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航空發動機製造裝（zhuāng）備驗收現狀與關鍵（jiàn）技術

2020-5-11 來源：中國機（jī）床工具工業協會（huì）cmtba 作者：原創於建華等

接上文“航空發動機零組件加工特點（diǎn）與裝備分析”及2020年5月7日“航空發（fā）動機製造裝備的性能需（xū）求"(可點開鏈接閱讀）。因原文較（jiào）長，為便於閱讀，經與作者商議，將其拆分成相對獨立的3篇文章陸續發布，但保留原文圖片及（jí）參考（kǎo）文獻的編號。若想一氣嗬成看全文（wén），請關（guān）注《世界製造技術與裝備市場（WMEM）》雜誌2020年第3期（qī）“航空發動機加工裝備的性能需求與驗收關鍵技（jì）術（shù）”一文。

——編者注

1 、驗收流程

設備選型：這個階段是（shì）設備廠商了（le）解用戶（hù）需求的重要階段，是保證設備滿（mǎn）足後期使用要（yào）求（qiú）的前（qián）提。機床企業（yè）的設（shè）計代表和（hé）航空用戶的工藝代表應進（jìn）行多輪（lún）次的技（jì）術交流，將設備的功（gōng）能、性能、配置、數控係統、精度、使用便捷性、可靠（kào）性等逐項落實（shí）。如果是重要設備，要專門設計樣件進行試切加工，對功能和性能可行性進行驗證，最終形成指導設備選型（xíng）的《技術規（guī）格書》。對於新研製設備，探索機床企業與航空用戶企業（yè）關鍵技（jì）術人員交（jiāo）叉任職、較長時期交流辦公等深度融合的工作機製（zhì），有利於（yú）推（tuī）動高端機床與航空發（fā）動機製造的匹配發展。

招標投標：由設備廠商的銷售代表（biǎo）和航空用戶的（de）商務代表依據《技術規格書》和招投標法規完成。

技術協議：對設備的用途、功能、結構形式、主要技術（shù）指標、安裝要求、關鍵部（bù）件配置、驗收執行標準、供貨（huò）範圍及其他特殊要求做出約定，形成《技術協議》。

合同簽訂：由（yóu）設備廠商的銷售代表和航空用戶的商務代表依據《技術協（xié）議》和合同法規完（wán）成（chéng）。

設備（bèi）預驗收：這是至關重要的環節（jiē），尤其對於有特殊要求的設備，應該將特殊（shū）的性能要求充分進行加（jiā）工驗（yàn）證，如有必要甚至可以創新性地設計新的驗收標準。預驗收主要檢查、驗證所購（gòu）置的機床能否滿足自身產品的（de）加工質量（liàng）及（jí）生產效率要求，提供（gòng）的資料（liào）、備附件等是否齊全，具體內容根據《技術協議》中的要求。需要注意（yì）的是：機床通過正常運行試加（jiā）工並經（jīng）整體檢（jiǎn）驗合格後，購置（zhì）方才能進行預驗收工作，預（yù）驗收通過後可（kě）以向用戶廠家發運機床。

設備終（zhōng）驗收：主要包括到貨後開箱驗收、安裝過程驗收、安裝後總（zǒng）體驗（yàn）收。對於分體運輸的大型設（shè）備，在（zài）用戶場地對經過長途運輸後的各（gè）部件安裝組合精度進行（háng）恢複（fù）調試更有利於機床的精度保證和運輸隱（yǐn）患排查。機床驗收時的所（suǒ）有驗收記錄都應有簽字確（què）認，並交由用戶設備主管部門保管存檔。

2 、驗收內容

航空發動機數控機床與裝備的驗（yàn）收是指利用高精度儀（yí）器對機（jī）床本身（shēn）的（de）機械、電路、液壓和氣動裝置等各係統進行綜（zōng）合（hé）使用性能、單項使用性能和靜態及動態精度檢測的過程，最後給出本（běn）機床性能的綜合（hé）評（píng）估。驗收的項目主要有以下五部分內容。

（1）機床外觀功能檢測

主機及（jí）各零部件有無磕碰損傷、鏽蝕（shí）等現象；各係統（tǒng）的（de）動作試驗、空載（zǎi）/負荷運轉試（shì）驗。

（2）機床幾何精（jīng）度檢測

各運動軸相對工作台移動的直線度（dù）、平行度、垂直度（dù）、平麵度、跳動等，對於機床的幾何精度和（hé）定位精度（dù）檢測（cè）要打開後台補償，查閱機床精度補（bǔ）償量（liàng），對於補償較大的應要求進行硬件調整或更換。

