航空發(fā)動機零部件制造過程一直是新技術(shù)、新工藝應(yīng)用的重點領(lǐng)域，同時也是對技術(shù)更新有迫切要求的行業(yè)。航空發(fā)動機零部件數(shù)字化制造技術(shù)涉及CAD/CAM技術(shù)、數(shù)控設(shè)備、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、信息集成等諸多技術(shù)內(nèi)容，其核心是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的數(shù)字化表達、存儲和交換，基本平臺是計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化設(shè)備，基本方式是協(xié)同、并行和集成。數(shù)字化工藝設(shè)計、數(shù)控加工技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、智能控制技術(shù)以及企業(yè)資源數(shù)據(jù)管理技術(shù)等構(gòu)成了產(chǎn)品研制協(xié)同設(shè)計制造過程中的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。

    近年來，CAD/CAM/CAE技術(shù)、高性能數(shù)控機床及控制系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，推動了航空發(fā)動機產(chǎn)品數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，從根本上改變了傳統(tǒng)的工藝設(shè)計和制造模式，數(shù)字化制造已經(jīng)成為提高航空發(fā)動機制造企業(yè)制造能力和研制能力的重要手段之一。

基于MBD技術(shù)的數(shù)字化工藝及其應(yīng)用

    MBD(Model Based Definition)，即基于模型的工程定義，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法體，它詳細規(guī)定了三維實體模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法。MBD改變了由三維實體模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的分步產(chǎn)品數(shù)字化定義方法。同時，MBD使三維實體模型作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主、以三維實體模型為輔的制造方式。

    1 MBD技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

    產(chǎn)品三維模型雖然包含了二維圖紙所不具備的詳細幾何形狀信息，但是不包括幾何公差、尺寸公差、表面粗糙度、表面處理方法、熱處理方法、材質(zhì)、結(jié)合形式、間隙的設(shè)置、連接范圍、潤滑油涂刷范圍和顏色、要求符合的規(guī)格與標準等非幾何形狀信息。基于這一情況，美國機械工程師協(xié)會與波音公司共同制訂了“數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)規(guī)程”(ASMEY14.41)標準體系，其主導(dǎo)思想不只是簡單地將二維圖紙的信息反映到三維模型中去，而要充分利用三維模型所具備的表現(xiàn)力，去探索便于用戶理解、更具效率的設(shè)計信息表達方式。

    國內(nèi)航空企業(yè)在MBD技術(shù)應(yīng)用方面與國外發(fā)達航空企業(yè)仍然存在很大的差距，主要表現(xiàn)在：

    (1)基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品定義工作尚處于探索階段；

    (2)以MBD為核心的數(shù)字化工藝設(shè)計和產(chǎn)品制造模式尚不成熟；

    (3)三維數(shù)模并沒有貫穿于整個產(chǎn)品數(shù)字化制造過程中；

    (4)MBD的設(shè)計、制造和管理規(guī)范還有待完善；

    (5)三維數(shù)字化設(shè)計制造一體化集成應(yīng)用體系尚未貫通。

    2 MBD工藝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化

    基于MBD的三維數(shù)據(jù)需要將設(shè)計意圖添加到三維模型中去，不僅包含精確的幾何模型，還包含尺寸、公差、基準、屬性等數(shù)據(jù)信息。MBD技術(shù)應(yīng)用的首要條件是以工藝為牽引，形成在三維模型中進行三維標注的標準和規(guī)范，以完整準確地表達產(chǎn)品零部件本身的幾何屬性、工藝屬性、質(zhì)量檢測屬性以及管理屬性等信息，滿足工藝設(shè)計、制造過程各個階段對數(shù)據(jù)的需求。

    2.1 MBD設(shè)計數(shù)據(jù)及構(gòu)成

    基于模型的數(shù)字化定義核心內(nèi)容是產(chǎn)品的幾何模型，所有相關(guān)的工藝描述信息、屬性信息、管理信息（包括零件表）等都附著在產(chǎn)品的三維模型中。MBD設(shè)計數(shù)據(jù)主要包括幾何模型、注釋和屬性3部分。具體分解為零件的幾何模型、零件的尺寸和公差標注、零件結(jié)構(gòu)樹幾何定義部分、零件結(jié)構(gòu)樹標注定義部分、關(guān)鍵特征的標注、零件的注釋說明、零件加工工藝過程所必須提供的產(chǎn)品描述性定義信息和裝配連接定義。

