在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项的支持下，西北工业大学承担了“航空发动机叶片高效精密加工工艺软件系统开发与应用”课题。课题任务是：针对航空发动机中难加工材料叶片的加工需求，研究叶片多轴加工工艺、表面完整性控制、在机快速测量与分析以及高效精密自适应加工等关键技术，开发出与国产五轴联动机床配套使用的叶片高效精密加工工艺软件系统，包括叶片建模、数控编程、国产机床后置处理、工艺参数优化、加工过程仿真、叶片测量数据分析和工程数据库等,建成面向国产机床的航空发动机难加工材料叶片的工艺试验基地,并在国内航空发动机主机厂形成示范应用,以实现多种航空发动机叶片的批量化生产，令加工精度、效率和表面完整性达到国际同类产品水平。课题起止时间为2013年1月至2016年12月。

开展的研究工作

针对航空发动机难加工材料叶片的加工需求，研究了以下6项技术：叶片多轴加工工艺优化技术、叶片加工表面完整性控制技术、叶片非接触式在机快速测量分析，以及叶片高效精密自适应加工技术、基于工艺知识的叶片多轴加工软件系统、叶片工艺软件系统与国产装备的集成与适应性应用，从而在此基础上，建立了叶片高效精密多轴数控加工工艺软件体系，完善了集成模型预处理、工艺模板订制与管理、多轴加工轨迹生成、加工变形与振动控制、工艺参数优化、加工过程仿真、非接触式在机快速测量与分析以及工艺数据库等功能，并配套应用于国产五轴联动叶片加工机床，实现了多种航空发动机叶片的批量化高效精密加工。

通过课题研究，在叶片多轴加工工艺优化、叶片加工表面完整性控制、叶片非接触式在机快速测量分析和叶片高效精密自适应加工等关键技术方面有所突破，开发出了与国产五轴联动机床配套使用的叶片高效精密加工工艺软件系统，研制了叶片五轴联动加工中心、叶片非接触在机测量系统和广数数控系统，并对叶片加工工艺、工艺系统软件、叶片加工中心、在机测量系统和国产数控系统进行了综合应用验证。应用情况表明，课题突破的叶片多轴加工工艺、表面完整性控制和高效精密自适应加工等关键技术，以及开发的与国产五轴联动机床配套使用的叶片高效精密加工工艺软件系统，可以替代部分进口设备和软件功能模块，进行叶片加工；开发的叶片高效精密加工工艺软件系统，满足了叶片自适应加工要求，在三大航空发动机制造企业形成了示范应用，实现了多种航空发动机叶片的批量生产，加工精度、效率和表面完整性达到国际同类产品水平。

突破的关键技术

通过课题实施，主要突破了以下五大关键技术：

1. 叶片多轴加工工艺优化技术。提出了6种航空发动机叶片加工快速精确定位装卡优化方法，提高了定位效率和精度，适用于北京机电院公司研发的两种型号五轴联动叶片加工中心；提出了叶片铣削变形分解与预测、反变形补偿方法；提出了基于残余应力分层加载的加工残余应力变形控制方法，将叶片表层残余应力分布模型进行分层离散化处理，并加载测得的表层残余应力，通过有限元预测残余应力作用下的变形；提出了薄壁件系统不同切削阶段的模态参数提取试验方法，获取薄壁件系统在不同切削阶段的模态参数，基于该模态参数，采用动力学系统仿真方法，优化叶片切削颤振稳定域。

2. 叶片加工表面完整性控制技术。针对航空发动机叶片的自由曲面特征、阻尼台多曲面特征、进排气边、榫头以及缘板等特征，确定了表面完整性表征参数，并给出了测试与分析方法；获得了3种叶片的表面粗糙度、表面形貌和表面残余应力的分布规律；针对叶片进、排气边特征，研究了曲率变化对表面完整性的影响；针对叶身型面获得了刀具姿态和铣削参数对表面完整性的影响规律，针对榫根对比了成型刀和球头刀对表面完整性的影响规律；研究了叶片柔性抛光表面完整性优化控制方法，实现了叶片的自适应柔性抛光，获得了抛光参数对表面粗糙度的影响，建立了抛光参数与表面粗糙度的模型，优化了抛光参数；针对叶片特征，确定了控制和管理的关键内容。

3. 叶片非接触式在机快速测量分析技术。针对航空发动机叶片的在机快速测量与分析，突破了在机直接测量标定技术、五轴在机测量路径规划技术、在机测量的数据快速处理和分析技术，以及非接触测量系统误差溯源及补偿技术，为非接触在线测量系统的成功研制提供了技术基础；设计了在机非接触式测量系统硬件和非接触在线测量软件；完成了非接触测量系统在国产五轴叶片加工中心上的应用验证。

