【機床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動態(tài)】接2020年5月6日“航空發(fā)動機零組件加工特點與裝備分析”及2020年5月7日“航空發(fā)動機制造裝備的性能需求"。因原文較長，為便于閱讀，經(jīng)與作者商議，將其拆分成相對獨立的3篇文章陸續(xù)發(fā)布，但保留原文圖片及參考文獻的編號。若想一氣呵成看全文，請關(guān)注《世界制造技術(shù)與裝備市場(WMEM)》雜志2020年第3期“航空發(fā)動機加工裝備的性能需求與驗收關(guān)鍵技術(shù)”一文。
 

　　——編者注
 

　　1 驗收流程
 

　　設(shè)備選型：這個階段是設(shè)備廠商了解用戶需求的重要階段，是保證設(shè)備滿足后期使用要求的前提。機床企業(yè)的設(shè)計代表和航空用戶的工藝代表應(yīng)進行多輪次的技術(shù)交流，將設(shè)備的功能、性能、配置、數(shù)控系統(tǒng)、精度、使用便捷性、可靠性等逐項落實。如果是重要設(shè)備，要專門設(shè)計樣件進行試切加工，對功能和性能可行性進行驗證，終形成指導(dǎo)設(shè)備選型的《技術(shù)規(guī)格書》。對于新研制設(shè)備，探索機床企業(yè)與航空用戶企業(yè)關(guān)鍵技術(shù)人員交叉任職、較長時期交流辦公等深度融合的工作機制，有利于推動機床與航空發(fā)動機制造的匹配發(fā)展。
 

　　招標(biāo)投標(biāo)：由設(shè)備廠商的銷售代表和航空用戶的商務(wù)代表依據(jù)《技術(shù)規(guī)格書》和招投標(biāo)法規(guī)完成。
 

　　技術(shù)協(xié)議：對設(shè)備的用途、功能、結(jié)構(gòu)形式、主要技術(shù)指標(biāo)、安裝要求、關(guān)鍵部件配置、驗收執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、供貨范圍及其他特殊要求做出約定，形成《技術(shù)協(xié)議》。
 

　　合同簽訂：由設(shè)備廠商的銷售代表和航空用戶的商務(wù)代表依據(jù)《技術(shù)協(xié)議》和合同法規(guī)完成。
 

　　設(shè)備預(yù)驗收：這是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，尤其對于有特殊要求的設(shè)備，應(yīng)該將特殊的性能要求充分進行加工驗證，如有必要甚至可以創(chuàng)新性地設(shè)計新的驗收標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)驗收主要檢查、驗證所購置的機床能否滿足自身產(chǎn)品的加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率要求，提供的資料、備附件等是否齊全，具體內(nèi)容根據(jù)《技術(shù)協(xié)議》中的要求。需要注意的是：機床通過正常運行試加工并經(jīng)整體檢驗合格后，購置方才能進行預(yù)驗收工作，預(yù)驗收通過后可以向用戶廠家發(fā)運機床。
 

　　設(shè)備終驗收：主要包括到貨后開箱驗收、安裝過程驗收、安裝后總體驗收。對于分體運輸?shù)拇笮驮O(shè)備，在用戶場地對經(jīng)過長途運輸后的各部件安裝組合精度進行恢復(fù)調(diào)試更有利于機床的精度保證和運輸隱患排查。機床驗收時的所有驗收記錄都應(yīng)有簽字確認，并交由用戶設(shè)備主管部門保管存檔。
 

　　2 驗收內(nèi)容
 

　　航空發(fā)動機數(shù)控機床與裝備的驗收是指利用高精度儀器對機床本身的機械、電路、液壓和氣動裝置等各系統(tǒng)進行綜合使用性能、單項使用性能和靜態(tài)及動態(tài)精度檢測的過程，后給出本機床性能的綜合評估。驗收的項目主要有以下五部分內(nèi)容。
 

　　（1）機床外觀功能檢測
 

　　主機及各零部件有無磕碰損傷、銹蝕等現(xiàn)象；各系統(tǒng)的動作試驗、空載/負荷運轉(zhuǎn)試驗。
 

　　（2）機床幾何精度檢測
 

　　各運動軸相對工作臺移動的直線度、平行度、垂直度、平面度、跳動等，對于機床的幾何精度和定位精度檢測要打開后臺補償，查閱機床精度補償量，對于補償較大的應(yīng)要求進行硬件調(diào)整或更換。
 

　　（3）機床位置精度檢測
 

　　機床各驅(qū)動軸在數(shù)控系統(tǒng)控制下的定位精度、重復(fù)定位精度、反向差值、原點的復(fù)位精度、位置偏差及定位系統(tǒng)偏差等。一般推薦采用VDI/ DGQ 3441，GB/T17421.2，ISO 230 –2等標(biāo)準(zhǔn)。
 

