新一代航空發(fā)動機朝著輕質化、高可靠性、長壽命、快速響應以及低成本制

造等方向發(fā)展。傳統(tǒng)試制研制方式已無法滿足重點型號工程的發(fā)展需求，持續(xù)開

展制造工藝仿真技術研究，將助推航空制造企業(yè)數(shù)字化轉型。

工藝仿真技術是指在虛擬環(huán)境中真實再現(xiàn)一個具體的工藝過程，允許用戶實

時操作工藝設備或改變相關參數(shù)的一種先進仿真技術。在產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)階段對

其工藝過程進行仿真和評估，可以輔助產(chǎn)品整個制造周期的工藝改進。傳統(tǒng)模式

下，機械產(chǎn)品的設計、工藝規(guī)程制定、加工、質量驗證，以及交貨供應的周期長、

成本高、效率低，質量精度難以得到有效保證。為提升航空發(fā)動機零部件生產(chǎn)制

造能力，急需開展制造工藝仿真技術研究，減少加工驗證的次數(shù)，預判制造過程

中的問題，優(yōu)化制造工藝、加工參數(shù)，實現(xiàn)制造工藝短周期快速迭代以及驗證產(chǎn)

品的可制造性。

航空發(fā)動機制造工藝仿真發(fā)展現(xiàn)狀

制造工藝仿真技術始于美國的航空航天、核電等高技術產(chǎn)業(yè)。20世紀60年

代，為解決航空航天工業(yè)結構分析的迫切需求，美國國家航空航天局（NASA）

提出了開發(fā)世界上第一套有限元分析軟件Nastran的計劃。同期，NASA、西屋電

氣公司和美國國防部（DOD）的代碼轉移和扶持計劃使得美國早期的計算機輔助

工程（CAE）軟件公司成功地從科研機構進入到市場之中。半個多世紀以來，歐美

的CAE軟件產(chǎn)業(yè)迅速崛起，牢牢占據(jù)了工業(yè)價值鏈的高地，并形成了產(chǎn)業(yè)化壟斷。

自20世紀80年代后期以來，多學科數(shù)值仿真技術的作用受到重視，開發(fā)了

多類工藝仿真分析專用軟件，例如，美國第三次浪潮系統(tǒng)(ThirdWaveSystems)

公司的PM和FEM、比利時GeonX公司的Virfac等。由于這些軟件的專業(yè)性遠優(yōu)

于通用軟件，在航空發(fā)動機制造企業(yè)中得到了普遍的應用。

德國于2006年啟動卓越計劃項目群框架內的材料制造和加工過程的虛斗加

工鏈項目，開發(fā)了加工虛擬平臺AixViPMaP,能夠對材料加工在不同尺度上進行

有效的仿真、優(yōu)化和控制?；谠撈脚_，進行了齒輪零件、不銹鋼軸承座等5

個零件的鑄造、機械加工、熱處理等全工藝鏈加工仿真驗證。

美國國防預先研究計劃局(DARPA)提出的加速引入材料(AIM)計劃是實現(xiàn)

全流程仿真與集成應用的成功案例。AIM計劃以航空發(fā)動機葉片、渦輪盤等產(chǎn)品

快速研制為應用目標，構建一個數(shù)字化集成研制平臺，幫助設計與工程人員更加

快速，廉價地開發(fā)和找到新材料和新工藝，為材料工藝建模仿真，虛擬制造和功

能驗證提供基礎材料數(shù)據(jù)和物理驗證。

中國在制造工藝仿真方面已經(jīng)開展了大量的研究工作，但是起步較晚，工藝

仿真技術仍處于研究探索階段，技術成熟度不高，缺少相應的技術指導標準和基

礎資源數(shù)據(jù)庫，主要以跟蹤研究和國外通用商業(yè)化軟件的個性化應用為主，尚未

實現(xiàn)工藝仿真集成應用，仿真軟件效能未得以有效發(fā)揮。目前，只能實現(xiàn)單點工

藝分析，未考慮連續(xù)工藝實施中應力和變形等對前后工序的影響，尚未實現(xiàn)連續(xù)