（3）機床位置（zhì）精度檢測

機床各驅動軸在數控係統控製下的定位精度、重複定位（wèi）精度、反（fǎn）向差（chà）值、原點的（de）複位精度、位置偏差及定位（wèi）係統偏（piān）差等。一般推薦采用VDI/ DGQ 3441，GB/T17421.2，ISO 230 –2等標準。

（4）機床工作精度檢（jiǎn）測（cè）

對於車削機床、四軸以下機床的工作精度檢（jiǎn）測一（yī）般推薦NAS試件，如果切削難加工材料或者有其它（tā）特殊要求，可（kě）適當增加未來需加工的典（diǎn）型特征試件；對於五軸機床除了NAS試件外，應針對性（xìng）設計可（kě）檢測外圓與內孔同（tóng）軸（zhóu）度、圓度、傾斜角度、鑽/鏜孔（kǒng）精度及各尺寸精度等的試件；對於（yú）航空發動機難加工材料（liào）所用機床，主軸的扭矩、功率、轉速要符合加工工況的（de）扭矩/功率/轉速曲線圖，不能以單個指標去衡量切削性能；尤其對於工作剛度和動態性能會有針對性的驗收措施。

（5）機床綜合性能檢測

機床軟件程序導入導出（chū）及後處理匹配性（xìng）；機床負載一定周期下的可靠（kào）性與精度保持性；裝夾找正、上下料（liào）、維護保養操作便捷性。

3 、存在問題與關鍵技術

新出廠的數控機床與裝備在檢驗時僅把機（jī）床（chuáng）本身（shēn）的（de）幾何與位置精度、加工精度（dù）作為考（kǎo）核測試的標（biāo）準是遠遠不夠的，必須對機床綜合精度和動態響應特性（xìng）、連續運轉時間、係統穩定性及機床溫升等各項（xiàng）指標做（zuò）出全麵的檢測。隻有這樣做才能夠保證高速切削數控機床今後加工性（xìng）能的穩定度（dù）[15]。美國航（háng）空航天局（jú）於1969年發布了NAS 979標準，這也是此（cǐ）前唯一被行業公認的試件標準。然而大量的實（shí）踐表明，NAS五坐標錐台檢測試件加工時始終處於開角加（jiā）工區域，不能準確反映機（jī）床的綜合精度。傳統精度檢測儀器如激光幹涉儀、雙球杆儀、激光跟蹤儀（yí）等對多軸（zhóu）聯動誤差和動態誤差檢驗的局限性逐步顯現。近年來S型（xíng）試件、RTCP檢驗方法逐漸得以推廣和應用，有效彌補了五軸機床加工航空難加工材料時工作性能檢測的短板。此外，航空發動機（jī）企業（yè）對於專用或者複雜的機床裝（zhuāng）備還要設計專門樣件（jiàn），進行樣件加工，它是對機床從設計（jì）到製造再（zài）到安（ān）裝調試的質量和性能的總體檢驗，直接關係到機床裝備的功能、加工（gōng）精度和綜合加工能力的可靠性。

（1）S型試件檢測

NAS試件主要對機床的幾（jǐ）何精度敏感，而對動態精度不敏感，按照此標準驗收的五軸機床在加工飛機（jī）結構零件複雜曲麵時，大量出現過切、欠切、表麵嚴重波紋等情況。為此（cǐ），由中國主（zhǔ）持（chí）修訂、由中航工業成都飛機工業（集團（tuán））有限責任公司基於航空製造經驗及多年自主深入研（yán）究成果提出的，ISO10791-7: 2020《加工中心檢驗條件第7部分：精加工（gōng）試件精度檢驗》國際標準，獲國際標準化組織（ISO）批準正式發布，成為國際（jì）標準 [16]。如圖（tú）20所示，試件由S形走向的扭曲曲（qǔ）麵形成（chéng）的等厚度緣（yuán）條和矩形底座組成。S型（xíng）緣條由上（shàng）下兩個（gè）平麵上的四條S形曲線相互交叉構成。由於緣條與底平麵（miàn）的夾角連續變化，在連續加工S型曲麵緣條兩側時，可檢查五軸數控機床連續變軸加工零件表麵時的粗糙度、厚度（dù）、輪（lún）廓誤差等，檢驗機床開、閉角轉換時的（de）性能，更好地反映多軸加工中各（gè）運動部（bù）件的綜合精度（dù）和動態響應特性，更能體現航空薄壁件的機床加工性能。在（zài）圖20中，直紋麵A由兩（liǎng）條準均勻三次B樣條曲線定義，這兩條B樣條曲線分別由兩組控製點即Mi（i=0-11）和Ni（i=0-11）定義。與直紋（wén）麵A相似，直紋（wén）麵B也由兩條準均勻三次B樣條曲線進行定義，兩條樣條線（xiàn）分別由兩（liǎng）組控製（zhì）點Pi（i=0-11）和Qi（i=0-11）定義[17]。

