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　　【机床商务网栏目 科技动态】接2020年5月6日“航空发动机零组件加工特点与装备分析”及2020年5月7日“航空发动机制造装备的性能需求"。因原文较长，为便于阅读，经与作者商议，将其拆分成相对独立的3篇文章陆续发布，但保留原文图片及参考文献的编号。若想一气呵成看全文，请关注《世界制造技术与装备市场(WMEM)》杂志2020年第3期“航空发动机加工装备的性能需求与验收关键技术”一文。
 

　　——编者注
 

　　1 验收流程
 

　　设备选型：这个阶段是设备厂商了解用户需求的重要阶段，是保证设备满足后期使用要求的前提。机床企业的设计代表和航空用户的工艺代表应进行多轮次的技术交流，将设备的功能、性能、配置、数控系统、精度、使用便捷性、可靠性等逐项落实。如果是重要设备，要专门设计样件进行试切加工，对功能和性能可行性进行验证，终形成指导设备选型的《技术规格书》。对于新研制设备，探索机床企业与航空用户企业关键技术人员交叉任职、较长时期交流办公等深度融合的工作机制，有利于推动机床与航空发动机制造的匹配发展。
 

　　招标投标：由设备厂商的销售代表和航空用户的商务代表依据《技术规格书》和招投标法规完成。
 

　　技术协议：对设备的用途、功能、结构形式、主要技术指标、安装要求、关键部件配置、验收执行标准、供货范围及其他特殊要求做出约定，形成《技术协议》。
 

　　合同签订：由设备厂商的销售代表和航空用户的商务代表依据《技术协议》和合同法规完成。
 

　　设备预验收：这是至关重要的环节，尤其对于有特殊要求的设备，应该将特殊的性能要求充分进行加工验证，如有必要甚至可以创新性地设计新的验收标准。预验收主要检查、验证所购置的机床能否满足自身产品的加工质量及生产效率要求，提供的资料、备附件等是否齐全，具体内容根据《技术协议》中的要求。需要注意的是：机床通过正常运行试加工并经整体检验合格后，购置方才能进行预验收工作，预验收通过后可以向用户厂家发运机床。
 

　　设备终验收：主要包括到货后开箱验收、安装过程验收、安装后总体验收。对于分体运输的大型设备，在用户场地对经过长途运输后的各部件安装组合精度进行恢复调试更有利于机床的精度保证和运输隐患排查。机床验收时的所有验收记录都应有签字确认，并交由用户设备主管部门保管存档。
 

　　2 验收内容
 

　　航空发动机数控机床与装备的验收是指利用高精度仪器对机床本身的机械、电路、液压和气动装置等各系统进行综合使用性能、单项使用性能和静态及动态精度检测的过程，后给出本机床性能的综合评估。验收的项目主要有以下五部分内容。
 

　　（1）机床外观功能检测
 

　　主机及各零部件有无磕碰损伤、锈蚀等现象；各系统的动作试验、空载/负荷运转试验。
 

　　（2）机床几何精度检测
 

　　各运动轴相对工作台移动的直线度、平行度、垂直度、平面度、跳动等，对于机床的几何精度和定位精度检测要打开后台补偿，查阅机床精度补偿量，对于补偿较大的应要求进行硬件调整或更换。
 

　　（3）机床位置精度检测
 

　　机床各驱动轴在数控系统控制下的定位精度、重复定位精度、反向差值、原点的复位精度、位置偏差及定位系统偏差等。一般推荐采用VDI/ DGQ 3441，GB/T17421.2，ISO 230 –2等标准。
 

　　（4）机床工作精度检测
 

　　对于车削机床、四轴以下机床的工作精度检测一般推荐NAS试件，如果切削难加工材料或者有其它特殊要求，可适当增加未来需加工的典型特征试件；对于五轴机床除了NAS试件外，应针对性设计可检测外圆与内孔同轴度、圆度、倾斜角度、钻/镗孔精度及各尺寸精度等的试件；对于航空发动机难加工材料所用机床，主轴的扭矩、功率、转速要符合加工工况的扭矩/功率/转速曲线图，不能以单个指标去衡量切削性能；尤其对于工作刚度和动态性能会有针对性的验收措施。
 

