航空发动机零件柔性制造系统技术应用研究

杨杏梅 张 益 宋 文 索鸣阳 周子同

（1.中国航发西安动力控制科技有限公司，西安 710082；2.北京航臻科技有限公司，北京 100101；3.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021）

柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）是一种高度自动化的复杂系统。“柔性”相对于传统“刚性”而言，具有生产过程自动化程度高、设备利用率高、适用范围广等特点。对于具有高度离散生产环境特点的航空制造业，它理想地解决了机械制造流水线高度自动化与小批量产品高柔性化需求之间的矛盾。

随着用户对机械产品的需求向多样化和个性化方向发展，传统的刚性自动化生产线已不能满足生产企业的产品要求。在这种情况下，FMS技术作为一种新兴制造技术，在汽车、电子等机械制造行业得到了快速发展。

1 FMS在航空发动机制造领域中的应用

1.1 航空发动机零部件制造特点

航空发动机具有结构复杂、工作环境恶劣、对零部件轻量化及可靠性要求高等特点[1]。与传统民用机械制造业相比，航空发动机零部件具有其独特特征。

1.1.1 多品种、小批量

航空发动机包含至少数万个不同的零部件，几乎涵盖了轴类、壳体类、壁板类等所有机械特征。为保证在激烈的航空领域市场竞争中保持优势，飞机型号更新极快，导致同种零部件批量较小，难以适用传统刚性流水线生产方式。因此，相关的制造工艺需具有高度的柔性适应能力。

1.1.2 结构复杂，制造难度大

为了保证航空发动机零部件的承力及轻量化性能符合要求，多数零部件结构复杂。零件薄壁特征、复杂型面等难加工特征较多，制造难度大，对机床、夹具及刀具要求较高。

1.1.3 零件尺寸精度要求高

人们对飞机发动机寿命的需求呈不断上升趋势，对零部件装配精度及零部件互换性要求随之增高，导致零件部分尺寸精度要求高、公差小，对加工工艺的精度及一致性提出了更高要求。

1.1.4 生产及制造技术任务艰巨

航空发动机的制造过程极为复杂。以燃气涡轮发动机的核心机为例，压气机叶片需承受极高的由离心力产生的载荷，因此气动、强度和几何形状十分复杂，制造周期缓慢，生产任务艰巨。

1.2 FMS的技术优势

FMS是数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，可进行零件产品加工过程的自动控制、故障自动诊断和处理以及制造信息的自动采集和处理，同时可自动控制和管理工件、刀具和工装等的运输和存储过程，适用于多品种、中小批量生产[2]。此外，通过编制不同自动化加工工艺，FMS可对具有相同零件特征的多种零件进行柔性化加工。

对于航空发动机零部件制造领域而言，FMS具有的多种优势可解决零部件制造过程生产效率低、产品质量一致性差等问题。

1.2.1 生产准备时间少

FMS中零件生产过程由生产管理系统自动进行排产，根据自动化加工工艺在FMS中的不同设备上进行零件不同工序的加工，减少了人工排产过程，使设备利用更加合理化。同时，FMS可实现自动上下料、零件自动装夹找正及自动对刀等功能，大幅缩短了生产准备时间。

1.2.2 产品质量高

FMS中的在机检测系统可对零件进行加工前测试找正、加工工序中余量检测以及加工完成后的尺寸最终检测，同时可对零件尺寸偏差进行自动补偿加工，形成完整的加工闭环。

通过高精度零点定位系统，FMS不仅保证了装夹精度符合产品要求，而且避免了人工装夹过程中可能存在的不稳定因素，最终保证零件尺寸具有高度一致性。

FMS的生产过程信息如切削参数、刀具信息、设备运行情况等均会被采集并存储于生产管理系统，具有可追溯性，便于进行产品质量问题分析和工艺优化改进等工作，有利于保证零件质量[3]。

