精確到0.001 mm。校準循環對標準刀進行“測量”，確定激光光線上觸發點的精確位置。測量的結果寫入校準參數中。這些參數禁止被其他程序改寫。在之后的刀具測量過程中，這些參數用于刀具在光線中的定位，并用于計算刀長和半徑。

通過長期的跟蹤和數據分析，機內對刀系統的穩定性是可靠的，由于不受外部因素影響，比機外對刀儀操作者手動測量數據的一致性更好。兩者的測量數據的平均值差距較小。對于加工的準確性比較，可通過修正機內、外對刀系統標準刀數據進行調整，由于兩系統誤差差距在0.02 mm 左右，相對機匣零件的直徑公差0.10 mm，不會帶來質量風險，可在運用中測量比較分析，對具體刀具進行補償使用。

機內對刀系統是個精密的系統，為了保證機內對刀測量的結果準確性，穩定性，制定如下5 點操作要求：1）每天機內對刀儀應用前需調用主軸預熱程序預熱5 min，每天進行一次標準刀校準，保證系統測量準確性。同時檢查機內對刀儀上激光發射/接收孔內是否有油泥，用直徑為2 mm 的硬性塑料管將其清除。2）每次刀具裝夾時，檢查刀柄前端彈簧套是否損壞，刀柄后端拉釘是否擰緊，控制刀具擺動帶來的測量誤差。3）在測量前，主軸倍率一定放置在100%位置，防止出現報警，影響測量結果，進給倍率不能小于100%，避免影響測量速度。4）定期清除所有刀具刀柄上和主軸中的銹跡，在每周五進行檢查，控制重復裝夾誤差，同時重點清理機內系統的標準刀刀柄，在機外對刀儀上檢查其長度是否有變動。5）每周第一把刀在測量后用工作臺測量基準和對刀塊進行手動校對檢查。

3.5 某機匣精銑外型刀具選擇

某機匣精銑外型刀具選擇：應用于加工中心進行高速高效切削的數控刀具不僅要硬度、強度高、耐磨性、韌性好， 同時還需要具有高的可靠性、切削穩定、質量一致、換刀次數少、壽命長、安裝精度高、重復定位好，互換性好，良好的斷屑、排屑性能，為了選擇合適的刀具，在某機匣外型面工序加工中，在刀具壽命、成本、加工質量穩定方面，通過多年來對各種品牌刀具進行試驗驗證，選用金鷺、成量品牌的刀具進行加工。完善刀具在機床中的管理：1）規范機床的刀具命名，統一編程、仿真、機床各個系統之間的刀具命名規則，消除以前的孤島模式，保證批準的程序可以直接使用，無須手動更改刀具名稱。 2）固化每種刀具在刀庫中的位置，既可通過主軸將刀具放回刀庫位置，也可以通過刀庫管理器直接放回刀庫，在機床刀具表中的刀具與刀庫中刀具位置不會發生混亂。這也是將來生產線必須確定的工作。

3.6 某機匣精銑在線測量驗證

使用夾具作為在線測量的標準件，因此在夾具的裝夾有跳動的要求，圓周跳動不大于0.03，端面跳動不大于0.01，使用夾具的止口位置作為Z 方向的標準件測量，使用夾具的定位面位置作為Y 方向的標準件測量。

3.7 零件加工前試切測量

由于零件材料、刀具材料、機床加工精度、零件狀態和冷卻液濃度等多方面原因，在加工過程中我們加工零件的實際數值與理論數值會出現一定的偏差及讓刀，因此需要對零件進行試切加工，并進行機床在線測量，將試切的偏差值進行補償，確保后續尺寸加工合格。對縱向加強筋上部進行試切加工，并單邊預留0.5 mm 余量，使用在線測量功能對零件加工尺寸進行測量。后機匣在加工過程中需要測量保證的是外型面直徑尺寸以及橫向加強筋的軸向尺寸。

3.8 某機匣精銑在線測量UG編程

零件測量程序編制，由于三坐標測量程序測量點比較多，因此研究開發使用UG 軟件實現測量程序的編制，以下是測量程序的測量點位及測量軌跡，如圖1 所示。

根據SJAO 系列設備特點及BLUM 系統編程結構完成了SAJO 系列BLUM 系統在線測量UG 后處理文件，根據測量軌跡完成測量程序的輸出。

圖1 測量位置示意圖

4 結論

該項目以某機床為平臺，某機匣零件為載體，全過程質量控制為研究主線，從刀具、虛擬制造技術（切削參數）、在線測量、機內對刀、機床的維護、工裝的管理和加工流程等方面進行了系統性的開發及研究，建立了一套適合對開機匣零件數控加工的機床高效應用模式。某機匣零件加工過程除了零件裝夾工作以外，機床加工零件所需的卸刀、裝刀、主軸預熱，機內對刀等所有動作都編制進流程程序，操作者只需要一步步按照流程程序運行過程中的信息提示，完成必要的操作，就能保證零件后續加工不間斷的進行，并自動完成在線測量等工作，基本實現單機柔性加工單元進行的工作。整個流程操作者3 h 完成必要工作，后續16 h 無須職守，并自動完成在線測量等工作。該機床綜合應用方案涉及的技術及管理方案符合工廠大部數控加工中心，有較大的推廣前景，隨著該機床使用技術的推廣，成熟度提升，工廠的加工能力、管理水平，必然得到相應的提升，使機匣廠形成獨立加工中心與柔性生產線配套良性循環發展的模式，全面提升工廠在科研、批產各方面的能力，逐步達到國際數控加工先進水平。