航空發(fā)動機(jī)主燃機(jī)匣智能加工技術(shù)有多牛

航空發(fā)動機(jī)主燃機(jī)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(jī)床冷卻等的影響，經(jīng)常出現(xiàn)刀具破損斷裂情況，機(jī)床主軸負(fù)載劇烈變化，造成零件報(bào)廢及損害機(jī)床。

發(fā)動機(jī)主燃機(jī)匣采用傳統(tǒng)方法加工時(shí)，由NC程序設(shè)定恒定進(jìn)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(shí)，操作人員需手動調(diào)整倍率開關(guān)調(diào)節(jié)進(jìn)給大小，難以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)控，并調(diào)整機(jī)匣加工過程的進(jìn)給。傳統(tǒng)加工無法將成熟加工經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，無法實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)主燃機(jī)匣加工過程的監(jiān)控及加工參數(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)化。

發(fā)動機(jī)主燃機(jī)匣加工現(xiàn)引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)。通過控制器硬件與機(jī)床NC系統(tǒng)之間的接口連接，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、主軸轉(zhuǎn)矩、進(jìn)給速度和進(jìn)給力等切削參數(shù)優(yōu)化控制?？蓪?shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)單臺機(jī)床實(shí)時(shí)監(jiān)控。內(nèi)部智能專家系統(tǒng)可實(shí)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(shí)際狀態(tài)信息。②綜合分析檢測的主軸負(fù)載、刀具切削參數(shù)。③實(shí)時(shí)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(yàn)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(shí)，動態(tài)優(yōu)化切削參數(shù)，優(yōu)化加工過程。通過調(diào)整進(jìn)給量，將加工過程調(diào)節(jié)到最優(yōu)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)加工優(yōu)化及實(shí)時(shí)監(jiān)測，解決燃燒室機(jī)匣加工中困擾技術(shù)人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控主軸負(fù)載問題。1.零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)

發(fā)動機(jī)主燃機(jī)匣零件結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，外形有安裝邊、加強(qiáng)筋、噴嘴安裝座和型槽等特征。機(jī)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(jī)床切削液供給不足時(shí)，操作人員無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。零件加工周期長，制造成本高，加工時(shí)間無法精確統(tǒng)計(jì)。操作人員無法解決機(jī)床負(fù)載變化導(dǎo)致的零件超差及損害機(jī)床等問題。發(fā)動機(jī)主燃機(jī)匣零件如圖1所示。

圖1燃燒室機(jī)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(jī)主燃機(jī)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(shí)，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(shí)變化，并將其作為后續(xù)零件的切削標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)，控制系統(tǒng)就會自動發(fā)出功率異常報(bào)警信息，提醒更換刀具，監(jiān)測刀具磨損。運(yùn)用自適應(yīng)控制技術(shù)，加工中可通過主軸過載報(bào)警曲線圖隨時(shí)監(jiān)測刀具磨損狀態(tài)，如圖2所示。圖2中縱坐標(biāo)橙色部分表示刀具磨損時(shí)主軸過載隨時(shí)間變化。藍(lán)色表示刀具切削材料隨時(shí)間變化。綠色表示切削載荷控制系統(tǒng)啟動狀態(tài)隨時(shí)間變化。灰色表示主軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)隨時(shí)間變化，紅色線條表示進(jìn)給倍率曲線隨時(shí)間變化，綠色線條表示主軸功率隨時(shí)間變化。紅色三角符號表示警報(bào)信息。橫坐標(biāo)表示加工時(shí)間。對于任何刀具，當(dāng)?shù)毒吣p達(dá)到“警報(bào)”過載極限時(shí)，切削載荷控制系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)信息。根據(jù)報(bào)警信息，系統(tǒng)發(fā)出更換刀具、修改切削進(jìn)給量的指令控制整個切削過程。刀具磨損變化時(shí)，無需調(diào)整機(jī)床倍率及人為干預(yù)加工。

（2）機(jī)床主軸負(fù)載控制

傳統(tǒng)加工方法無法對主軸負(fù)載的變化進(jìn)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(shí)通過人工調(diào)整機(jī)床各參數(shù)開關(guān)控制切削參數(shù)，使主軸負(fù)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(fù)載，能根據(jù)主軸負(fù)載的變化量即時(shí)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(shí)現(xiàn)恒速度加工向恒負(fù)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(jī)床切削液供冷故障等異常狀態(tài)時(shí)，切削載荷控制系統(tǒng)就會自動將進(jìn)給速率衰減到合理范圍。

圖3所示為某發(fā)動機(jī)主燃機(jī)匣加工中的主軸負(fù)載變化曲線圖，圖中縱坐標(biāo)表示加工時(shí)間，橫坐標(biāo)是對主軸過載狀態(tài)、主軸切削狀態(tài)、功率及進(jìn)給隨時(shí)間變化的描述曲線。隨著主軸負(fù)載增加，系統(tǒng)自動降低切削速度，當(dāng)切削速度達(dá)到設(shè)定的下限值時(shí)，系統(tǒng)強(qiáng)行停止設(shè)備，并發(fā)出報(bào)警信息(進(jìn)給速率小于設(shè)定下限，停機(jī)，主軸過載保護(hù)設(shè)置為“立即停止”)。切削載荷控制系統(tǒng)判斷主軸負(fù)載是否達(dá)到主軸承載最大值，當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)，通過降低進(jìn)給大小，使切削負(fù)荷滿足系統(tǒng)中設(shè)置的主軸負(fù)載安全值。只要主軸負(fù)載允許，切削載荷控制系統(tǒng)將進(jìn)給提高到最大允負(fù)荷水平。在保護(hù)機(jī)床主軸情況下恒負(fù)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(jìn)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(shí)切削參數(shù)與系統(tǒng)庫中理論參數(shù)對比，自動補(bǔ)償NC程序設(shè)定的恒定進(jìn)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(jī)匣加工過程更加優(yōu)化，不僅起到防止刀具碰撞、保護(hù)機(jī)床的功能，同時(shí)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(jī)匣加工，編程人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以設(shè)備承受最大負(fù)載設(shè)定加工進(jìn)給。而實(shí)際處于最大載荷時(shí)間段只占生產(chǎn)時(shí)間很少部分，絕大多數(shù)時(shí)間機(jī)床是處于非飽和加工狀態(tài)。利用切削參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)，使機(jī)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(jī)主燃機(jī)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(jī)主燃機(jī)匣切削參數(shù)優(yōu)化前加工時(shí)間為249727s，優(yōu)化后所用時(shí)間為207193s，效率提升率為17.03％。統(tǒng)計(jì)時(shí)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(shí)間，機(jī)匣加工時(shí)間精確至秒。

3.結(jié)語通過研究，得出以下結(jié)論：

（1）實(shí)現(xiàn)對主軸負(fù)載實(shí)時(shí)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(diǎn)、余量突變、刀具碰撞零件和冷卻系統(tǒng)故障時(shí)，通過優(yōu)化進(jìn)給避免了切削沖擊主軸，實(shí)現(xiàn)了恒速度加工向恒負(fù)載加工的轉(zhuǎn)變。

（2）實(shí)現(xiàn)刀具磨損監(jiān)測，保護(hù)刀具