航空發(fā)動機主燃機匣智能加工技術(shù)有多牛

航空發(fā)動機主燃機匣工作條件苛刻，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料加工難度大。受零件材料組織、加工余量和機床冷卻等的影響，經(jīng)常出現(xiàn)刀具破損斷裂情況，機床主軸負載劇烈變化，造成零件報廢及損害機床。

發(fā)動機主燃機匣采用傳統(tǒng)方法加工時，由NC程序設(shè)定恒定進給量加工，當(dāng)出現(xiàn)特殊情況(刀具損耗破損、材料組織不均勻余量突變、刀具碰撞零件和冷卻系統(tǒng)故障)時，操作人員需手動調(diào)整倍率開關(guān)調(diào)節(jié)進給大小，難以準確實時監(jiān)控，并調(diào)整機匣加工過程的進給。傳統(tǒng)加工無法將成熟加工經(jīng)驗與科學(xué)數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，無法實現(xiàn)發(fā)動機主燃機匣加工過程的監(jiān)控及加工參數(shù)的實時優(yōu)化。

發(fā)動機主燃機匣加工現(xiàn)引進自適應(yīng)控制技術(shù)。通過控制器硬件與機床NC系統(tǒng)之間的接口連接，實現(xiàn)對機床主軸轉(zhuǎn)速、主軸轉(zhuǎn)矩、進給速度和進給力等切削參數(shù)優(yōu)化控制。可實時動態(tài)監(jiān)控切削參數(shù)，并將這些參數(shù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。通過內(nèi)部智能專家系統(tǒng)監(jiān)控分析切削過程參數(shù)狀況，實現(xiàn)單臺機床實時監(jiān)控。內(nèi)部智能專家系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：①獲取加工中振動、切削力、刀具磨損、材質(zhì)變化、切削余量突變和冷卻系統(tǒng)故障等實際狀態(tài)信息。②綜合分析檢測的主軸負載、刀具切削參數(shù)。③實時感知預(yù)測加工工況。

內(nèi)部智能專家系統(tǒng)讀取庫中經(jīng)驗數(shù)據(jù)和加工信息，分析判斷加工狀態(tài)是否理想，不理想時，動態(tài)優(yōu)化切削參數(shù)，優(yōu)化加工過程。通過調(diào)整進給量，將加工過程調(diào)節(jié)到最優(yōu)狀態(tài)，實現(xiàn)加工優(yōu)化及實時監(jiān)測，解決燃燒室機匣加工中困擾技術(shù)人員的實時監(jiān)控主軸負載問題。1.零件結(jié)構(gòu)特點及加工難點

發(fā)動機主燃機匣零件結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，外形有安裝邊、加強筋、噴嘴安裝座和型槽等特征。機匣材料為GH4169，Ⅱ類鍛件，硬度≤277HBW，材料屬難加工材料，數(shù)控加工難度大，加工中使用整體合金刀具數(shù)量非常多。加工過程中出現(xiàn)異常后，需操作人員手動調(diào)整、操作人員加工中不能離開設(shè)備。當(dāng)出現(xiàn)刀具磨損斷裂、加工余量突變和機床切削液供給不足時，操作人員無法及時發(fā)現(xiàn)問題。零件加工周期長，制造成本高，加工時間無法精確統(tǒng)計。操作人員無法解決機床負載變化導(dǎo)致的零件超差及損害機床等問題。發(fā)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(yīng)控制加工技術(shù)

（1）刀具磨損監(jiān)測

發(fā)動機主燃機匣傳統(tǒng)加工方法，一般通過判斷刀刃崩裂、零件表面質(zhì)量、切屑顏色和切削聲音等簡單方式識別刀具磨損，而在全封閉設(shè)備上加工時，無法通過目視觀察和聲音變化來發(fā)現(xiàn)刀具斷裂、崩齒和磨損等意外情況的發(fā)生。刀具磨損及使用壽命不能有效監(jiān)控。自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠記錄首件加工過程中主軸功率的即時變化，并將其作為后續(xù)零件的切削標準。在后續(xù)零件的切削過程中一旦出現(xiàn)因刀具磨損造成主軸功率發(fā)生較大變化時，控制系統(tǒng)就會自動發(fā)出功率異常報警信息，提醒更換刀具，監(jiān)測刀具磨損。運用自適應(yīng)控制技術(shù)，加工中可通過主軸過載報警曲線圖隨時監(jiān)測刀具磨損狀態(tài)，如圖2所示。圖2中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間變化。綠色表示切削載荷控制系統(tǒng)啟動狀態(tài)隨時間變化。灰色表示主軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)隨時間變化，紅色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變化。紅色三角符號表示警報信息。橫坐標表示加工時間。對于任何刀具，當(dāng)?shù)毒吣p達到“警報”過載極限時，切削載荷控制系統(tǒng)發(fā)出警報信息。根據(jù)報警信息，系統(tǒng)發(fā)出更換刀具、修改切削進給量的指令控制整個切削過程。刀具磨損變化時，無需調(diào)整機床倍率及人為干預(yù)加工。