　　（4）機床工作精度檢測
 

　　對于車削機床、四軸以下機床的工作精度檢測一般推薦NAS試件，如果切削難加工材料或者有其它特殊要求，可適當(dāng)增加未來需加工的典型特征試件；對于五軸機床除了NAS試件外，應(yīng)針對性設(shè)計可檢測外圓與內(nèi)孔同軸度、圓度、傾斜角度、鉆/鏜孔精度及各尺寸精度等的試件；對于航空發(fā)動機難加工材料所用機床，主軸的扭矩、功率、轉(zhuǎn)速要符合加工工況的扭矩/功率/轉(zhuǎn)速曲線圖，不能以單個指標(biāo)去衡量切削性能；尤其對于工作剛度和動態(tài)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?qū)雽?dǎo)出及后處理匹配性；機床負載一定周期下的可靠性與精度保持性；裝夾找正、上下料、維護保養(yǎng)操作便捷性。
 

　　3 存在問題與關(guān)鍵技術(shù)
 

　　新出廠的數(shù)控機床與裝備在檢驗時僅把機床本身的幾何與位置精度、加工精度作為考核測試的標(biāo)準(zhǔn)是遠遠不夠的，必須對機床綜合精度和動態(tài)響應(yīng)特性、連續(xù)運轉(zhuǎn)時間、系統(tǒng)穩(wěn)定性及機床溫升等各項指標(biāo)做出全面的檢測。只有這樣做才能夠保證高速切削數(shù)控機床今后加工性能的穩(wěn)定度[15]。美國航空航天局于1969年發(fā)布了NAS 979標(biāo)準(zhǔn)，這也是此前被行業(yè)公認的試件標(biāo)準(zhǔn)。然而大量的實踐表明，NAS五坐標(biāo)錐臺檢測試件加工時始終處于開角加工區(qū)域，不能準(zhǔn)確反映機床的綜合精度。傳統(tǒng)精度檢測儀器如激光干涉儀、雙球桿儀、激光跟蹤儀等對多軸聯(lián)動誤差和動態(tài)誤差檢驗的局限性逐步顯現(xiàn)。近年來S型試件、RTCP檢驗方法逐漸得以推廣和應(yīng)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(fā)動機企業(yè)對于專用或者復(fù)雜的機床裝備還要設(shè)計專門樣件，進行樣件加工，它是對機床從設(shè)計到制造再到安裝調(diào)試的質(zhì)量和性能的總體檢驗，直接關(guān)系到機床裝備的功能、加工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何精度敏感，而對動態(tài)精度不敏感，按照此標(biāo)準(zhǔn)驗收的五軸機床在加工飛機結(jié)構(gòu)零件復(fù)雜曲面時，大量出現(xiàn)過切、欠切、表面嚴(yán)重波紋等情況。為此，由中國主持修訂、由中航工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司基于航空制造經(jīng)驗及多年自主深入研究成果提出的，ISO10791-7: 2020《加工中心檢驗條件第7部分：精加工試件精度檢驗》標(biāo)準(zhǔn)，獲標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)批準(zhǔn)正式發(fā)布，成為標(biāo)準(zhǔn) [16]。如圖20所示，試件由S形走向的扭曲曲面形成的等厚度緣條和矩形底座組成。S型緣條由上下兩個平面上的四條S形曲線相互交叉構(gòu)成。由于緣條與底平面的夾角連續(xù)變化，在連續(xù)加工S型曲面緣條兩側(cè)時，可檢查五軸數(shù)控機床連續(xù)變軸加工零件表面時的粗糙度、厚度、輪廓誤差等，檢驗機床開、閉角轉(zhuǎn)換時的性能，更好地反映多軸加工中各運動部件的綜合精度和動態(tài)響應(yīng)特性，更能體現(xiàn)航空薄壁件的機床加工性能。在圖20中，直紋面A由兩條準(zhǔn)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制點即Mi(i=0-11)和Ni(i=0-11)定義。與直紋面A相似，直紋面B也由兩條準(zhǔn)均勻三次B樣條曲線進行定義，兩條樣條線分別由兩組控制點Pi(i=0-11)和Qi(i=0-11)定義[17]。
 

 

圖20  S型試件(直紋面A和B)
 

　　（2）RTCP精度檢驗
 

　　隨著用于檢測刀具中心點空間位置誤差的R-test測量儀的研究成熟，可通過三個位移傳感器測量球頭空間位置配合機床刀尖跟隨功能(Rotation Tool Centre Point，RTCP)，快速檢測多軸聯(lián)動時的刀具中心點空間運動誤差。R-test測量裝置的性能主要取決于測量范圍和測量敏感度，應(yīng)該選擇較大測量半徑和較高測量敏感度的測量儀[18]。目前，ISO10971-6標(biāo)準(zhǔn)中針對雙擺頭五軸機床的RTCP檢測用AK4軌跡，操作簡單，無須編寫檢測數(shù)控代碼，但無法反映出航空發(fā)動機零件曲面突變加工時所需的機床動態(tài)性能，在RTCP 檢測軌跡的規(guī)劃過程中，應(yīng)采用更加復(fù)雜的函數(shù)或通過選取點位進行樣條擬合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）樣件設(shè)計與檢測
 