    2.2 MBD工藝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化相關(guān)技術(shù)

    MBD設(shè)計數(shù)據(jù)是建立在能夠準確表達設(shè)計理念的基礎(chǔ)之上的，一方面，能夠直接獲取的數(shù)據(jù)信息包括模型、注釋和屬性信息，這些數(shù)據(jù)信息必須建立在相關(guān)標準體系完善的前提下，才能夠被工藝設(shè)計直接引用；另一方面，工藝設(shè)計需要完整的數(shù)據(jù)信息，由于MBD數(shù)據(jù)有大量的未注幾何信息，需要定義或制定相應(yīng)規(guī)則加以約束，這樣才能保證MBD數(shù)據(jù)的唯一性，而這些數(shù)據(jù)只能通過提取、分析、查詢等技術(shù)手段間接獲取。

    因此，必須在準確把握設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，尋找將MBD設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為工藝數(shù)據(jù)的解決方案。涉及的主要技術(shù)如下：

    ●三維模型尺寸和公差標注技術(shù)；

    ●多視圖生成技術(shù)；

    ●加工要求標注技術(shù)：

    ●特征視圖捕獲創(chuàng)建與管理技術(shù)；

    ●附加標準依據(jù)信息技術(shù)；

    ●采用零件模型進行三維裝配模型的標注技術(shù)。

    3 基于MBD技術(shù)的數(shù)字化工藝準備

    數(shù)字化工藝準備的技術(shù)環(huán)節(jié)包含從獲取設(shè)計數(shù)據(jù)到最終產(chǎn)品交付的全過程，包括設(shè)計數(shù)據(jù)解析、三維機加工藝設(shè)計、工藝文件管理、數(shù)控加工工藝準備、數(shù)據(jù)傳輸、制造數(shù)據(jù)瀏覽等技術(shù)環(huán)節(jié)�；�于MBD技術(shù)的三維機加工藝設(shè)計系統(tǒng)包括MBD設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、三維機加工藝設(shè)計系統(tǒng)和并行工藝準備環(huán)境3個部分。

    3.1 三維設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

    (1)協(xié)同設(shè)計制造環(huán)境。

    基于PDM系統(tǒng)，建立三維設(shè)計數(shù)據(jù)和三維機加工藝數(shù)據(jù)的管理結(jié)構(gòu)。

    (2)基于MBD技術(shù)應(yīng)用相關(guān)標準。

    通過直接參與相關(guān)標準制定，設(shè)計制造協(xié)同工作，結(jié)合典型零件MBD技術(shù)應(yīng)用驗證，滿足工藝設(shè)計的需要。

    (3)MBD應(yīng)用技術(shù)。

    三維設(shè)計數(shù)據(jù)識別、工藝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化技術(shù)，技術(shù)標準。

    (4)三維工藝數(shù)據(jù)獲取。

    由三維模型、注釋、屬性構(gòu)成的三維設(shè)計數(shù)據(jù)向三維工藝數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，分別建立三維工藝數(shù)據(jù)的模型、注釋、屬性數(shù)據(jù)集。

    3.2 工藝設(shè)計

    工藝設(shè)計系統(tǒng)工具包括三維機加工藝設(shè)計工具、三維機加工藝設(shè)計包、初始化環(huán)境、交互編輯器組成，具體內(nèi)容如下。

    (1)在三維環(huán)境下設(shè)計工藝，建立以二維為主、三維為輔的MBD工藝。

    (2)結(jié)合結(jié)構(gòu)化工藝系統(tǒng)，完成工藝設(shè)計工作。

    (3)工藝主模型直接利用三維設(shè)計模型，保證工序模型與主工藝模型完全或間接關(guān)聯(lián)，在NX環(huán)境下完成工藝設(shè)計。

    (4)工藝設(shè)計過程文件和工藝文件由PDM系統(tǒng)統(tǒng)一管理。通過工藝審批流程，鎖定工藝，三維工序模型提供下游（編程、工裝設(shè)計）使用。

