■ 劉杰 帥新國(guó) 姜東升 李雙全 劉鏡瓊/中國(guó)航發(fā)南方

中國(guó)航發(fā)南方創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)緊密?chē)@加強(qiáng)信息化與工業(yè)化融合，以“互聯(lián)網(wǎng)+”思維改變傳統(tǒng)的制造模式，逐步解決了航空發(fā)動(dòng)機(jī)細(xì)長(zhǎng)軸加工質(zhì)量不穩(wěn)定、加工成本高及工藝成熟期長(zhǎng)的問(wèn)題。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的細(xì)長(zhǎng)軸是核心轉(zhuǎn)動(dòng)件，長(zhǎng)徑比達(dá)到40～70，壁厚2～5mm，壁厚差≤0.05mm，多采用鎳基高溫合金等難加工材料制成，其制造技術(shù)水平和質(zhì)量直接決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)細(xì)長(zhǎng)軸主要面臨三個(gè)方面的加工難題，即加工質(zhì)量不穩(wěn)定、加工成本高及工藝成熟期長(zhǎng)。具體原因是：細(xì)長(zhǎng)軸加工變形大，為了減少加工變形，主要采取降低切削用量（切削深度、速度及進(jìn)給量）、分段切削、預(yù)留工藝臺(tái)等措施，但上述工藝方法效果不明顯且大大降低了零件的加工效率；為了解決生產(chǎn)過(guò)程中刀具磨損可能帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題，只能依賴(lài)操作者經(jīng)驗(yàn)決定是否更換刀具，其結(jié)果是刀具使用量越來(lái)越大，浪費(fèi)嚴(yán)重；此外，零件的這些特點(diǎn)也導(dǎo)致新機(jī)工藝更改頻繁，工藝成熟期特別長(zhǎng)。

在傳統(tǒng)方法難以有效解決細(xì)長(zhǎng)軸加工中的各種難題的情況下，中國(guó)航發(fā)南方創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)緊密?chē)@加強(qiáng)信息化與工業(yè)化融合，以“互聯(lián)網(wǎng)+”思維改變傳統(tǒng)的制造模式，在細(xì)長(zhǎng)軸切削物理仿真、加工過(guò)程在線監(jiān)控這兩項(xiàng)智能加工關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破，并通過(guò)這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的交互應(yīng)用，逐步解決了細(xì)長(zhǎng)軸加工質(zhì)量不穩(wěn)定、加工成本高及工藝成熟期長(zhǎng)的困擾。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能加工關(guān)鍵技術(shù)

目前，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造在工藝穩(wěn)定性及加工質(zhì)量一致性方面與國(guó)際一流企業(yè)存在較大的差距。其中很重要的原因在于，虛擬仿真技術(shù)在生產(chǎn)制造中的應(yīng)用不深入，制造過(guò)程中缺乏狀態(tài)監(jiān)測(cè)與主動(dòng)調(diào)控能力，人為因素影響大。而以感知、計(jì)算和操控為核心的制造系統(tǒng)智能化技術(shù)是進(jìn)一步提升航空制造能力的關(guān)鍵，并且國(guó)外已經(jīng)在航空制造領(lǐng)域大力推行仿真、加工過(guò)程在線監(jiān)控等智能制造關(guān)鍵技術(shù)。為此，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)急需加強(qiáng)信息化與工業(yè)化融合，改變傳統(tǒng)的加工制造模式，提高發(fā)動(dòng)機(jī)制造能力。

切削物理仿真技術(shù)

在高性能計(jì)算、過(guò)程自動(dòng)化和軟件工具發(fā)展的推動(dòng)下，普惠公司在發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期內(nèi)都運(yùn)用了仿真技術(shù)，大大提高了產(chǎn)品的研制效率和質(zhì)量，并認(rèn)為合理運(yùn)用仿真技術(shù)是其保持航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢(shì)的重要原因之一。GE公司、普惠公司等聯(lián)合啟動(dòng)了以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和盤(pán)快速研制為目標(biāo)的設(shè)計(jì)-材料-制造等一體化多學(xué)科仿真優(yōu)化集成應(yīng)用研究，大幅縮短了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和盤(pán)的研制周期。沃爾沃航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司通過(guò)實(shí)施航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造工藝的全流程仿真研究，實(shí)現(xiàn)了零件工藝參數(shù)和加工路徑的優(yōu)化，縮短了零部件的研制周期并降低了研發(fā)成本。

加工過(guò)程在線監(jiān)控技術(shù)

