全过程无人干预数控车削技术分析

中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司 （辽宁 110043） 杨金发 张 军 杨 楠佟春雷 董 超 杨惠欣

高级工程师 杨金发

随着航空发动机零件的材料越来越难加工，结构越来越复杂，大量新材料、新技术被引入航空发动机零件（见图1）的加工中，这些先进的加工技术不但能提高零件的加工效率，还能有效控制薄壁零件的变形，提高零件的加工质量。

图1 整体叶轮

全过程无人干预数控车削技术特点

全过程无人干预数控车削技术是指在零件加工过程中将加工刀具、加工参数及走刀路线在程序中设定并固化，以达到整个加工过程不需要人为调整就能加工出合格零件的加工方法。这种加工方式在国外的发动机制造行业以及国内其他行业的机械加工中已得到了广泛的应用，但在国内航空发动机制造行业中技术还不够成熟。

相对于传统的数控加工模式，全过程无人干预数控车削技术的特点就是无人干预。这里所说的无人干预是指在零件的加工过程中，无人控制、无人换刀以及无人测量，是数控机床高智能化加工的完美体现。

刀具的选择

编程人员在建立完加工模型后，首先要根据加工部位的特点确定加工刀具，刀具的选择应尽可能选择少的种类，要保证机床刀具库刀位数量够用。加工时程序根据加工需要自动从刀具库中调用所需刀具，不需要工人根据工步卡按程序号调用刀具，所以在编程时需要用的刀具必须放在刀库中指定的位置，否则程序中调用刀具一旦出错就会影响零件的正常加工。数控刀具一般以标准刀具为主。

加工路线的选择

在零件的模型中要建立余量图，将余量均匀地拆分，拆分余量以刀具的切削深度为标准。选择合适的刀具编程，实现均匀去除余量。

同一种刀具去除余量过程中，如果走刀路线过长、刀具磨损严重，无法用一把刀走完整条路线，可在路线中适当位置安排暂停指令，工人可以在此处更换新刀片，此后继续完成整条路线的加工。

走刀路线的安排是整个加工过程中最重要的部分，走刀路线要确保每刀的切削深度都在刀具的承受范围之内，刀具的切削过程最好是均匀地去除余量，如果局部余量过大，容易导致受力不均，造成刀具破损，从而造成零件表面超差。

编程时还须特别注意进、退刀的位置。因为不需加刀补值，所以不需考虑进、退刀偏置情况，编程时的进刀点就是实际加工时的进刀点。进、退刀点的远近要根据零件的实际状况确定。

加工参数的设置

“无人干预数控车削”这种加工方式的换刀及对刀均是在程序中设定好的，选定刀具后进行对刀，把刀长和刀具半径输入到相应的地址中后，将每把刀具放在刀库中指定的位置，用程序自动调用。

以某零件精车为例，采用数控立车加工，将工序所要用的7把刀放在刀库中相应的位置，并将刀位号记录好，将每把刀的刀长和刀具半径输入到相应的地址中。本工序有一个刀杆需要放置两种刀片，两种刀片对刀时的刀长及半径存在差异，将两种刀的两个参数分别放在同一个刀位号的两个不同的地址号D1、D2中。编程时使用这两种刀具的地址号分别为D1、D2，不同刀具参数所放置的寄存器地址一定要与编程时所写的地址一致。

编程时将对应的刀位号在程序中设定好，调出刀具后利用对刀仪自动对刀。

编程时，在需要换刀及对刀的位置编写程序段，将程序段中刀具号及参数地址号按实际使用刀具修改，就可以实现自动换刀及对刀。

在程序中调出刀具后安排暂停程序，目的是让工人检查刀片情况，看是否能完成下一步加工，如果刀具磨损严重须及时更换，更换后方可继续零件的加工。

“无人干预数控车切削”这种加工方式的另一个重要部分就是加工参数的固定。

以往的数控车加工过程中，工人大多通过机床上的倍率开关调节加工参数的大小，主要是进给率。在非切削部分，工人将进给率调至130%以减少空走刀时间，在切削余量增大时则将进给率调至60%甚至更低，以降低刀具承受的冲击。这些调整对整个加工过程都是有利的，但工人调整这些参数很可能出现人为失误，会对零件的加工过程造成不良的影响。

“无人干预数控车削”这种加工方式通过细化余量及走刀路线，尽可能地减少空走刀路线，在空走刀时程序中加大进给率；同时在余量骤增、骤减处自动降低或增加进给率。这样，工人在整个加工过程中就不需要参与进给率的调整工作了。

