航空发动机对开结构机匣类零件自动化数控加工工艺方法与流程

本发明涉及航空航天制造技术领域，具体涉及一种航空发动机对开结构机匣类零件自动化数控加工工艺方法。

背景技术：

机匣零件是航空发动机的核心零件，更是航空发动机中最主要的承力部件，其制造品质直接影响发动机的服役性能和寿命，特别是对开式机匣结构复杂，加工内容集中，数控加工工艺设计十分复杂，大部分零件一道工序就需要几十种刀具，安排上百个加工工步，而且由于人员技术水平的差异，对工艺之行时的理解不一致，导致机匣零件的编程质量和加工效率较低，加工成本高，一直是航空制造业面临的瓶颈问题。

自动化数控加工工艺，是高效能数控加工、加工过程稳定性控制、加工技术指标保障等先进技术应用，实现产品工艺设计的一种方法。主要优势在于批生产中，降低人因质量风险，提升产品质量稳定性，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。在食品饮料制造、塑料制品、芯片制造、电子电路板、汽车制造、电器制造等制造领域上的应用已经取得显著效果。但航空发动机产品工艺复杂、精度要求高、加工难度大、工序相对离散，其自动化数控加工工艺设计难度高、调试周期长，目前仅实现面向数控加工工序的自动化，尚未形成全制造过程的自动化。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种航空发动机对开结构机匣类零件自动化数控加工工艺方法，包括以下步骤：

步骤1：根据待加工对开结构机匣零件的加工图纸，确定需要采用的数控加工机床，并制定以铣削加工、车削加工工艺为主的自动化数控加工工艺方案；

步骤2：通过cad/cam软件生成待加工对开结构机匣零件的工序模型；

步骤3：根据待加工对开结构机匣零件的加工图纸，采用cad/cam软件编写数控加工程序，并对数控加工程序进行后置处理；

步骤4：在仿真软件中对数控加工机床进行初始化配置，并完成自动化加工单元的配置，形成机床结构树；

步骤5：根据自动化数控加工工艺要求，在仿真软件中开发实现自动化数控加工过程的附加机床功能，所述附加机床功能包括：零件坐标检测功能、主轴切削功率自适应控制功能、复杂逻辑判断功能、功能集成应用、外部程序调用功能、在机测量功能；

所述零件坐标检测功能用于检测机匣零件的坐标值，防止加工坐标系的调用错误；

所述主轴切削功率自适应控制功能用于自适应监控主轴功率，通过自动调整主轴的进给速度，降低刀具的磨损率；

所述复杂逻辑判断功能用于判断x轴、y轴、z轴三坐标轴补偿值的输入值是否正确；

所述功能集成应用用于管理加工过程中的刀具信息，所述管理包括监控、统计和存储功能；

所述外部程序调用功能用于调用外部程序，实现最小运行内存的占用；

所述在机测量功能用于数控加工过程中加工特征尺寸的在线测量；

步骤6：根据待加工对开结构机匣零件的结构和材料特点，在仿真软件中选择仿真加工的刀具、刀柄；

步骤7：通过三维建模软件设计夹具模型，并在仿真软件中对夹具模型进行物理状态的仿真分析和几何尺寸的仿真分析，得到力学性能和几何参数均符合设计要求的夹具模型；

步骤8：将后置处理后的数控加工程序、工序模型、夹具模型导入仿真软件中，对自动化数控加工工艺进行仿真优化；

步骤9：进行小批量零件的现场验证，采用优化后的自动化数控加工工艺，对k个待加工对开结构机匣零件进行实际加工，如果加工出的对开结构机匣零件满足工艺要求，则执行步骤10，如果不满足工艺要求，则执行步骤8，进行自动化数控加工工艺的仿真优化；