美國(guó)國(guó)防加工制造中心于近年批準(zhǔn)了一項(xiàng)軍用產(chǎn)品智能加工項(xiàng)目，其核心思想是：通過(guò)多種傳感器感知零件加工過(guò)程中的微小波動(dòng)，通過(guò)融合計(jì)算實(shí)時(shí)修正工藝參數(shù)，通過(guò)操控加工中心優(yōu)化工藝參數(shù)完成零件加工，從而實(shí)現(xiàn)智能化的零件加工。此外，GE公司提出了少無(wú)缺陷加工技術(shù)；MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司和羅羅公司提出了基于加工過(guò)程智能化監(jiān)控的自適應(yīng)切削技術(shù)，主要通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)零件、刀具的狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整加工參數(shù)和工具修整、更換，使加工尺寸精度和表面質(zhì)量始終處于可控狀態(tài)；普惠加拿大公司已廣泛采用自適應(yīng)切削技術(shù)來(lái)提高難加工材料的切削效率和刀具使用壽命。

圖1 切削物理仿真模型的建立與優(yōu)化

細(xì)長(zhǎng)軸智能加工應(yīng)用探索

在工藝研發(fā)環(huán)節(jié)，主要開(kāi)展了細(xì)長(zhǎng)軸切削力、熱有限元仿真技術(shù)研究。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)圍繞難加工材料復(fù)雜細(xì)長(zhǎng)軸切削加工中的力、熱仿真模型（如圖1所示），結(jié)合部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析零件加工變形規(guī)律和加工振動(dòng)狀態(tài)，建立早期加工參數(shù)庫(kù)，優(yōu)化零件加工路徑和工藝參數(shù)，提高加工效率和加工質(zhì)量。

在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，開(kāi)展細(xì)長(zhǎng)軸振動(dòng)、切削負(fù)荷等狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與調(diào)控研究。通過(guò)加工過(guò)程狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，收集切削負(fù)荷、振動(dòng)、刀具磨損狀態(tài)等信息，形成“加工過(guò)程心電圖”。通過(guò)智能預(yù)測(cè)算法分析刀具的磨損規(guī)律和異常情況，提示合理更換刀具，建立切削負(fù)荷與工件變形量和振動(dòng)量的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)化切削參數(shù)和加工方法，提高刀具的使用壽命和零件質(zhì)量穩(wěn)定性。

開(kāi)展切削物理仿真技術(shù)與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的交互應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)數(shù)據(jù)的傳遞。利用在線獲取的加工狀態(tài)信息，改變切削過(guò)程仿真物理模型參數(shù)，動(dòng)態(tài)地積累和改進(jìn)工藝，快速形成成熟的加工工藝。建立基于大數(shù)據(jù)的特征數(shù)據(jù)庫(kù)和工藝知識(shí)庫(kù)，提供實(shí)時(shí)診斷和工藝決策方法，實(shí)現(xiàn)加工工藝過(guò)程的智能化以及工藝仿真與制造過(guò)程的閉環(huán)控制。

階段性成果

圖2 加工過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)控制

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)細(xì)長(zhǎng)軸典型工序開(kāi)展了切削物理仿真技術(shù)研究與應(yīng)用，提高了零件的加工質(zhì)量，縮短了零件的研制周期，具體實(shí)施方案如下：建立了切削力與加工參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型，通過(guò)研究切削力關(guān)于進(jìn)給的變化規(guī)律，提出針對(duì)零件變剛度特性的進(jìn)給量規(guī)劃方法；采用建模仿真技術(shù)比較分析零件加工變形量的大小，得到優(yōu)化后的加工路徑和工藝參數(shù)，提高了零件的加工質(zhì)量。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)細(xì)長(zhǎng)軸典型工序開(kāi)展了在線監(jiān)控技術(shù)研究與應(yīng)用，提高了刀具的使用壽命、零件的加工效率及質(zhì)量穩(wěn)定性，具體如下：分析了零件的加工工藝及質(zhì)量要求，構(gòu)建了加工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)；開(kāi)展了傳感器測(cè)點(diǎn)敏感性分析，確定了傳感器的布點(diǎn)方案；分析了面向刀具磨損的電流信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)的特征敏感性，建立了細(xì)長(zhǎng)軸加工常用刀具的磨損規(guī)律；開(kāi)發(fā)了自適應(yīng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了典型工序加工過(guò)程切削負(fù)荷自適應(yīng)控制（如圖2所示）。

結(jié)束語(yǔ)

“中國(guó)制造2025”在航空航天裝備智能制造業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)突出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)，給航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造轉(zhuǎn)型帶來(lái)了重大歷史性機(jī)遇。中國(guó)航發(fā)南方創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)細(xì)長(zhǎng)軸零件加工工藝特點(diǎn)，開(kāi)展智能加工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用探索，提高了零件的加工效率和質(zhì)量，縮短了工藝研發(fā)周期。通過(guò)突破切削物理仿真、加工過(guò)程在線監(jiān)控兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及交互應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了細(xì)長(zhǎng)軸工藝與制造的閉環(huán)控制，改變了工藝研發(fā)與制造模式。