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航空發動機主（zhǔ）燃機匣智（zhì）能加工技術有多牛！

2020-2-18 來源：金屬加工作者：趙華衛等

基於自適應控製的發（fā）動機主燃機匣（xiá）加工技術，通過實時監測機床主軸（zhóu）負載變化，並根據負載變（biàn）化自動調整，實（shí）時適應合適的（de）切削參數，使機（jī）床（chuáng）保持恒定負載勻速加工，實現主燃機匣的實時監測加工，解決加工效率低和質量不穩定問題（tí）。

航空發動機主燃機匣工作條件苛刻，結構（gòu）複雜、材料加工難度大。受（shòu）零件材料組織、加工餘量和機床冷卻等的影響，經常出現刀具破損斷裂情況，機床主軸負載劇烈變化，造成（chéng）零件報廢及損害機床。

發動機主燃機匣采用傳統方法加工時，由NC程（chéng）序設定（dìng）恒定進給量（liàng）加工，當出現特殊情況(刀具損耗破損、材料組（zǔ）織不均（jun1）勻（yún）餘量突變、刀具碰撞零件和冷卻係統故障)時，操作人員需手動調整倍率開關調節進給大小，難以準確實時監控，並調整機匣加（jiā）工過程的進給。傳統加工無（wú）法將成熟加工經驗與科（kē）學數據分析相（xiàng）結合，無法實現發動機主燃機匣（xiá）加工過程的監控及加工參數的實時優化。

發動機主燃機（jī）匣加工現引進自適應控製（zhì）技術。通過控製器硬件（jiàn）與機床NC係統之間的接口連接，實現對機床主軸轉速、主軸轉（zhuǎn）矩、進給速（sù）度和進給力等切（qiē）削參數優化控製。可實時動態（tài）監控切（qiē）削參數，並將這（zhè）些參數存儲到數（shù）據庫中。通過內部智（zhì）能專家係統監控分析切削過（guò）程參數狀況，實現單台機床實時監控。內部智能專家係統可實（shí）現以下功能：①獲取加（jiā）工中振動、切（qiē）削力、刀具磨損（sǔn）、材質變化、切（qiē）削餘量突（tū）變和冷卻係統故障等實（shí）際狀態信息。②綜合分析（xī）檢測的主軸負載、刀（dāo）具切削參數。③實時感知預測加工（gōng）工況。

內部智能專（zhuān）家（jiā）係統（tǒng）讀取庫中經驗數（shù）據和加工信息，分析判斷加工狀態是否理想，不理想時，動態優化切（qiē）削參數，優化加工過程。通過調整進給量（liàng），將加工過程（chéng）調節到（dào）最優狀態，實（shí）現加工優化及實時監測，解決（jué）燃燒室機匣加（jiā）工中（zhōng）困擾技術人員的實時監控主軸負載（zǎi）問題。

1.零件結構特點及加工難點

發動機主燃機匣零件結構相當複雜，外形有安裝邊（biān）、加強筋、噴嘴安裝座和型槽等（děng）特征。機匣（xiá）材料（liào）為GH4169，Ⅱ類鍛件，硬度≤277HBW，材料屬難（nán）加工材料，數控加工（gōng）難度大，加工中使用整體合金刀具數量非常（cháng）多。加工過程中出現異常後，需操作人員手動（dòng）調整、操作人員加（jiā）工中不能離開設備。當出現刀具磨損斷裂、加工餘量突變和機床切削（xuē）液供（gòng）給不足時（shí），操作人員無法及時發現問題。零件加工周期長，製造成本高（gāo），加工時間無法精確統計。操作人員無（wú）法解決機床負（fù）載變化導致的零件超差及損害機床等問題。發動機主燃機匣零件如圖1所示。

圖1燃燒室機匣零件

2.自適應控（kòng）製加工技術

（1）刀具磨損監測 發動（dòng）機主燃機匣傳統加工方法，一般通過判斷刀刃崩裂、零（líng）件表麵質量、切屑顏色和切削聲音等簡單（dān）方（fāng）式識別刀具磨損，而在全封閉（bì）設備上加工時（shí），無（wú）法通過目視觀察和聲音變化來發（fā）現（xiàn）刀具斷裂（liè）、崩齒（chǐ）和磨損等意外情況的發生。刀具磨損及使用壽命不能有效監控。自適應（yīng）控製係統能（néng）夠記錄首件加工過程中主軸功率的即（jí）時變化，並將其作為（wéi）後續（xù）零件的（de）切削標準。在後續零件的切（qiē）削過程中一旦出現因刀具磨損造成主軸功（gōng）率發生較大變化時，控（kòng）製係統（tǒng）就會自動發出功率異（yì）常報警信息，提（tí）醒更換刀具，監測刀具磨損。

運用自適應控製技術（shù），加（jiā）工中可通（tōng）過主軸過載報警曲線圖隨時監測刀具（jù）磨損狀態，如（rú）圖（tú）2所示（shì）。圖2中（zhōng）縱坐標橙色部分表示刀具磨損時主軸過載隨時間變化。藍色表示刀具切削材料隨時（shí）間變化。綠色表示切削載荷控（kòng）製係統啟動狀態（tài）隨時間變化。灰色表示主軸旋轉狀態隨時間變化，紅色（sè）線條表示進給倍率曲線隨時間變化，綠色線條表示主軸功率隨時間（jiān）變化。紅色三角符號表示警（jǐng）報信息（xī）。橫坐標表示加工時間。對於任何刀具，當刀具磨損達到“警報”過（guò）載極限時，切（qiē）削載荷（hé）控製係統發出警報信息。根據報警信息，係（xì）統發出更換刀具、修改切（qiē）削進給量的指令控製整個切削過程。刀具（jù）磨（mó）損變化時，無需調整機床倍率及人（rén）為（wéi）幹預加工。

