航空发动机精锻叶片数字化加工生产线的探索与实践
航空发动机精锻叶片数字化加工生产线的探索与实践
航空发动机精锻叶片数字化加工生产线的探索与实践，从上世纪七十年代以前的普通铣床仿形加工，逐步发展到八十年代～九十年代初期的五轴联动数控加工，以及九十年代后期精益生产单元，到二十一世纪的数字化生产线，跨越了漫长的四十年历程。
第一部分 建设背景和目标
从上世纪七十年代以前的普通铣床仿形加工，逐步发展到八十年代～九十年代初期的五轴联动数控加工，以及九十年代后期精益生产单元，到二十一世纪的数字化生产线，跨越了漫长的四十年历程。磨削螺纹工钳钻车12345成品毛料清洗工具普通设备数控设备精益生产单元数字化生产线
1、叶片制造技术发展历程
一、建设背景和目标
自动化数字化智能化智能制造“人脑分析+机器制造”自适应自感知自诊断自决策“机器分析+机器制造”自修复
2、先进制造技术发展趋势
现在未来集成化
一、建设背景和目标
西航通过多年的研究和探索，已掌握精锻叶片精密定位、多种叶型、榫头、阻尼台的数控加工技术，具备一定的钛合金、高温合金叶片制造和研发能力。但与国外先进水平相比还存在下述问题：
混线生产，专业化、集成化程度低数控加工准备时间、辅助时间占用过多信息化程度低，周转、等待、协调时间长无余量精锻叶片的精密加工硬装夹技术尚未突破自适应加工技术应用水平较低研制成本高、风险大
3、国内外技术水平差距
一、建设背景和目标
4、数字化制造技术及其优势
毛坯数字化是指通过扫描逆向把零件最初的实物状态转变成电子化的三维模型零件加工过程中的每一道工序的结果自动成为下一道工序的毛坯毛坯的起始状态是所有工作的起点，其准确与否将直接影响到工艺准备的效率和质量，进而影响到整个加工过程的效率产品设计的过程本身就是零件的数字化过程，这一点目前比较成熟
毛坯的数字化数字化制造的基础性工作产品设计的数字化工装夹具的数字化设备及后置的数字化刀具及参数的数字化质量检测模板的数字化
一、建设背景和目标
在设计制造工装和夹具的过程，本身就是工装夹具数字化的过程工装夹具数字化模型的准确性直接影响的是加工的安全性和有效性设备的数字化包括设备的三维模型和运动机构的数字化，是数字化制造的核心基础后置处理是工艺技术人员与设备沟通的桥梁，后置数字化的准确与否，直接关系到设备运行的安全与否
毛坯的数字化数字化制造的基础性工作产品设计的数字化工装夹具的数字化设备及后置的数字化刀具及参数的数字化质量检测模板的数字化
一、建设背景和目标
4、数字化制造技术及其优势
刀具的数字化可以通过逆向扫描或者由专业厂家来提供加工参数的数字化需要根据加工设备、加工材料、加工零件等各种不同的加工条件，通过实验逐步建立和完善加工参数的数字化库是否完备、准确、有效直接影响工艺准备的效率和加工的效率质量检测模板的数字化是指预先根据各工序的尺寸要求，编辑数字化检测程序模板，以供在线检测时使用
毛坯的数字化数字化制造的基础性工作产品设计的数字化工装夹具的数字化设备及后置的数字化刀具及参数的数字化质量检测模板的数字化
一、建设背景和目标
4、数字化制造技术及其优势
数字化制造有什么好处？
提高效率！降低成本！保证质量！
充分挖掘设备潜力，解放生产操作人员由软件完成大量重复性工作，解放工艺人员通过前期虚拟制造，规避可能的质量事故通过数据的收集与分析，及时掌握产品状态，提升管理效率
数字化与自动化的区别数字化强调的是各种生产要素的电子化，主要目的是借助计算机工具和网络工具对相关数据进行分析和处理，应用于制造领域自动化是根据产品的工艺流程，通过使用自动化工具，使生产过程实现无人值守，是数字化加工的一种表现形式自动化解放的是人的体力，而数字化想要解放的是人的脑力