    3.3 并行工藝準備

    (1)數(shù)控程序的生成包括數(shù)控刀軌文件和NC代碼兩部分。

    ●數(shù)控刀軌文件。

    數(shù)控刀軌文件就是通常的NXCAM部分，這部分內(nèi)容包含工序模型、毛坯模型、加工刀具、刀位軌跡等信息。

    ●NC代碼。

    NC代碼文件為后置處理后的文件，選擇分類選擇的后置處理文件，生成NC代碼文件，NC代碼文件提交PDM進行管理。數(shù)控程序仿真也是不可或缺的一個環(huán)節(jié)，仿真驗證后確保數(shù)控程序的準確性，自動生成仿真報告。

    (2)工裝設(shè)計。

    工裝設(shè)計可直接調(diào)用工序模型，通過PDM系統(tǒng)發(fā)起工裝設(shè)計申請流程，工裝設(shè)計部門接到任務(wù)后，利用三維工序模型設(shè)計工裝，設(shè)計完成后，結(jié)束工裝設(shè)計申請流程。

    (3)工藝文件發(fā)放。

    工藝規(guī)程在PDM發(fā)布后，可以在現(xiàn)場工控機上瀏覽二維的工序圖表。NC程序、測量程序需要通過網(wǎng)絡(luò)DNC傳遞到現(xiàn)場數(shù)控機床，經(jīng)過首件驗證合格后，數(shù)控程序仿真審批流程加狀態(tài)歸檔。

數(shù)字化加工技術(shù)及其應(yīng)用

    CAD/CAM技術(shù)是數(shù)字化制造中的核心技術(shù)之一，該技術(shù)發(fā)展初期主要以適應(yīng)航空產(chǎn)品零件品種多、批量小、形狀復(fù)雜、精度高等特點為目標，是實現(xiàn)高效率自動化生產(chǎn)的必由之路，并逐漸成為航空發(fā)動機產(chǎn)品制造的主要技術(shù)手段之一。

    1 基于特征的快速編程技術(shù)

    通用編程軟件NX-CAM適用范圍廣，但不是針對特定產(chǎn)品的，編程效率不高。根據(jù)航空發(fā)動機零部件的結(jié)構(gòu)特點，在典型工藝研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于加工特征的快速編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于標準操作的加工知識庫，為每個特征創(chuàng)建加工過程模板，實現(xiàn)加工特征的自動識別、刀軌自動定義、刀具參數(shù)自動選擇、工藝規(guī)程自動輸出等功能，主要包括零件分類及工藝分析、毛坯生成、夾具生成、應(yīng)力分析及變形控制、工藝資源與知識庫管理、自動編程、前后置處理和工藝文件生成等功能。

    2 基于精度指標的快速程編技術(shù)

    基于特征的編程技術(shù)能夠識別加工特征，但不是針對零部件加工精度指標的，只是解決了一個方法的問題，適應(yīng)范圍相對有限。為此，利用NX CAM基于特征的加工及FBM最新技術(shù)建立的編程自動化系統(tǒng)，將分析來自任何CAD系統(tǒng)的三維幾何體，并檢測其中的特征及類型，通過在NX CAM特征導(dǎo)航器中或直接在部件上瀏覽并檢驗這種特征，識別特征的關(guān)鍵屬性如位置、尺寸、公差等，然后自動確定每個特征最佳或優(yōu)選的加工方式。

    3 快速數(shù)控加工準備技術(shù)

    數(shù)控加工準備工作通常包括借/還刀、裝/卸刀、換刀、借夾具、調(diào)整工裝（拉直找正）、領(lǐng)料（或半成品）、裝夾零件、設(shè)置X/Y原點、對刀（Z原點）、領(lǐng)取工藝文件、傳輸數(shù)控程序、試運行、倒壓板等。快速準備技術(shù)就是要把上述準備工作區(qū)分機內(nèi)準備（是指機床必須停機才能做的準備工作）和機外準備（是指機床不需停機就可以做的準備工作），機外準備由專人來完成（解放機床操作工），如刀具、工裝、毛料配送等，同時采取措施提高機內(nèi)準備效率，如快速換裝定位技術(shù)、自動躲刀技術(shù)等。