（2）機床主軸負載控製 傳（chuán）統（tǒng）加工方法無法對主軸負載的變化進行直接監控，一般通過主軸聲音變化來判斷是否（fǒu）正（zhèng）常切削，非正常切削（xuē）時通過人工調整機床各（gè）參數開關控製（zhì）切削（xuē）參數，使（shǐ）主軸負載控製（zhì）在額定範圍之內。

自（zì）適應控製係統可精（jīng）確控製（zhì）整個加（jiā）工過程中的主軸負載，能根據主軸負載的變化量（liàng）即時（shí）調整切削參數，保證主軸的切削功率維持在一定的範圍之內，實現恒速度加工向恒負載加工的轉變。加工過程一旦出現刀具破損斷裂、刀具切入切出零件、零件材料組織不均勻、零（líng）件加（jiā）工餘量突變和機床切削液供（gòng）冷故障等異常狀態時（shí），切削載荷控製係統就會自（zì）動將進給（gěi）速率衰減到（dào）合理範圍。

圖3所示為某發動機主燃機匣加工中的主軸負載變化曲線圖（tú），圖中縱坐（zuò）標表示加工時間，橫坐標是對主軸過載狀態、主軸切削狀態（tài）、功率及進給隨時間變化的描述曲線。隨著主軸（zhóu）負載增加，係統（tǒng）自動降低切削速度，當切削速度達到（dào）設定的下限值時，係統強行停止（zhǐ）設備，並發出報（bào）警信息(進給速率小於設定下（xià）限，停機，主軸過載保（bǎo）護（hù）設置為“立即停（tíng）止”)。切削載荷控製係統判斷主（zhǔ）軸負載是否達到主軸承載最大值，當達到最大值時，通過降低進給大小，使切削負（fù）荷滿足係統中設置的主軸負載安全值。隻要主軸負載允許，切削載荷控製係統將進給提高到最大允負荷水平。在保（bǎo）護機床主軸情況下（xià）恒負載加工零件。

（3）切削參數（shù）優（yōu）化 傳統加工（gōng）在NC程序中（zhōng）給定了固定的（de）切削（xuē）參數，設備隻（zhī）能按照給定的參數加工，存在（zài）空走刀（dāo）及進退刀速度慢過程。切削過程不能（néng）根據餘量大小調整切削（xuē）參數，造成加工效（xiào）率低、加工質量不穩定（dìng）的問題。

自適應控（kòng）製係統能（néng）夠將即時（shí）切削參（cān）數與係統庫中理論參數對比，自動補償NC程序設定的恒（héng）定進給，優化切削參數至最合（hé）適範圍，使整個加工過程的切削參數更加科學優化。使用切削參數優化技（jì）術後，燃（rán）燒室（shì）機匣加工過程更加優化（huà），不僅起到防止刀具碰撞、保護機床的功能，同（tóng）時也縮短了零件的加工周期。

以φ16R4mm整體硬質合金銑刀切削為例，在應用切（qiē）削（xuē）載（zǎi）荷控製係統前毎（měi）把刀具隻能加工3處噴嘴座，應用後每把刀具可（kě）加工5處（chù）噴嘴（zuǐ）座（zuò）。刀具壽命明顯提升。

傳統機匣加工，編程人員根據經驗以設備（bèi）承受最大負載設定加工進給。而實際處於最（zuì）大載荷時間段隻占生產時間很少部分，絕大多數時間機床是處於非飽和加工（gōng）狀態。利用切削（xuē）參數實（shí）時優化技術，使機床加工始終處於飽和狀態。在保證設備安全（quán）和零件（jiàn）質量前提下，挖據設備利用率。發動機主燃（rán）機匣應用切削參（cān）數優化前後加工效（xiào）率提升（shēng）見（jiàn）表1，表中僅列出部（bù）分刀具提升效率。

發動（dòng）機主燃機匣切削（xuē）參數優化前加工時間為249 727s，優化後所用時間（jiān）為207 193 s，效率（lǜ）提（tí）升率為17.03％。統計時間中不含工件的裝夾、找正、對刀、換刀、程序校對和測（cè）量等輔助時（shí）間，機匣加工時間精確至秒。

3.結語

通過研究，得出以下結（jié）論：

（1）實現（xiàn）對主軸負載實時監測（cè） 當加工中刀具損耗或（huò）破損、材質不均勻、材料（liào）硬點、餘量（liàng）突變、刀具碰撞零件和（hé）冷卻係統故障時，通過優化進給避免了切削衝（chōng）擊主軸，實現了恒速（sù）度加（jiā）工向恒（héng）負載加工的轉變。

（2）實（shí）現刀具磨損監測，保護刀具 解決困擾技術人員的刀具實（shí）時（shí）監問題，機床（chuáng）在無人監控情況下，可自動采取科學合理的參數、實時適應（yīng）主（zhǔ）軸負荷和切削工況加工（gōng）零件。

（3）實現零件加（jiā）工（gōng）過程實時監控優（yōu）化（huà），提高了加工效率17％ 單（dān）台設備零件（jiàn）加工時間精確可（kě）控，無人為幹頂。整體生產進（jìn）度可以科學精確規劃。並保持最優零件加工狀態。

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