一、建设背景和目标
4、数字化制造技术及其优势
基于“两化”融合指导思想，遵循“数字化、自动化、集成化、智能化”原则，突破数字化工装设计制造技术、非接触在线检测技术、自适应加工技术、生产过程自动管控等关键技术，使生产线具备“自感知、自适应、自诊断、自决策、自修复”功能，实现航空发动机叶片制造技术数字化、智能化的升级。
以智能设备为基础以智能软件为平台以网络为纽带以虚拟制造为抓手从毛坯到零件，全制造过程在虚拟环境中实景再现数字化制造
5、建设原则
一、建设背景和目标
建成国内领先的精锻叶片数字化加工示范线，完成精锻叶片37000片/年，实现精锻叶片加工工艺技术水平的突破。
6、建设目标
生产线设备1个月内无故障生产时间不小于690小时，每天工作24小时，每年工作时间不少于300天；通过少人干预、SPC预警、智能补偿、生产线实时监控，实现生产线精准制造，提高并稳定产品质量产品合格率目标值95%以上。实现技能型到技术型生产模式转变，最大程度降低人为因素影响。实现少人值守，乃至无人值守。
一、建设背景和目标
第二部分 建设内容及关键技术
1、叶片制造工艺流程分析
精锻叶片采用低熔点合金精密定位的传统加工工艺，工艺流程较为冗长，机械加工阶段共15道工序。数字化生产线采用硬装夹定位，工艺流程得到明显简化，机械加工阶段仅2道工序。
二、建设内容及关键技术
现行工艺流程机械加工阶段打磨飞边铣进排气边抛光进排气边检验浇注低熔点合金块数控铣上下缘板标记中间检验熔化低熔点合金打毛刺铣下缘板叶盆转接R铣下缘板叶背转接R除污染打毛刺抛修上下缘板清洗成品检验辅助工序
数字化生产线工艺流程自适应加工进排气边等自适应加工上下缘板标记清洗光学检测数字化生产线加工修整上下缘板转接等检验辅助工序机械加工阶段
1、叶片制造工艺流程分析
精锻叶片特点：毛坯精锻成形，叶身无余量，主要加工部位包括（进/排气边、叶尖、上/下缘板及各处转接R区域）。
二、建设内容及关键技术
转子叶片静子叶片
2、生产线建模及布局规划
二、建设内容及关键技术
精锻叶片机加数字化生产线构成4台LX051五轴叶片加工中心2台ABB轨道机器人2台CORE-DS光学测量机SOFLEX单元控制器2台清洗机4个准备工作站10个托盘料仓（可放置300个转接盘）主操控站
3、生产线各单元构成
（1）机器人传送与控制单元
通过引进机器人及其控制系统，将控制单元及其他单元的指令通过车间工业网络传递给机器人，实现叶片自动化搬运、装卸，使得物料在数字化生产线上有序流动。
二、建设内容及关键技术
（2）物料库单元
建立自动化立体仓库，通过生产线工业网络接收制造执行系统分配的指令，按照叶片不同状态，分类放置叶片。
（3）人工装卸单元
通过设计智能感应装卸台，实现叶片快速准确地装卸、更换，通过生产线工业网络自动将叶片现有信息给其他各单元。
二、建设内容及关键技术
3、生产线各单元构成
（4）进排气边加工单元
基于叶片专用五轴数控加工中心，通过开发快换定位工装，开发研究叶片进排气边自适应数控加工专用编程及控制系统，实现以下功能：叶片进排气边测量数据模型重建；叶片进排气边数控加工程序快速自动生成；精锻叶片进排气边自适应铣削加工。
二、建设内容及关键技术
3、生产线各单元构成
（5）榫根加工单元
基于叶片专用五轴数控加工中心，通过开发快换定位工装，依据榫根自适应数控加工专用编程系统及控制系统的指令实现以下功能：精锻叶片榫根测量数据模型重建；精锻叶片榫根数控加工程序快速自动生成；精锻叶片榫根自适应铣削。