　　航空發(fā)動機零件對于機床的剛度、特殊工位行程可達性、難加工材料切削性、使用便捷性等有苛刻要求。設(shè)計與真實零件特征相似的樣件，觀察樣件加工過程后置處理、刀具路徑規(guī)劃、路徑光順、誤差檢測與補償、原位測量與自適應(yīng)補償?shù)母鞴δ艿倪\行狀況[20]，檢測加工樣件的精度可以有效評價機床的使用性能。
 

　　綜上，對于航空發(fā)動機零件加工的關(guān)鍵設(shè)備，用傳統(tǒng)檢測儀器進行幾何精度和位置精度檢測；對于多軸機床要進行S形試件加工和RTCP精度檢查；對于精加工或難加工材料切削機床要設(shè)計專門樣件進行工作精度檢查。
 

　　4 驗收項目與流程
 

　　重要的機床與設(shè)備采購要經(jīng)過以下九大環(huán)節(jié)才能完成驗收(見圖22)，機床設(shè)計人員應(yīng)該在設(shè)備選型伊始就充分參與進來，并與機床使用的工藝人員充分交流，摸透用戶需求；在機床使用工藝人員要選擇合適的驗收標(biāo)準(zhǔn)，對機床所需的性能進行充分檢驗。
 

圖22 驗收流程邏輯圖
 

　　結(jié)論
 

　　綜上所述，本文根據(jù)航空發(fā)動機零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜特點和加工中的特殊要求，對所需的關(guān)鍵短板裝備性能特點進行分析。通過總結(jié)航空發(fā)動機的設(shè)備選型、性能提升改造、驗收與使用經(jīng)驗，得到以下結(jié)論：
 

　　(1)對于航空發(fā)動機所需的關(guān)鍵與瓶頸裝備，應(yīng)充分發(fā)揮“用、產(chǎn)、學(xué)、研”機制，由用戶牽頭，設(shè)備企業(yè)、高校和研究機構(gòu)參與，研制之初就吃透工藝需求，共同攻關(guān)，新開發(fā)的機床應(yīng)經(jīng)過大量機床測試，通過幾輪迭代創(chuàng)造出符合先進航空發(fā)動機工藝需求的新裝備。
 

　　(2)航空發(fā)動機研制生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長，需要的工藝裝備品種多，要求高。而且發(fā)動機還需要不斷更新?lián)Q代，具有典型的多品種小批量特征，尤其是特種加工設(shè)備，批量不大。對于這些難度高、投資大、批量小的工藝裝備需要國家項目大力支持。
 

　　(3)機床設(shè)計應(yīng)重點關(guān)注結(jié)構(gòu)功能一體化、多種工藝復(fù)合機床的研制，關(guān)注本文提出的共性技術(shù)性能提升。同時，機床設(shè)計者和機床使用者應(yīng)該大膽創(chuàng)新，敢于提出新標(biāo)準(zhǔn)，與行業(yè)協(xié)會和各級標(biāo)準(zhǔn)化組織共同推動建立機床中國標(biāo)準(zhǔn)。
 

　　(4)對于粉末冶金難加工材料高效切削、復(fù)合材料切削加工、復(fù)雜型面(如渦輪盤榫槽等)電加工和磨削加工、激光打孔(單晶葉片氣膜孔)、增材制造等設(shè)備和驗收標(biāo)準(zhǔn)，還有待進一步開發(fā)和研究。
 

　　參 考 文 獻
 

　　[15] 張勁英.高速切削數(shù)控機床的驗收[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2014(36):111-112.
 

　　[16]中國“S試件”五軸機床檢測方法正式成為標(biāo)準(zhǔn). http://www.cmtba.org.cn/level3.jsp?id=4216.
 

　　[17] 陳耿祥,李迎光,郝小忠,劉長青.S試件幾何形狀定義與特性分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2017, 49(06): 793-797.
 

　　[18] 劉大煒,郭志平,宋智勇.一種R-test球頭球心檢測裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法[J].機械工程學(xué)報, 2013, 49(23): 161-166.
 

　　[19] 丁啟程,王偉,姜忠,張靖,杜麗,王立平.五軸機床RTCP檢測的軌跡生成與性能比較[J].機械工程學(xué)報, 2019, 55(20):116-127.
 

　　[20] 畢慶貞.復(fù)雜曲面零件數(shù)控加工的關(guān)鍵問題——解讀《復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工理論與技術(shù)》[J].中國機械工程, 2018, 29(14):1758-1763.
 

　　本文作者及單位：
 

　　于建華1，陸濤1，梁永收2，何艷麗1，陳亞林1，王杰1，李勛3，雷力明1，張渝1
 

　　1.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司；2.航空發(fā)動機高性能制造工業(yè)和信息化部重點實驗室(西北工業(yè)大學(xué))；3. 北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院。