1.2.3 上线产品自动化工艺规范

2 某厂航空发动机壳体零件生产现状

某厂承接某系列航空发动机壳体零件的生产任务，但在实际执行过程中发现，厂内实际工艺水平较落后。由于设备有效运转工时低于产品所需工时，无法满足生产需求，工厂在此零件的生产供应方面持续处于亏损状态。

现有加工中心内的在线检测、机床监控等功能处于闲置状态，零件的加工过程无法实现自动装夹找正、在线测量以及补偿加工等功能，单机设备运行效率较低[4]。

现加工工艺中大量使用传统压板夹持方式，加工过程中需多次装卸工件，加工效率低下且装夹难度大。

3 FMS在航空发动机壳体零件制造中的应用

针对该类零件加工效率低、设备利用率低等问题，根据零件加工工艺，引进国外顶尖设备供应商，建立完善的柔性生产线。柔性生产线中包含3台HERMLE哈默C43U、2台HELLER恒轮H2000机床以及自动化物流系统（包括机器人、轨道、预调/装载站、架式料仓、防护围栏及安全门等）、三坐标测量机、清洗机、对刀仪、零点定位系统、控制系统及信息化系统等软硬件。柔性生产线布局如图1所示。

图1 柔性生产线布局图

3.1 机床改造

为满足柔性自动生产，需针对线内工厂原有一台四轴卧式加工中心进行自动化改造。增加与柔性加工单元控制系统的通信接口，实现程序调用、夹具自动驱动控制和状态信息处理、加工过程刀具的自动调用、加工时的异常处理、刀具管理功能，开发机器人装、卸料时的握手信号处理，通过宏程序实现自动对刀、自动暖机等功能。

3.1.1 工作台供气改造

通过接口给零点定位卡盘底座提供气源动力。交换托盘底部安装有快拆接头组件，在交换托盘落下的时候可以和工作台中央的分配器连接（相当于插头插座），此时气源管路接通。当交换托盘被交换装置托起时，交换托盘底部的快插接头组件气源断开。

综上所述，籽粒灌浆特性在深松45 cm，D1密度下的各项参数表现最好，说明深松可以有效促进籽粒的灌浆，虽然种植密度的增加对籽粒的灌浆具有一定的减缓作用，但深松条件下可以有效降低向日葵高低密度间的差值，促进向日葵的灌浆。

3.1.2 自动化接口改造

为满足柔性生产系统对零点定位系统的夹紧/松开、自动门开关信号、检测信号接收等功能需求，加工中心需具备数据通信模块和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的输入/输出（Input/Output，I/O）通信能力，实现机床、刀具的状态信息采集，同时使机床、夹具等设备可接收并反馈控制系统的各项指令与信号，加工程序、刀具信息等在柔性加工单元系统与机床间相互传输与远程调用。

3.2 功能开发

3.2.1 机床暖机功能

停机较长时间后的机床再次启动时，机床部件多处于冷温状态，需要在开机后让机床空运行一段时间，使机床部件达到正常运行时的状态，避免在后续加工过程中由于机床零部件温度变化过大而导致精度变差[5]。开发自动暖机运动程序并集成于管控系统，在每次开机后由系统自动执行，实现机床自动暖机。暖机程序以固定进给控制各轴沿全行程往返运动，同时主轴以低转速运转。

3.2.2 机床精度自检功能

受温度变化、重载切削以及机床磨损等影响，机床旋转轴中心位置容易发生偏差。使用机床自带的测头精度校准工具自动检测偏差值，并运用机床刀尖点自动校正功能实现自动校正，自动补偿偏差值，保证加工中心运动精度。该过程不需要人工干预，由系统自动完成。