二、建设内容及关键技术
3、生产线各单元构成
（6）清洗烘干单元
采用快速喷淋清洗、吹干等功能的清洗烘干机，通过生产线控制系统的指令，实现机器人夹持快换定位工装对铣削叶片表面进行清洗烘干。
自动清洗人工清洗人工清洗磕碰划伤机器人自动送洗安全快捷
二、建设内容及关键技术
3、生产线各单元构成
（7）光学测量单元
主要通过光学测量机，对叶片榫根、型面及进排气边进行检测与评价，实时反馈零件加工质量信息。
二、建设内容及关键技术
3、生产线各单元构成
（8）叶片生产线监控、调度与过程控制系统
实时掌握叶片生产线中机器人、各工位和叶片信息状态，并发布控制指令，解决相互之间的协调等问题。
生产任务制定在线产品查询、统计根据任务计划自动识别、加工、检测工件加工信息、质量信息的实时反馈加工过程监控、故障报警（刀具磨损及破损、设备故障等）统计过程分析（SPC）加工数据实时记录集成叶片自适应加工专用程序（可生成数控程序）
二、建设内容及关键技术
3、生产线各单元构成
任务管理:多线程任务管理完成件交付规划物料管理装卸工作站控制数控程序管理零点偏置刀具/夹具管理机器数据采集/报告全过程生产监控自动化:五轴加工中心启动/运转工件加工数控程序/数据交换刀具/夹具参数交换
（8）叶片生产线监控、调度与过程控制系统
二、建设内容及关键技术
3、生产线各单元构成
二、建设内容及关键技术
4、突破的关键技术
基于在线检测、模型快速重建的自适应加工技术；基于单一数据源的工艺工装设计技术；航空叶片硬装夹工装设计制造技术；面向多任务多产品的柔性数字化制造技术；高精度变公差检测与评价技术；基于微小光源非接触高精度快速检测技术。
第三部分 预期成效与未来展望
数字化生产线工艺技术现阶段工艺技术以二维设计图、数据文件等为依据；指导生产的机加工艺文件，以操作卡为主，工艺规程为辅；工艺路线按传统单工序加工的方式编制；单一程序模拟仿真。
以三维模型为单一数据源；指导生产的机加工艺文件，以工艺规程为主；毛坯硬装夹，加工集中；全过程虚拟仿真、自适应加工。
1、工艺技术提升促进生产模式的转型
三、预期成效与未来展望
自动线在工装设计制造、数控程序编制、叶片光学检测等过程都在三维环境下进行，以三维模型作为数据输入，保证了数据输入的准确性和唯一性。
1）数字化生产以三维模型为单一数据源，现行工艺主要依据二维图纸
三、预期成效与未来展望
三、预期成效与未来展望
STEP1：铣进排气边、缘板转接和基准面STEP2：铣安装板或榫头、叶尖，以及标记STEP3：检测所有加工尺寸
2）数字化生产线采用硬装夹定位工艺，现行工艺为锡铋合金浇注封包工艺
输入生产任务第一次装夹自适应加工进排气边等清洗第一次拆卸第二次装夹自适应加工上下缘板二维码标记清洗第二次拆卸第三次装夹白光检测第三次拆卸输出
STEP1STEP2数字化生产线的加工流程
三、预期成效与未来展望
3）数字化生产线采用基于在线检测的自适应加工，现行工艺通过夹具定位加工
1、检测2、生成偏差文件3、将偏差文件从机床复制到计算机4、对比实测数据与理论数据5、修正理论数据，生成新的NC文件6、将新的NC文件复制至机床
MachinePC基于RCS软件的自适应加工流程，整个过程自动完成，无人工参与。
三、预期成效与未来展望
数字化生产线中，零件的毛料和成品状态均采用了数字字母码和二维码两种标记。零件进线后通过扫描零件标识的二维码，对零件进行识别。通过生产管理软件通过零件身份信息，对零件进行生产管理和信息收集。零件加工完成后，会在零件上标记二维码和数字字母码，该标识信息可以进行加工过程数据和检测结论的追溯。