    4 加工防錯技術(shù)

    在加工過程中，由于操作者的工作疏忽或操作方法不當?shù)仍斐僧a(chǎn)品質(zhì)量事故，因此應(yīng)針對常見的錯誤，采取一定的技術(shù)手段，來達到防錯的效果，把錯誤消除在萌芽階段。例如應(yīng)用加工仿真技術(shù)，驗證刀軌是否編排合理，檢查機床、刀具、夾具和工件系統(tǒng)是否發(fā)生碰撞。來避免刀具軌跡錯誤，超程、干涉/碰撞、切傷零件等質(zhì)量事故的發(fā)生。

    5 刀具失效分析技術(shù)

    在實際加工過程中，刀具的磨損量是決定加工尺寸精度、加工表面質(zhì)量以及零件加工變形的主要因素，目前急需從機理上解析并建立刀具磨損量與加工過程之間的關(guān)系模型，以刀具失效管理為核心有效控制加工過程，為工藝優(yōu)化提供技術(shù)決策。

    6 管路系統(tǒng)數(shù)字化制造技術(shù)

    航空發(fā)動機管路系統(tǒng)數(shù)字化制造是在計算機軟件硬件環(huán)境支撐下，工程設(shè)計人員基于工藝知識庫采用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)協(xié)同地完成各類制造信息的分析、描述與定義，如圖1所示，對各類信息以數(shù)字形式表達并進行統(tǒng)一的管理，以數(shù)字信息驅(qū)動并完成管路系統(tǒng)的設(shè)計制造。

    圖1 管路系統(tǒng)全三維設(shè)計和空間布局

    航空發(fā)動機管路系統(tǒng)數(shù)字化制造包括三維管路系統(tǒng)設(shè)計、空間布局規(guī)劃、管路工藝設(shè)計和數(shù)控彎管成形等技術(shù)環(huán)節(jié)，能夠解決航空發(fā)動機管路系統(tǒng)的三維空間布局和數(shù)控彎管最優(yōu)成形問題和彎管成形裂紋、外壁過薄、皺褶和表面拉傷等一系列技術(shù)難點，目前已廣泛應(yīng)用于型號批產(chǎn)中。

數(shù)字仿真技術(shù)及其應(yīng)用

    目前，航空發(fā)動機產(chǎn)品的制造過程主要面臨兩方面的問題：一是如何用技術(shù)手段來保證數(shù)控程序的正確性，二是如何保證加工結(jié)果的準確性。目前，數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用局限在數(shù)控加工幾何仿真、導(dǎo)管彎曲仿真、鈑金沖壓仿真等領(lǐng)域，還存在著范圍不大、程度不深等問題。能否準確預(yù)測產(chǎn)品的加工過程和產(chǎn)品質(zhì)量，為優(yōu)化工藝路線和工藝參數(shù)提供可靠的依據(jù)，核心在于如何選擇適合的技術(shù)手段。

    1 集成數(shù)控加工仿真技術(shù)

    數(shù)控加工幾何仿真的主要目的是驗證刀位軌跡的準確性、完整性，對欠切過切量、運動干涉碰撞現(xiàn)象預(yù)先分析，如果想要知道數(shù)控代碼是否正確，就必須把數(shù)控代碼和虛擬控制器集成在一個虛擬環(huán)境里做真實的模擬與仿真，最直觀地反映設(shè)備、工裝、工具和零件之間的運動關(guān)系。目前行業(yè)內(nèi)尚處于單項技術(shù)和局部應(yīng)用階段，暴露出仿真過程完整性和仿真結(jié)果真實性無法控制的問題，也無法從真正意義上實現(xiàn)虛擬加工與實際加工的“無縫連接”。

    具體解決方案如下：

    (1)將PDM系統(tǒng)擔當一個公共平臺的角色，提供統(tǒng)一的工藝信息、唯一的源數(shù)據(jù)（資源數(shù)據(jù)、功能性數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)），實現(xiàn)流程的電子化、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理，以及過程數(shù)據(jù)的存儲、分發(fā)、控制等功能。

    (2)建立企業(yè)數(shù)字仿真資源數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)資源數(shù)據(jù)的共享。