（2）機床主軸負載控制

傳統(tǒng)加工方法無法對主軸負載的變化進行直接監(jiān)控，一般通過主軸聲音變化來判斷是否正常切削，非正常切削時通過人工調(diào)整機床各參數(shù)開關(guān)控制切削參數(shù)，使主軸負載控制在額定范圍之內(nèi)。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)可精確控制整個加工過程中的主軸負載，能根據(jù)主軸負載的變化量即時調(diào)整切削參數(shù)，保證主軸的切削功率維持在一定的范圍之內(nèi)，實現(xiàn)恒速度加工向恒負載加工的轉(zhuǎn)變。加工過程一旦出現(xiàn)刀具破損斷裂、刀具切入切出零件、零件材料組織不均勻、零件加工余量突變和機床切削液供冷故障等異常狀態(tài)時，切削載荷控制系統(tǒng)就會自動將進給速率衰減到合理范圍。

圖3所示為某發(fā)動機主燃機匣加工中的主軸負載變化曲線圖，圖中縱坐標表示加工時間，橫坐標是對主軸過載狀態(tài)、主軸切削狀態(tài)、功率及進給隨時間變化的描述曲線。隨著主軸負載增加，系統(tǒng)自動降低切削速度，當(dāng)切削速度達到設(shè)定的下限值時，系統(tǒng)強行停止設(shè)備，并發(fā)出報警信息(進給速率小于設(shè)定下限，停機，主軸過載保護設(shè)置為“立即停止”)。切削載荷控制系統(tǒng)判斷主軸負載是否達到主軸承載最大值，當(dāng)達到最大值時，通過降低進給大小，使切削負荷滿足系統(tǒng)中設(shè)置的主軸負載安全值。只要主軸負載允許，切削載荷控制系統(tǒng)將進給提高到最大允負荷水平。在保護機床主軸情況下恒負載加工零件。

（3）切削參數(shù)優(yōu)化

傳統(tǒng)加工在NC程序中給定了固定的切削參數(shù)，設(shè)備只能按照給定的參數(shù)加工，存在空走刀及進退刀速度慢過程。切削過程不能根據(jù)余量大小調(diào)整切削參數(shù)，造成加工效率低、加工質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠?qū)⒓磿r切削參數(shù)與系統(tǒng)庫中理論參數(shù)對比，自動補償NC程序設(shè)定的恒定進給，優(yōu)化切削參數(shù)至最合適范圍，使整個加工過程的切削參數(shù)更加科學(xué)優(yōu)化。使用切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)后，燃燒室機匣加工過程更加優(yōu)化，不僅起到防止刀具碰撞、保護機床的功能，同時也縮短了零件的加工周期。

以φ16R4mm整體硬質(zhì)合金銑刀切削為例，在應(yīng)用切削載荷控制系統(tǒng)前毎把刀具只能加工3處噴嘴座，應(yīng)用后每把刀具可加工5處噴嘴座。刀具壽命明顯提升。

傳統(tǒng)機匣加工，編程人員根據(jù)經(jīng)驗以設(shè)備承受最大負載設(shè)定加工進給。而實際處于最大載荷時間段只占生產(chǎn)時間很少部分，絕大多數(shù)時間機床是處于非飽和加工狀態(tài)。利用切削參數(shù)實時優(yōu)化技術(shù)，使機床加工始終處于飽和狀態(tài)。在保證設(shè)備安全和零件質(zhì)量前提下，挖據(jù)設(shè)備利用率。發(fā)動機主燃機匣應(yīng)用切削參數(shù)優(yōu)化前后加工效率提升見表1，表中僅列出部分刀具提升效率。

發(fā)動機主燃機匣切削參數(shù)優(yōu)化前加工時間為249727s，優(yōu)化后所用時間為207193s，效率提升率為17.03％。統(tǒng)計時間中不含工件的裝夾、找正、對刀、換刀、程序校對和測量等輔助時間，機匣加工時間精確至秒。

3.結(jié)語通過研究，得出以下結(jié)論：

（1）實現(xiàn)對主軸負載實時監(jiān)測

當(dāng)加工中刀具損耗或破損、材質(zhì)不均勻、材料硬點、余量突變、刀具碰撞零件和冷卻系統(tǒng)故障時，通過優(yōu)化進給避免了切削沖擊主軸，實現(xiàn)了恒速度加工向恒負載加工的轉(zhuǎn)變。

（2）實現(xiàn)刀具磨損監(jiān)測，保護刀具