圖20 S型試件（jiàn）（直紋麵A和B）

（2）RTCP精度檢驗

隨著用（yòng）於檢測刀具中心點空間位置誤（wù）差的R-test測量儀的研究成熟（shú），可通過三個位移傳感器測量球（qiú）頭（tóu）空間（jiān）位（wèi）置配合機床刀尖跟隨功能（Rotation Tool Centre Point，RTCP），快速檢測多軸（zhóu）聯動時的刀具中心點空間運動誤差（chà）。R-test測量裝置的性（xìng）能主要取決於測量範圍和測量敏感度，應該選擇較大測量半徑和較高測（cè）量（liàng）敏感度的測量儀[18]。目前，ISO10971-6國際標準（zhǔn）中針對雙擺頭五軸機床的RTCP檢測用AK4軌跡，操作簡（jiǎn）單，無（wú）須編寫檢測數控（kòng）代碼，但無法反映出航空發動機零件曲麵突變加工時所需的機床動態性能，在RTCP 檢測軌跡的規劃過程中（zhōng），應采用更加複雜（zá）的函數或通過選取點（diǎn）位進行樣條擬（nǐ）合（hé）的方式生成檢測軌跡（如S型軌跡），以提升檢測性能[19]。

圖21 RTCP精度檢測

（3）樣（yàng）件設計與檢測

航空發動機零（líng）件對於機床的剛度、特殊工位行（háng）程可達性、難加工材料切削性（xìng）、使（shǐ）用便捷性等有苛刻要求。設計與真實零件特（tè）征相似的樣件，觀察樣（yàng）件加（jiā）工過程後置處理、刀具路徑規劃、路徑光順、誤差檢測與補（bǔ）償、原位測（cè）量與自適應補償的各功能的運行狀況[20]，檢測加工樣件的精度可以有效（xiào）評價機床的（de）使用性能。

綜上，對（duì）於航空發動機零件加工的關鍵設備，用傳（chuán）統檢測儀器進行幾何精度和位（wèi）置精（jīng）度檢測；對於多軸機床要進行S形試件加工和RTCP精度檢查（chá）；對於精加工或難加工材料切削機床要設計專門樣（yàng）件進行工作（zuò）精（jīng）度檢查（chá）。

4 、驗收（shōu）項目與流程

重要的機床與設備采購要經過以下九大環節才能完成驗收（見圖22），機床設計人員（yuán）應該在設備選型伊始就充分參與進來，並與機床使用的工藝人員充分交流，摸透用戶需求；在機床（chuáng）使用工藝人員要選擇合適的（de）驗（yàn）收標準，對機床（chuáng）所（suǒ）需的性能進（jìn）行充分檢驗。

圖22 驗（yàn）收流程邏輯圖

結論

綜上所述，本文根據（jù）航空發動機零件結構的複雜特點和加工中的特（tè）殊（shū）要求，對（duì）所需的關鍵短板裝備性能特點（diǎn）進行分析（xī）。通過總結航空發動機的設備選型、性能提升改造（zào）、驗（yàn）收與使用經驗，得到以下結論：

（1）對於航空發動機（jī）所需的關鍵與瓶頸裝備，應充分發揮“用、產、學、研”機（jī）製，由用戶牽頭，設（shè）備企業（yè）、高校和研究（jiū）機構參與，研製之初（chū）就吃透工藝需求，共同攻關，新開發（fā）的機床（chuáng）應經過大量機床測（cè）試，通過幾輪迭代創造出符合先進航空發動機工藝需求的新（xīn）裝備。

（2）航空發動機研製生產準（zhǔn）備周期長，需（xū）要的工藝裝備品種多，要求高。而且發動（dòng）機還需要不斷更新（xīn）換代，具有（yǒu）典型的多品種小（xiǎo）批量特征，尤其是特種加工設（shè）備，批（pī）量（liàng）不大。對於這些（xiē）難度高、投資大、批量小的工藝裝備需（xū）要（yào）國家項目大力支持。

（3）機床設計應重（chóng）點（diǎn）關注結構（gòu）功能一體化、多種（zhǒng）工藝（yì）複合機床（chuáng）的（de）研製，關注本文提出的（de）共性技術性能（néng）提升。同時，機床設計者和機床使（shǐ）用者應該大膽創新，敢於提出新標準，與行業協會和各級標準化組織共同推動建立高端機床中國標準。

（4）對於粉末冶金難加工材料高效切削、複合材料切削加工、複（fù）雜（zá）型麵（如渦輪盤榫槽等（děng））電加工（gōng）和磨削加工（gōng）、激光打孔（單晶葉片氣膜孔）、增材製造（zào）等設備和驗（yàn）收標準，還有待進一步開發和研究。

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