3.3 自动化夹具定位系统设计

航空发动机壳体零件均为铸件材料，且零件外形不规则，夹持较困难。在原加工工艺中大量使用传统压板夹持方式，以避免加工干涉需多次装卸工件。

为使零件适用于柔性线自动上下料系统，应用含零点定位模块的装夹托板，不仅减少了零件装夹次数，而且降低了操作难度。零点定位模块如图2所示。

图2 零点定位模块

3.4 加工工序分配设计

上线的加工特征多为半精加工，主要加工壳体的异性特征、孔系、空间孔系、油路孔以及螺纹孔等复杂的孔类特征[6-7]。结合工艺设计输入的技术要求、进线产品图纸、出线产品图纸、三维模型以及符合加工的各种标准文件等来制作和分配工序。为了满足自动柔性的节拍合理性，需要对不规则零件进行线下工序准备，以满足上线需求。对零件加工工序进行有序的节拍划分，需充分考虑产线的平衡、高效、稳定以及降低人工劳动强度等多种因素。

3.5 加工程序编制及调试

合理分配机床设备，使其满足零件特征全部稳定在线加工的需求。根据夹具和机床对特征进行分配处理，满足3台五轴加工中心和2台四轴加工中心设备可以同时加工上线零件的需求。

经分析可以确定，上线零件优先进行五轴加工中心斜孔加工后加工四轴特征位置，根据设备及刀库配置对零件进行工序划分（出具相关的PMI文件或3D数模标注），并配置零件加工刀具，配置加工刀头，配置各个刀具的加工参数。确认完数据后，利用UG NX12.0软件对特定的零件进行定制化编程。

在分配工序、编制加工程序后，根据机床系统配置，需要输出对应的加工程序进行实际的加工验证，以确认实际加工的尺寸数据。要输出相关的程序文件之前，需要一个重要的对应设备系统的后处理文件。只有存在对应的后处理文件才能够输出相对应正确的加工程序，以满足对应机床的加工要求。

3.6 FMS应用效果

对航空发动机壳体零件应用具备完善功能的FMS后，实现了在缩短零件加工工时的同时提高了机床利用率，使工厂产能完全满足壳体零件产量并实现盈利。

3.6.1 零件工时减少

对壳体零件工艺进行自动化改造后，零件装夹次数减少和数控程序运行时间缩短，自动化装夹找正及在线检测功能的应用也缩短了零件装夹时间和序中检测时间。优化前后零件单件工时，如表1所示。

表1 上线前后零件工时对比

从表2可看出，两种壳体零件在柔性生产线上进行加工后，单件加工效率最高提效45.0%。

3.6.2 设备利用率提高

应用FMS后，机床设备利用率大幅提高。航空制造领域大多数单台机床有效利用率仅为30%左右，而通过缩短装夹找正、序中人工测量、换刀、对刀等机床停机等待时间，扭力臂零件的加工过程已可实现全天不间断加工，机床设备利用率可达80%左右。

3.6.3 产品质量一致性提高

应用FMS后，大量减少了装夹找正、检测等人工参与环节，避免了人工操作一致性差的问题。上线产品质量稳定，尺寸一致性较高。经统计，产品报废率从应用FMS前的1.5%降低到1.0%以下。

4 结论

通过对航空发动机制造领域某厂柔性生产线进行系统集成及自动化工艺集成等，使该柔性生产线可正常高效运转，并得出以下结论。

（1）FMS作为当今制造自动化技术发展的先进成果，具有生产准备时间少、产品质量高、上线产品自动化工艺规范、对操作者依赖程度低等优势，可有效解决国内航空制造领域中零件批量小、产品质量要求高、加工效率低、机床利用率低等问题，已在部分国内航空制造厂商得到应用。

（2）在应用FMS过程中，需立足自动化加工工艺集成与系统开发集成。缺少系统开发集成、在线检测、自动装夹及自动化加工工艺的柔性制造系统技术，无法真正实现高效自动化加工。自动化加工工艺、刀具管理系统、在线检测系统等并不具有普适性，应针对特定零件进行开发，同时应该保证其规范性和有效性。