　　（5）机床综合性能检测
 

　　机床软件程序导入导出及后处理匹配性；机床负载一定周期下的可靠性与精度保持性；装夹找正、上下料、维护保养操作便捷性。
 

　　3 存在问题与关键技术
 

　　新出厂的数控机床与装备在检验时仅把机床本身的几何与位置精度、加工精度作为考核测试的标准是远远不够的，必须对机床综合精度和动态响应特性、连续运转时间、系统稳定性及机床温升等各项指标做出全面的检测。只有这样做才能够保证高速切削数控机床今后加工性能的稳定度[15]。美国航空航天局于1969年发布了NAS 979标准，这也是此前被行业公认的试件标准。然而大量的实践表明，NAS五坐标锥台检测试件加工时始终处于开角加工区域，不能准确反映机床的综合精度。传统精度检测仪器如激光干涉仪、双球杆仪、激光跟踪仪等对多轴联动误差和动态误差检验的局限性逐步显现。近年来S型试件、RTCP检验方法逐渐得以推广和应用，有效弥补了五轴机床加工航空难加工材料时工作性能检测的短板。此外，航空发动机企业对于专用或者复杂的机床装备还要设计专门样件，进行样件加工，它是对机床从设计到制造再到安装调试的质量和性能的总体检验，直接关系到机床装备的功能、加工精度和综合加工能力的可靠性。
 

　　（1）S型试件检测
 

　　NAS试件主要对机床的几何精度敏感，而对动态精度不敏感，按照此标准验收的五轴机床在加工飞机结构零件复杂曲面时，大量出现过切、欠切、表面严重波纹等情况。为此，由中国主持修订、由中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司基于航空制造经验及多年自主深入研究成果提出的，ISO10791-7: 2020《加工中心检验条件第7部分：精加工试件精度检验》标准，获标准化组织(ISO)批准正式发布，成为标准 [16]。如图20所示，试件由S形走向的扭曲曲面形成的等厚度缘条和矩形底座组成。S型缘条由上下两个平面上的四条S形曲线相互交叉构成。由于缘条与底平面的夹角连续变化，在连续加工S型曲面缘条两侧时，可检查五轴数控机床连续变轴加工零件表面时的粗糙度、厚度、轮廓误差等，检验机床开、闭角转换时的性能，更好地反映多轴加工中各运动部件的综合精度和动态响应特性，更能体现航空薄壁件的机床加工性能。在图20中，直纹面A由两条准均匀三次B样条曲线定义，这两条B样条曲线分别由两组控制点即Mi(i=0-11)和Ni(i=0-11)定义。与直纹面A相似，直纹面B也由两条准均匀三次B样条曲线进行定义，两条样条线分别由两组控制点Pi(i=0-11)和Qi(i=0-11)定义[17]。
 

 

图20  S型试件(直纹面A和B)
 

　　（2）RTCP精度检验
 

　　随着用于检测刀具中心点空间位置误差的R-test测量仪的研究成熟，可通过三个位移传感器测量球头空间位置配合机床刀尖跟随功能(Rotation Tool Centre Point，RTCP)，快速检测多轴联动时的刀具中心点空间运动误差。R-test测量装置的性能主要取决于测量范围和测量敏感度，应该选择较大测量半径和较高测量敏感度的测量仪[18]。目前，ISO10971-6标准中针对双摆头五轴机床的RTCP检测用AK4轨迹，操作简单，无须编写检测数控代码，但无法反映出航空发动机零件曲面突变加工时所需的机床动态性能，在RTCP 检测轨迹的规划过程中，应采用更加复杂的函数或通过选取点位进行样条拟合的方式生成检测轨迹(如S型轨迹)，以提升检测性能[19]。
 