在走刀路线选择的时候已将走刀余量细化均匀，在刀具进入拐角之前应降低进给率至正常切削时的一半左右，在刀具走出拐角时将进给率恢复正常，这样就可以满足无人干预调整加工参数的要求了。

这些工作都是在编程时做的准备，在零件生产时可根据机床功率的变化情况对加工参数进行调整。将空走刀路线缩短或提高进给率；在功率大于正常值位置适当降低进给率。所有调整均在程序中进行，调整后的程序继续试加工零件，直至加工参数合理为止。

高级编程语言的应用

对一些尺寸精度要求比较高的零件，就需要借助高级编程语言及先进的机内测量机构来保证零件合格了。

加工一个精度特别高的零件尺寸是不可能一次加工合格的。由于加工时存在让刀现象，所以往往加工后的实际尺寸和理论计算尺寸会有些许误差。误差的大小和零件的材料以及采用的刀具等诸多因素有关。如果要加工的尺寸很精，通常采取的办法是在剩余余量很少的情况下不断测量零件实际值，再根据测量实际值继续上刀加工，直到尺寸合格为止。这种方法有两个重要环节需要由工人完成，一是由工人使用测具对尺寸进行测量；二是由工人计算实际值与理论值的差距，并将差值输入机床里。理想的无人干预加工方式采用机内对刀及测量仪器在线测量来消除人为因素对加工造成的干扰。粗加工完成后程序暂停，机内测头对加工尺寸进行在线测量，程序中将测量实际值与理论值进行比较，若合格则进行下一个尺寸加工，若不合格则根据两者比较差值继续上刀加工，直到加工尺寸合格为止。

这种加工方法完全消除了数控加工过程中人为因素的干扰，影响零件尺寸的关键因素都是在程序中进行计算，这样就避免了因人为失误而造成的零件超差。人的主观失误是难免的，这种失误不是单单靠硬性的要求就可以避免的，要想完全消除人为失误，唯一的方法就是消除人的参与。无人干预数控加工方式就是消除人的参与的加工方式，除了消除人的干预，同时还要能检测出设备的突发错误，才能更好地保证零件的加工。设备突发错误主要出现在测量方面，测量方面有时可能存在测头损坏或测量位置不佳，需要在程序中限定上刀值，若根据实际测量结果计算出的上刀值超出安全值范围，程序应暂停并报警 ，待问题解决后继续运行程序。

程序中完全消除人的干预是个理想的状态，然而目前不是所有的数控车床都具备在线测量的功能，这样就无法实现自动测量、自动计算及自动上刀的过程。没有在线测量就需要由工人测量零件加工尺寸，再根据测量尺寸上刀加工。可以让工人输入测量的实际值，由程序对实际值和理论值进行比较计算，再根据程序计算尺寸进行上刀加工。这样不需要工人对测量尺寸进行计算，只需要工人测量出零件的实际值，并将实际值输入机床（见图2），避免了工人出现计算错误的情况。在程序中还可以增加对输入尺寸的限制功能，限制输入尺寸的范围可以有效避免工人输入实际值输错造成的零件尺寸超差现象。

图2 车铣复合加工机床

要实现无人干预程序自动测量、自动上刀以及防错等功能，就需要高级编程语句。程序中要有完整的结构，用以解决所有加工中可能出现的问题，消除人的因素在解决问题过程中产生的干扰，实现整个加工过程的无人干预式加工。

经过程序调整之后，工人只需要在相应的刀位上准备好刀具，然后按下启动键就可以正常加工了。整个加工过程，工人不需再考虑下一刀刀补上多大、加工哪个部位需要调低进给率等问题，这样就大大减轻了工人在加工过程中的劳动强度，降低了加工出错的几率。

航空发动机零件材料大都为难切削材料，刀具极易磨损，因此对刀具寿命进行精确的统计、掌握换刀的最佳时机尤为重要。“无人干预数控车削”这种加工方式的采用是通过减少零件生产过程中人的因素造成的误差，从而提高了零件加工质量。这种加工模式是将加工过程中需要由工人决定的问题在数控程序中解决，消除了由于人的主观因素造成的零件尺寸超差。

结语

随着数控车床越来越多地应用到盘类、机匣类零件的加工中，传统的加工方法已经不能完全满足生产的需要，无人干预数控车削技术将不断完善，广泛开展对数控机床自动换刀功能、刀具寿命管理、在线测量技术、零件变形控制及刀具切削参数优化等相关技术的研究和应用，最终实现航空发动机零件的高效率、高质量和低成本加工。