4. 叶片高效精密自适应加工技术。面向精锻、辊轧叶片，研究了高效精密自适应加工技术。根据精锻和辊轧叶片结构特征，设计出合理的装夹定位方案；建立了配准定位的数学模型，综合运用三角网格拓扑结构重建技术和kd-tree数据结构，对现有的配准算法进行加速优化，使叶片的定位时间减少30%以上，实现了基于测量数据的叶片快速定位；考虑均匀余量和非均匀余量两种约束，建立了余量优化的数学模型，使叶片的设计模型尽量均匀地嵌在毛坯中，且余量分布均匀；建立了基于控制点移动的自由曲面变形算法和曲面变形映射算法，实现了叶片自适应加工工艺的几何建模；提出了叶片高效精密自适应加工轨迹规划方法；基于UG NX软件开发了叶片自适应加工模块，并通过叶片加工试验，验证了所开发的模块的可靠性。

5. 开发了基于工艺知识的叶片多轴加工软件系统。研制了叶片多轴高效精密加工工艺软件系统，使其具有叶片型面单面铣、对称铣、螺旋铣以及叶片边缘纵向铣、叶片阻尼台螺旋铣、叶根分层铣和自适应铣削等多轴数控编程软件的基本功能，可提高基于UG的编程效率，并能与北京机电院的国产五轴联动叶片加工中心配套使用，达到了国外先进叶片专用编程软件系统RCS和TS80的功能和应用水平。

6. 叶片工艺软件系统与国产装备的集成与适应性应用。针对叶片多轴高效精密加工工艺软件系统与北京机电院的国产五轴联动叶片加工中心的集成与应用，建立了机床运动几何精度补偿方法；结合国产叶片加工中心的性能，开发了后置处理系统；通过对叶片材料、结构、工艺、过程与装备的相关性分析，实现了6种航空发动机叶片的批量加工。

课题成果

课题开发完成了叶片高效精密加工工艺软件系统、4台XKH400A和3台XKH800国产五轴联动叶片加工中心、4套非接触在线测量系统和6套“广数五轴系统”，攻克了叶片多轴加工工艺优化、表面完整性控制、自适应加工、多轴加工软件开发、非接触式在机快速测量与分析、工艺软件系统与国产装备的集成与适应性应用等一批关键技术，在我国三大航空发动机制造企业完成了叶片加工工艺、工艺系统软件、叶片加工中心、在机测量系统和国产数控系统的综合应用验证，形成了示范应用，满足了企业产业化批产需求，直接经济效益显著。

此外，课题成果还推广应用于我国燃汽轮机等民用透平机械领域，起到了良好的示范带动作用。

通过课题的实施，西北工业大学形成了航空发动机难加工材料叶片的工艺试验基地，成立了西北工业大学-黎明航空发动机关键转动件表面完整性加工技术联合实验室、西北工业大学-西航航空发动机关键构件抗疲劳制造联合实验室产、学、研中心、西北工业大学-株洲钻石航空零件高性能切削联合实验室，形成了一支稳定的涵盖机床研发、软件开发、工艺研究、刀具技术和示范应用的高水平研究团队。

课题研究过程中，制订了14项企业技术标准、3项国家标准；申请发明专利17项，已授权发明专利13项；获软件著作权6项；发表论文28篇；培养硕士62人、毕业57人，培养博士22人、毕业12人，新增高、中级职称研究人员26人。

成果应用情况

目前，课题成果在中国航发动力股份有限公司、中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司和中国航发成都发动机有限公司实际使用已满一年，使用情况为：

1. 开发的叶片多轴高效精密加工工艺软件系统，可提高编程效率，能够与北京机电院XKH400A、XKH800国产五轴联动叶片加工中心配套使用，达到国外先进叶片专用编程软件系统RCS的功能和应用水平。

2. 采用课题研究成果加工的风扇一级转子叶片、压气机三级转子叶片、一级静子叶片、辊轧叶片、低压一级工作叶片和一级低压可调叶片，精度满足了设计要求。

3. 推广应用于民用发动机叶片、外贸发动机叶片等的加工，实现了批量化生产。

总之，课题研究紧密结合航空企业的型号研制，大多数研究成果成功应用到了我国新一代航空发动机叶片的制造中，研究成果对430厂、410厂和420厂提高叶片的加工精度、效率和表面完整性起到了重要作用，并形成了示范应用，对提升我国发动机制造行业的技术创新能力和市场竞争力具有重要的推动作用。

本课题的实施，还为我国航空发动机领域培养了一批高素质的技术人才，提高了北京机电院、303所、北京航空航天大学、广州数控设备有限公司、430厂、410厂和420厂的技术水平和研发实力，为他们在航空发动机领域取得竞争优势提供了技术保障。

科技部重大专项办杨军处长、工信部产业发展促进中心苏铮处长参加了该课题技术终验收，并到用户现场进行考察