步骤10：小批量零件现场验证结束后，利用刀具管理系统导出刀具寿命数据信息，并根据刀具的实际切削时间修改各刀具的寿命数据，得到刀具的实际寿命数据信息；

步骤11：将刀具的实际寿命数据信息导入刀具管理系统，更新刀具管理系统中的刀具信息；

步骤12：采用优化后的自动化数控加工工艺，对待加工对开结构机匣零件进行实际大批量加工；

步骤13：加工工艺固化，将优化后的自动化数控加工工艺进行工艺固化，形成对开结构类机匣零件的自动化数控加工模板。

进一步地，当数控系统为西门子控制系统时，所述零件坐标检测功能通过预定义可设定框架指令$p_uifr[]，控制和修改加工程序的坐标值，实现机匣零件坐标值的检测；所述主轴切削功率自适应控制功能通过调用主轴切削功率自适应控制功能power_on()，对对开结构机匣零件的径向孔加工采用主轴功率自适应监控主轴功率，当刀具的磨损量δ＜δ1时，通过自动降低进给速度继续加工，当刀具的磨损量δ满足δ1＜δ＜δ2且主轴进给速度v＜v1时，控制主轴进给运动停止，并且开始对主轴进给运动的连续停止时长进行计时，当连续停止时长t≥t1时，控制主轴运动停止，其中δ1表示刀具一级磨损量的阈值，δ2表示刀具二级磨损量的阈值，v1表示主轴进给速度设定阈值；所述复杂逻辑判断功能通过预定义可设定框架指令$p_uifr[]，判断x轴、y轴、z轴三坐标轴补偿值的输入值是否正确，如果输入的补偿值绝对值|ξ|＞0.1，则提示输入错误；所述功能集成应用通过预定义可设定框架指令$p_uifr[]，将自动对刀指令、换刀停止指令以及提示指令固化在数控加工程序中，实现加工过程中对刀具信息的监控、统计和存储操作；所述外部程序调用功能通过外部指令调用功能调用外部程序，当加工机匣零件上的加工特征xi时，通过主程序自动加载加工特征xi的子程序，加工结束后自动卸载加工特征xi的子程序，实现最小运行内存的占用，其中xi表示待加工对开结构机匣零件上的第i个待加工特征，i＝1,2,…,i，i表示待加工对开结构机匣零件上待加工特征的总数；所述在机测量功能通过读取加工中心、数控立车中红外线测头的数据采集值，实现对加工特征尺寸的在线测量。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种航空发动机对开结构机匣类零件自动化数控加工工艺方法，1)针对多种产品零件混线生产、数控专业化、集成化程度低的问题，采用自动化数控加工工艺方法可以实现粗精加工目标明确，数控加工组织形式集中，提升数控加工工艺水平；2)针对数控加工工艺准备周期长的问题，采用自动化数控加工工艺方法可以实现数控设备效能提升，优化走刀路线、切削参数和冷却，提升加工质量和加工效率；3)针对生产准备周期时间长的问题，采用自动化数控加工工艺方法可以实现优化装夹过程，缩短辅助工作时间，提升装夹定位精度和效率；4)针对数控加工中人为中断加工过程、人为调低机床倍率开关、人为调整数控程序和换刀过程的问题，采用自动化数控加工工艺方法可以实现切削效率提升，降低人因质量风险，以及制造成本；5)针对加工变形、技术指标偏离的质量问题，采用自动化数控加工工艺方法可以实现数控加工编程与仿真验证并行迭代的工艺设计模式，有效提高产品的加工质量。

附图说明

图1为本发明中航空发动机对开结构机匣类零件自动化数控加工工艺方法流程图；

图2为本发明中对开结构机匣零件图，其中图(a)为机匣零件的三维图，图(b)为机匣零件在a位置采用液压加紧方式装夹的局部放大图，图(c)为机匣零件的主视图，图(d)为机匣零件的俯视图；

图3为本发明中对开结构机匣零件的左视图；

图4为本发明中对开结构机匣零件垂直与前端面的局部剖视图，其中图(a)、图(b)分别为前后二次车削机匣内部环槽的工序图；

图5为本发明中对开结构机匣零件主视图的部分视图；

图6为本发明中自动化数控加工工艺方案图；

图7为本发明中各个附加机床功能的部分编程图，其中图(a)为零件坐标检测功能的程序图，图(b)为主轴切削功率自适应控制功能的程序图，图(c)为复杂逻辑判断功能的程序图，图(d)为外部程序调用功能的程序图，图(e)为数控铣削机床在线测量程序图，图(f)为数控车床在线测量程序图；