的制造工藝過程仿真。

航空發(fā)動機制造工藝仿真技術實踐

從20世紀70年代起，航空制造業(yè)歷經(jīng)了仿真應用研究、虛擬產(chǎn)品試制工具

研發(fā)和數(shù)字化工廠仿真技術探索應用等發(fā)展歷程。2008—2010年，筆者所在科

研團隊應用專用物理仿真軟件解決了渦輪席加工變形、技術指標可達性等生產(chǎn)瓶

頸問題。10年來，將引進的數(shù)值仿真軟件應用于工程實踐，收到良好的效賓。

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機加工藝仿真

制造工藝仿真研究思路

多因素仿真分析助力靜子葉片提質增效

動為優(yōu)化目標，對數(shù)控加工程序的正確性及合理性進行了驗證，找出了影響切削

力大小的關鍵因素，并對加工過程進行優(yōu)化，實現(xiàn)復雜曲面的高效優(yōu)質加工。具

體分析內容包括以下兩個方面：加工過程幾何仿真主要針對數(shù)控程序，對其正確

性及合理性進行仿真驗證，檢查切削加工過程中是否存在碰撞、干涉、過切、欠

切等問題；切削參數(shù)有限元分析以切削力分析為主要研究內容，對刀具幾何參數(shù)

和加工參數(shù)兩方面進行切削力仿真試驗，找出影響切削力的關鍵因素。最后，根

據(jù)仿真分析結果，對復雜曲面切削加工進行優(yōu)化。

工藝參數(shù)仿真分析

通過對比加工試驗可以看出，優(yōu)化后葉片加工時間明顯縮短，由原來的

43min縮減至30min；單組刀具加工葉片的數(shù)量由17片增加至100片，刀具壽

命顯著提高；零件加工表面質量得到顯著的提高。由此可以看出，采用先進分析

的優(yōu)化方法，既能夠提高零件加工效率和加工質量，同時又能減少刀具磨損，增

加刀具的使用壽命。

葉片零件優(yōu)化前后對比

內容攻關前攻關后

T.序產(chǎn)能多次返修提高50%以上

單葉片加工時間/min43

精品葉片持續(xù)攻關當年完成4臺份精品葉片交付

每組刀具加工葉片數(shù)/片17100+

基于仿真驅動解決3級盤軸排故問題

在3級盤軸工藝優(yōu)化過程中，為了將前、后、內止口粗糙度(Ra)1.6提高

為例0.8,科研團隊前期攻關數(shù)月，僅后止口Rol.75勉強可以滿足更改要求，但

過程不穩(wěn)定、效率較低，且刀具磨損嚴重，零件表面有明顯溝痕和振紋，轉接處

加工一致性差，很難確認此種方法能夠保障內止口的加工效果。

科研團隊采取了全新的均衡切削載荷工藝方法，加工過程穩(wěn)定可靠，所有工

藝過程和工藝參數(shù)均由程序控制，無須人工干預，連續(xù)加工多件結果趨同。

影響表面粗糙度的進給量這一關鍵指標由理論計算分析獲取，既非經(jīng)驗數(shù)據(jù),

更無須多次試驗，實際加工與理論計算結果完全一致。

盤類零件優(yōu)化前后對比

內容攻關前攻關后

加工方式等余量加工方式,轉接部位失控均衡切削載荷方式,加工過程穩(wěn)定

加工刀具不分粗、精加「.?使用同一刀片粗、精加工刀片分開,刀具壽命可控

叨削速度不分粗、精加1:,切削速度相同分相、精加1：進行.精加匚提高20%

加「?程序后止口非循環(huán)程序,「?人上刀補循環(huán)加1：程序,一次調試即可

加T.缺陷振紋、毛面、溝痕肉眼可見振紋、毛面、溝痕不可見

表面粗糙度（/打）1.60.55~0.75

加工時間/min12070

多工序連續(xù)仿真解決靜子機匣加工變形問題

靜子內環(huán)零件是典型的回轉類對開機匣組合零件，由上下兩個環(huán)件通過螺栓

連接組合而成，單件完成加工后通過切斷分成兩個半環(huán)零件，加工工藝以車削工

藝和鉆孔工藝為主。零件是不銹鋼材料，屬于薄壁零件且包含大量軸向孔和鏡像

孔特征。應用傳統(tǒng)工藝先后進行了4批零件的試制工作，零件圓度超出設計圖要

求5.25倍，徑向孔位置度超出設計要求4.6倍，且從徑向孔位置度雷達圖分析圓

周變化無明顯規(guī)律。

傳統(tǒng)的工藝攻關采用試制方式，根據(jù)檢測結果判斷工藝方案優(yōu)劣，缺少仿真

手段對零件工藝方案的仿真分析工應用多工序連續(xù)仿真分析技術，通過仿真分析

對比不同工藝方案的優(yōu)劣，可以提供工藝改進技術支撐?？蒲袌F隊基于應力應變

繼承的工藝路線仿真分析，對原始工藝、第一次改進工藝、第二次改進工藝分別

進行仿真。

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