    (3)將NX、VERICUT等功能性軟件集成到PDM系統(tǒng)上，NX軟件對零件進行建模與程序后處理，VERICUT軟件對數(shù)控程序進行仿真。仿真報告、數(shù)控工步卡等數(shù)控文件以數(shù)據(jù)集的形式自動掛載在零件工序樹下。程序以mpf、nc、iso、ptp等格式用于現(xiàn)場生產(chǎn)，在加工結(jié)束后，優(yōu)化的數(shù)控程序還可回饋到PDM系統(tǒng)中升版存儲。為確保仿真結(jié)果的真實性，開發(fā)定制了VERICUT仿真報告，所有數(shù)控程序仿真后能夠自動生成仿真結(jié)果文件。

    2 均衡載荷工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

    基于均衡載荷理論的工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)與加工幾何仿真技術(shù)的融合，實現(xiàn)了基于工況條件的NC程序切削參數(shù)優(yōu)化，帶來了從常規(guī)的高效率、低成本加工向高穩(wěn)定性、高質(zhì)量加工的技術(shù)轉(zhuǎn)變。

    2.1 車加工工藝參數(shù)優(yōu)化

    常規(guī)的車加工為等余量均勻加工方式，對單一方向插補加工如X方向（圓柱面）或Z方向（端面）切削，切削力或切削載荷是均勻的；而對拐點變化部位如角度轉(zhuǎn)接處、圓弧過渡部位，由于切削方向的變化需要選擇復(fù)合插補方式，實際加工中切削力或切削載荷發(fā)生了急劇變化，成為加工過程不穩(wěn)定、加工質(zhì)量降低的技術(shù)難題，通常不得不采取保守的降低主軸轉(zhuǎn)速或進給速度的解決方式�；�于均衡載荷原則的車加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法根據(jù)材料的去除量調(diào)整工藝參數(shù)，保證了整個切削過程切削力基本均衡，優(yōu)化后加工效率可提高40%以上。

    2.2 銑加工工藝參數(shù)優(yōu)化

    銑加工是一個最大限度去除材料的過程，通常分為粗加工、半精加工和精加工等多個階段，一個突出的問題是各個階段的加工余量變化異常不均勻，帶來了后續(xù)加工切削載荷不均衡的加工難題。而基于均衡載荷原則的銑加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法可根據(jù)材料的去除量調(diào)整工藝參數(shù)，保證整個切削過程切削載荷基本均衡，能夠達到工藝參數(shù)優(yōu)化、切削過程穩(wěn)定、加工效率提高的多重目標。

    3 鈑金成形仿真技術(shù)

    主要包括鈑金成形仿真軟件的智能化工具的實際應(yīng)用，如圖2所示，一方面通過仿真，真實再現(xiàn)鈑金的成形過程和板料成形過程中的裂紋、起皺、減薄、回彈等加工缺陷；另一方面，通過分析板料成形過程中的厚度變化云層圖、FLC成形極限圖、應(yīng)力變化云圖及截面厚度變化曲線，快速查找出產(chǎn)生缺陷的原因。

    圖2 鈑金成形仿真

    鈑金成形仿真能夠在實際生產(chǎn)之前，通過模擬成形過程，預(yù)先評估板材成形性能和技術(shù)方案可行性，讓工藝技術(shù)人員在方案設(shè)計階段輕松地去除錯誤的選擇，在虛擬環(huán)境中進行反復(fù)的修改以優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。

結(jié)束語

    航空發(fā)動機零部件數(shù)字化技術(shù)中的關(guān)鍵是數(shù)字化制造技術(shù)，這一環(huán)節(jié)是使數(shù)字化裝備發(fā)揮應(yīng)有作用、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本、縮短在制品周期的關(guān)鍵。目前航空制造企業(yè)正處于技術(shù)快速提升階段，應(yīng)從數(shù)字化制造技術(shù)入手，通過建立設(shè)計制造協(xié)同機制和以研制為主體的數(shù)字化工程環(huán)境，達到促進航空制造企業(yè)數(shù)字化制造技術(shù)快速發(fā)展的目的。

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本文標題：數(shù)字化制造技術(shù)在航空發(fā)動機產(chǎn)品中的應(yīng)用研究

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