图8为本发明中刀具寿命控制加工程序图；

图9为本发明中切削加工的优化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。

如图1所示，一种航空发动机对开结构机匣类零件自动化数控加工工艺方法，包括如下步骤：

步骤1：根据待加工对开结构机匣零件的加工图纸，确定需要采用的数控加工机床，并制定以铣削加工、车削加工工艺为主的自动化数控加工工艺方案；

待加工对开结构机匣零件图如图2～图5所示，根据零件图纸设计的自动化数控加工工艺方案如图6所示，其中工艺方案主要依据对开机匣零件环形薄壁，侧壁上岛屿、孔等的结构特点，确定以铣削加工、车加工工艺为主的工艺过程，自动化数控加工工艺方案主要包括：1)使用数控铣削加工中心依次铣前端面、结合面、钻、镗结合面上的孔；2)使用数控车床依次粗车后槽、前槽(如t型槽)；3)使用数控铣削加工中心先依次粗铣外型、结合面上的纵向安装边；4)使用数控铣削加工中心精铣结合面、再次铣前端面，钻、镗结合面上的孔；5)使用数控车床依次半精车前槽、后槽、精铣外型，然后依次精车前槽、后槽；6)使用数控铣削加工中心再次钻镗结合面上的径向孔(直孔、斜孔)，钻、镗前后安装边上的孔；

步骤2：通过cad/cam软件ugnx生成待加工对开结构机匣零件的工序模型；

步骤3：根据待加工对开结构机匣零件的加工图纸，采用cad/cam软件ugnx编写数控加工程序，并对数控加工程序进行后置处理；

步骤4：在仿真软件vericut中对数控加工机床进行初始化配置，并完成自动化加工单元的配置，形成机床结构树，自动化加工单元的组建依据一次定位装夹加工多部位的原则，最终形成以四轴加工中心、五轴加工中心以及数控立车为主的自动化加工单元；

步骤5：根据自动化数控加工工艺要求，在仿真软件中开发实现自动化数控加工过程的附加机床功能，所述附加机床功能包括：零件坐标检测功能、主轴切削功率自适应控制功能、复杂逻辑判断功能、功能集成应用、外部程序调用功能、在机测量功能；

所述零件坐标检测功能用于检测机匣零件的坐标值，防止加工坐标系的调用错误；

所述主轴切削功率自适应控制功能用于自适应监控主轴功率，通过自动调整主轴的进给速度，降低刀具的磨损率；

所述复杂逻辑判断功能用于判断x轴、y轴、z轴三坐标轴补偿值的输入值是否正确；

所述功能集成应用用于管理加工过程中的刀具信息，所述管理包括监控、统计和存储功能；

所述外部程序调用功能用于调用外部程序，实现最小运行内存的占用；

所述在机测量功能用于数控加工过程中加工特征尺寸的在线测量；

根据企业现有条件选择合适的加工数控机床，包括五轴数控加工中心，数控立车。合理利用西门子控制系统并开发机床功能以便满足数控加工工艺要求，提升自动化数控加工监控能力；

1)开发零件坐标检测功能，防止加工坐标系调用错误

所述零件坐标检测功能通过预定义可设定框架指令$p_uifr[]、读取和修改框架组件(fi，tr)，控制和修改加工程序的坐标值，实现机匣零件坐标值的检测，具体的程序编写如图7中图(a)所示，在夹具、刀补数基本固定情况下采用此指令将可防止加工中的错误；

2)开发主轴切削功率自适应控制功能，防止刀具破损，在刀具少量磨损时，通过自动降低进给速度继续加工，当刀具磨损达到一定程度，进给速度减低到设定的百分比时，主轴进给停止设定开始计时，只要连续计时达到设定标准主轴停止，保证了零件的安全

主轴切削功率自适应控制功能通过调用主轴切削功率自适应控制功能power_on()，对对开结构机匣零件的径向孔加工采用主轴功率自适应监控主轴功率，当刀具的磨损量δ＜δ1时，通过自动降低进给速度继续加工，当刀具的磨损量δ满足δ1＜δ＜δ2且主轴进给速度v＜v1时，控制主轴进给运动停止，并且开始对主轴进给运动的连续停止时长进行计时，当连续停止时长t≥t1时，控制主轴运动停止，其中δ1表示刀具一级磨损量的阈值，δ2表示刀具二级磨损量的阈值，v1表示主轴进给速度设定阈值，对开机匣用直径为11.5钻头加工2级径向孔采用主轴切削功率自适应控制功能power_on()加工，具体的程序编写如图7中图(b)所示；

3)将多个高级指令组成复合功能开发应用，用于加工过程中的复杂逻辑判断，以及过程监控

复杂逻辑判断功能通过预定义可设定框架指令$p_uifr[]，判断x轴、y轴、z轴三坐标轴补偿值的输入值是否正确，如果输入的补偿值绝对值|ξ|＞0.1，则提示输入错误，具体的程序编写如图7中图(c)所示；