此外，工装、刀具均采用RFID识别方式。
4）数字化生产线采用二维码（机读标识）对零件进行自动识别、管理，
现行工艺采用数字字母码（人读标识）对零件进行人工识别、管理
数字化生产线质量管理现阶段质量管理检验员人工测量，工作强度大；测具和标准样件目视进行检测；定性测量多，定量测量少；操作工自检、工长互检、检验员专检，人为因素多。
全尺寸在线检测，全过程无人干预；光学测量，以数字化测量结果为评判标准；自动生成检测报告；SPC质量预警。
三、预期成效与未来展望
1、工艺技术提升促进生产模式的转型
数字化生产线生产管理现阶段生产管理生产工人、检验人员多，技术人员少，总体人员31人；现生产线人均班产2.5件；现生产线作业仅开1-1.5班次；机床操作技能工人工作能力水平要求较高。
生产工人、检验人员少，技术人员多，总体人员约为22人，相比现阶段减少约29%。数字化线人均班产9.4件，工作产量提升276%；常开三班，仅需值守人员，成本降低。技术人员工作能力要求提高，技能工人要求低。
三、预期成效与未来展望
1、工艺技术提升促进生产模式的转型
2、“数字化、自动化、集成化、智能化”的落地实践
毛料检测硬装夹机械加工清洗检测成品
1）
主要工艺流程——集成化
2）
零件模型——数字化
3D模型2D图形
三、预期成效与未来展望
自动扫描数字芯片人工记录毛料信息零件号零件顺序号工装编号数控程序号切削参数检测结果……
数字芯片
3）
毛料信息——数字化
自动定量检测人工定性检测各种专用测具人工测量自动测量
4）
在线检测——数字化
三、预期成效与未来展望
硬装夹浇注定位
5）
装夹零件——数字化
标准快换卡盘人工找正夹具
6）
找正夹具——自动化
三、预期成效与未来展望
智能系统自动调用程序人工调用程序
7）
调用程序——自动化
自适应加工重新设定程序原点因零件个体差异，导致坐标系各不相同感知零件实际坐标，自动调整自适应加工
8）
基准重构——智能化
三、预期成效与未来展望
机器感知自动补偿人工设定
9）
刀具补偿——自动化
SPC自动预警控制质控员
10）
质量控制——智能化
三、预期成效与未来展望
零件装卸零件中转工装更换……
减少等待、操作时间
11）
物流——自动化
工人机器人智能系统生产主任调度员安排零件生产计划准备工装安排中转零件安排检测任务……
优化节拍，大幅减少等待时间
12）
控制总线——智能化
三、预期成效与未来展望
智能系统自动重新组织生产设备故障等待
4台机加设备+2台三坐标测量机3台机加设备+2台三坐标测量机4台机加设备+1台三坐标测量机……
生产线不停可任意组合
13）
设备状态——智能化
三、预期成效与未来展望
智能系统自动分析原因零件超差刀具磨损？设备故障？装夹问题？……
自动处置or报警
14）
零件超差处理——智能化
三、预期成效与未来展望
3、其他生产线的探索与实践
三、预期成效与未来展望
实现一次装夹完成多种尺寸和规格的发动机叶片叶尖、型面、进/排气边、叶根圆角和凸台过渡区部位的自适应磨削集成加工，相对手工抛光，提升加工效率近300%。
1台精锻叶片自适应砂带磨削中心1台三坐标测量机1套轨道机械手、1个预装台1个循环料仓、2个上下料道1套单元控制器，1个控制操作台（正在现场调试中）
案例一：航空发动机精锻叶片自适应砂带磨削单元
三、预期成效与未来展望
自适应砂带磨削柔性单元自适应磨削测量集成自动单机自动磨削-三坐标测量手工操作手工打