图21  RTCP精度检测
 

　　（3）样件设计与检测
 

　　航空发动机零件对于机床的刚度、特殊工位行程可达性、难加工材料切削性、使用便捷性等有苛刻要求。设计与真实零件特征相似的样件，观察样件加工过程后置处理、刀具路径规划、路径光顺、误差检测与补偿、原位测量与自适应补偿的各功能的运行状况[20]，检测加工样件的精度可以有效评价机床的使用性能。
 

　　综上，对于航空发动机零件加工的关键设备，用传统检测仪器进行几何精度和位置精度检测；对于多轴机床要进行S形试件加工和RTCP精度检查；对于精加工或难加工材料切削机床要设计专门样件进行工作精度检查。
 

　　4 验收项目与流程
 

　　重要的机床与设备采购要经过以下九大环节才能完成验收(见图22)，机床设计人员应该在设备选型伊始就充分参与进来，并与机床使用的工艺人员充分交流，摸透用户需求；在机床使用工艺人员要选择合适的验收标准，对机床所需的性能进行充分检验。
 

图22 验收流程逻辑图
 

　　结论
 

　　综上所述，本文根据航空发动机零件结构的复杂特点和加工中的特殊要求，对所需的关键短板装备性能特点进行分析。通过总结航空发动机的设备选型、性能提升改造、验收与使用经验，得到以下结论：
 

　　(1)对于航空发动机所需的关键与瓶颈装备，应充分发挥“用、产、学、研”机制，由用户牵头，设备企业、高校和研究机构参与，研制之初就吃透工艺需求，共同攻关，新开发的机床应经过大量机床测试，通过几轮迭代创造出符合先进航空发动机工艺需求的新装备。
 

　　(2)航空发动机研制生产准备周期长，需要的工艺装备品种多，要求高。而且发动机还需要不断更新换代，具有典型的多品种小批量特征，尤其是特种加工设备，批量不大。对于这些难度高、投资大、批量小的工艺装备需要国家项目大力支持。
 

　　(3)机床设计应重点关注结构功能一体化、多种工艺复合机床的研制，关注本文提出的共性技术性能提升。同时，机床设计者和机床使用者应该大胆创新，敢于提出新标准，与行业协会和各级标准化组织共同推动建立机床中国标准。
 

　　(4)对于粉末冶金难加工材料高效切削、复合材料切削加工、复杂型面(如涡轮盘榫槽等)电加工和磨削加工、激光打孔(单晶叶片气膜孔)、增材制造等设备和验收标准，还有待进一步开发和研究。
 

　　参 考 文 献
 

　　[15] 张劲英.高速切削数控机床的验收[J].科技创新与应用, 2014(36):111-112.
 

　　[16]中国“S试件”五轴机床检测方法正式成为标准. http://www.cmtba.org.cn/level3.jsp?id=4216.
 

　　[17] 陈耿祥,李迎光,郝小忠,刘长青.S试件几何形状定义与特性分析[J].南京航空航天大学学报, 2017, 49(06): 793-797.
 

　　[18] 刘大炜,郭志平,宋智勇.一种R-test球头球心检测装置结构优化设计方法[J].机械工程学报, 2013, 49(23): 161-166.
 

　　[19] 丁启程,王伟,姜忠,张靖,杜丽,王立平.五轴机床RTCP检测的轨迹生成与性能比较[J].机械工程学报, 2019, 55(20):116-127.
 

　　[20] 毕庆贞.复杂曲面零件数控加工的关键问题——解读《复杂曲面零件五轴数控加工理论与技术》[J].中国机械工程, 2018, 29(14):1758-1763.
 

　　本文作者及单位：
 

　　于建华1，陆涛1，梁永收2，何艳丽1，陈亚林1，王杰1，李勋3，雷力明1，张渝1
 

　　1.中国航发商用航空发动机有限责任公司；2.航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室(西北工业大学)；3. 北京航空航天大学机械工程及自动化学院。