4)开发功能集成应用，实现加工过程的控制

功能集成应用通过预定义可设定框架指令$p_uifr[]，将自动对刀指令、换刀停止指令以及提示指令固化在数控加工程序中，实现加工过程中对刀具信息的监控、统计和存储操作；

5)开发外部程序调用功能，解决机床内存不足问题

对开机匣零件由于结构复杂，程序量往往十分庞大，如对开机匣精铣外形面共118个数控程序，数据量为9.8mb，机床控制的运行内存为2mb，运行内存无法一次预读全部程序进行数控加工要求，通过开发外部指令调用功能，实现分段子程序调用；

外部程序调用功能通过外部指令调用功能调用外部程序，当加工机匣零件上的加工特征xi时，通过主程序自动加载加工特征xi的子程序，加工结束后自动卸载加工特征xi的子程序，实现最小运行内存的占用，其中xi表示待加工对开结构机匣零件上的第i个待加工特征，i＝1,2,…,i，i表示待加工对开结构机匣零件上待加工特征的总数，对开机匣精铣外型面的预加工程序，具体的程序编写如图7中图(d)所示，在零件加工时，只需加载当前主程序，主程序中涉及的子程序在加工位置自动加载，加工后自动卸载，不仅少占用内存，还减少操作；

6)在机测量功能应用，采用加工中心和立车的在线测量功能

在机测量功能通过读取加工中心、数控立车中红外线测头的数据采集值，实现对加工特征尺寸的在线测量，其中数控铣削机床在线测量程序如图7中图(e)所示，数控车床在线测量程序如图7中图(f)所示；在铣加工外型面的在线测量主要用于测量几个监控尺寸，程序设定中，将相关测量结果信息传递给机床全局变量r参数，方便操作者快速了解测量结果，同时通过变量将测量差值补偿给制定刀具，在程序结尾，将测量结果储存在设定的测量结果文件中，用于与三坐标测量仪测量结果进行比较；

步骤6：根据待加工对开结构机匣零件的结构和材料特点，在仿真软件中选择仿真加工的刀具、刀柄；对开机匣零件采用tai19材料，含上下半部的焊接组合结构，为此机械加工要依据质量最佳、效率最高、成本最低的控制原则，选择适应零件结构及材料特点的刀具刀柄，加工中常用精车刀具的刀片厂商为共三家，通过切削对比，三家刀片切削参数基本相同，对此刀具寿命及消耗仍以其中一家刀片进行统计；

步骤7：通过三维建模软件设计夹具模型，并在仿真软件中对夹具模型进行物理状态的仿真分析和几何尺寸的仿真分析，得到力学性能和几何参数均符合设计要求的夹具模型，为提高定位精度和装夹效率，夹具采用液压压紧的控制方式，采用液压限位、限力装夹定位设计达到提升重复定位目的，可保证装夹稳定，定位准确；

步骤8：将后置处理后的数控加工程序、工序模型、夹具模型导入仿真软件中，统一仿真加工环境，对自动化数控加工工艺进行仿真优化，设置零件换刀位置以及自动刀具补偿，进行自动换刀加工，降低了手动换刀易出错的风险，提高了加工效率；设置零件检测位置，采用红外线测头及控制系统测量循环程序，可以制定直径及斜面点等特征进行在线测量；编制测量程序实现加工过程自动测量，监控零件加工质量，提高加工效率；完成切削力以及加工变形预测、表面粗糙度预测，便于优化数控程序；

通过仿真技术优化切削参数，切削参数包括切深、步距、进给速度，优化进退刀位置，以及换刀位置和在线测量位置，实现加工过程的质量控制；改变加工方案，优化走刀路线以及合并刀路，缩短空行程等方案可以优化车加工所需执行程序；通过单段程序多进给的方式将执行程序中的加工参数固化，其中切削加工的优化示意图如图9所示，图中a表示现有的走刀方式，优化后分解为b、c、d所示的三次走刀方式，有效降低了车削中余量不均匀影响切削稳定性的问题产生；

精车t型槽时，常出现刀具意外破损情况，加工时需要现场根据加工功率变化实时调整进给倍率，为自动化数控加工带来极大的障碍，不断调整加工方案后的装夹方式放大图如图2中图(b)所示。

在加工前，将优化后的程序进行数控仿真，针对走刀轨迹过程中的每一段，进行切削参数分析，保证程序的正确性；通过对加工过程中的加工力，变形预测以及表面粗糙度的预测仿真分析，优化加工过程切削参数与去除量的匹配，控制零件的变形。

步骤9：进行小批量零件的现场验证，采用优化后的自动化数控加工工艺，对k个待加工对开结构机匣零件进行实际加工，如果加工出的对开结构机匣零件满足工艺要求，则执行步骤10，如果不满足工艺要求，则执行步骤8，进行自动化数控加工工艺的仿真优化；

现场加工验证和调试时，采用加工中心机载红外线测头及控制系统测量循环，完成直径及斜面点在线测量程序编制，实现加工过程自动测量、自动刀具补偿，减少了手动上刀补的风险，保证了零件加工质量，提高了加工效率；

步骤10：小批量零件现场验证结束后，利用刀具管理系统导出刀具寿命数据信息，并根据刀具的实际切削时间修改各刀具的寿命数据，得到刀具的实际寿命数据信息；

根据实际加工中刀具的使用寿命，制定刀具使用平衡计划以及加工程序的刀使用规则；平衡计划包含刀具种类及使用定额，加工程序的刀使用规则包含刀具夹持长度，刀具刀柄对应程序号信息和使用的技术要求；

步骤11：将刀具的实际寿命数据信息导入刀具管理系统，更新刀具管理系统中的刀具信息；固化加工刀具种类及消耗，针对机匣类零件结构复杂、特征多、加工刀具种类繁多的特点，根据长期加工所积累的不同刀具使用的直接经验，结合质量、成本控制要求，选择合适的加工刀具，为加工参数固化打下基础；

编制刀具寿命控制程序，通过系统自动监控刀具的使用情况，自动判断加工使用的刀具是否已到达刀具设定的寿命，到达设定的寿命即系统禁用此刀具，自动调用新刀具继续加工，从而实现刀具寿命管理；

刀具寿命监控可以通过设置刀具的使用寿命参数，编制刀具寿命控制程序，通过机床控制系统自动监控刀具的使用情况，自动判断加工使用的刀具是否已到达刀具设定的寿命，到达设定的寿命即系统禁用此刀具，自动调用新刀具继续加工，从而实现刀具寿命自动控制；通过对刀具寿命控制功能的研究与利用，掌握了其控制方法，并应用于典型零件全程序无人干预加工中；刀具寿命控制加工程序如图8所示；

步骤12：采用优化后的自动化数控加工工艺，对待加工对开结构机匣零件进行实际大批量加工；

步骤13：加工工艺固化，将优化后的自动化数控加工工艺进行工艺固化，形成对开结构类机匣零件的自动化数控加工模板，工艺固化包括数控加工工艺固化以及机床和装夹固化；加工模板是提取工艺中典型的加工特征推广到同类型零件应用；

经过技术研究、工程应用和系统完善，对优化数控加工工艺、提高数控加工程序质量和产品数控加工质量起到了非常显著的促进作用，提高发动机的批产能力；以机匣为例，对外轮廓粗铣工序应用了以小切深、大进给为特征的层铣加工技术，使刀具主要受力方向为主轴方向，既能够提高加工效率，又能够更好地保持了机床精度。

通过批产，进一步固化工艺，保证工艺的稳定性；然后通过经验提炼和技术的积累，可以将固化后的工艺作为同类型零件的模板，以便可以快速开展类似特征的零件工艺设计；将成熟的工艺应用于同类型零件的制造中去，可以降低同类产品的研发制造成本，提升制造前准备效率。

对开结构机匣类零件自动化数控加工工艺方法，可以改变航空发动机零件传统数控加工的手动测量、手动上刀补等人为控制加工过程的模式，实现在线测量、自动换刀、刀具破损监控、刀具寿命管理、刀补防错和虚拟仿真加工等多项先进技术手段的集成应用，提高数控设备加工效率15～40％，有效降低操作工人劳动强度，提高产品加工质量，其所创造的潜在经济价值巨大，难以用数值衡量。目前该技术方法可实现，我国航空发动机高效、精密、全程序控制、自动化数控加工的批生产模式，可以提高数控加工过程的可靠性、稳定性和一致性，可保证航空发动机机匣的制造质量，提高加工效率，降低加工成本。