基于MBD的三維工藝在機匣產(chǎn)品制造中的應用研究*

1 機匣產(chǎn)品對三維工藝技術的需求

航空發(fā)動機是飛機的“心臟”，也是一個國家加工制造技術的重要體現(xiàn)^[7]。機匣作為航空發(fā)動機上最關鍵、最重要的部件之一，是支撐轉子和固定靜子的重要部件，分布于航空發(fā)動機風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪以及排氣系統(tǒng)等部件^[8–9]。機匣零件一般為回轉體結構，并通過配置不同的特征（比如凸臺、型腔、槽、孔等）來達到不同部位的使用性能。受工作環(huán)境的影響，不同部位的機匣采用不同的加工材料^[10]。

航空發(fā)動機機匣零件是航空發(fā)動機加工制造的重點也是難點之一，不同的材料、不同的特征以及不同的形位公差要求都需要采用與之匹配的加工工藝，并且需要有相當?shù)墓こ虒嵺`經(jīng)驗后才能熟練應用，由于不同技術人員工程經(jīng)驗的差異造成現(xiàn)有機匣加工工藝穩(wěn)定性、成熟性和可靠性不高。

為了適應數(shù)字化生產(chǎn)條件下的機匣加工工藝需求，需要利用數(shù)字化手段，總結、集成并整合各種類型、各種特征的加工經(jīng)驗，形成可直接調(diào)用的機匣加工工藝知識庫，通過數(shù)字化的手段確保機匣加工工藝的穩(wěn)定性、成熟性和可靠性。

三維數(shù)字化工藝設計首先利用特征提取和識別技術分析零件MBD 模型，得到以特征為單位的幾何、工藝信息。然后，通過工藝推理和決策模塊獲得所提取特征，識別加工需要的設備和工藝參數(shù)信息。在此基礎上，通過人機交互編排工藝過程確定每道工序加工內(nèi)容，再構建零件毛坯模型，然后基于每道工序加工內(nèi)容正向從毛坯到零件自動創(chuàng)建每道工序的三維工序模型，最后推理每道工序的設備及刀具等加工參數(shù)，從而形成零件的加工工藝過程。數(shù)字化工藝設計軟件技術路線如圖1所示。

通過特征識別技術可以對機匣零件的MBD 模型進行特征識別以及信息提取，形成加工特征并提取特征的幾何信息以及非幾何信息。特征識別技術基于三維模型的幾何信息以及幾何拓撲關系進行重新融合并形成加工特征，再通過標注的關聯(lián)體轉換和匹配，得到特征的制造信息。

機匣零件特征主要分為回轉面系、錐底槽、側壁、孔系、平面、環(huán)槽等類型特征，按照加工方法進行定義，如圖2 所示。

圖2 機匣零件特征分類
Fig.2 Feature classification of casing parts

圖3 錐底槽特征識別
Fig.3 Cone bottom groove feature recognition

針對機匣類型零件，定義一套加工知識庫，基于識別的特征的幾何信息與制造信息進行加工方法推理，推理出特征的加工步驟以及余量。如機匣中的錐底槽特征經(jīng)過知識庫的推理得出的加工步驟為“粗銑—半精銑”，且粗銑的底面與立面的余量為0.5 mm，如圖4所示。

圖4 錐底槽加工方法推理
Fig.4 Reasoning of processing method of tapered bottom groove

圖5 機匣零件工藝知識庫框架
Fig.5 Process knowledge base framework of casing parts

圖6 參數(shù)過程圖知識定義與應用過程示意圖
Fig.6 Schematic diagram of knowledge definition and application process of parameter process diagram

圖7 特征加工方法推理流程定義
Fig.7 Definition of reasoning process of feature processing method

首先自動生成機匣零件的毛坯。在定義毛坯時，自動計算機匣零件的輪廓線，根據(jù)零件的輪廓線做偏移自動產(chǎn)生毛坯的輪廓線，輪廓線的每一段可以進行偏移、刪除或者連接等編輯操作，保存后產(chǎn)生圖8 中的黃色線的毛坯輪廓線圖。根據(jù)毛坯輪廓線進行旋掃可自動產(chǎn)生機匣零件的毛坯模型。

圖8 機匣零件毛坯輪廓線
Fig.8 Rough outline of casing parts

圖9 機匣零件工序模型圖
Fig.9 3D Process model of casing parts

隨著三維CAD、可視化技術在制造業(yè)企業(yè)的推廣應用，工藝設計手段也逐步地從二維工藝向三維工藝進行轉變，因此許多企業(yè)也逐步應用了3D PDF（圖10），將三維模型輸出至3D PDF 格式的工藝卡片中，使用三維模型替代原有二維工程圖。

圖10 3D PDF 工藝卡片
Fig.10 3D PDF process card

以一種典型的航空發(fā)動機機匣零件為例，應用機匣產(chǎn)品三維工藝技術實現(xiàn)機匣產(chǎn)品三維數(shù)字化工藝設計。整個工藝設計過程以基于NX 二次開發(fā)的應用程序?qū)崿F(xiàn)，調(diào)用工藝知識庫進行加工推理。主要應用步驟如下。

（1）通過三維工藝設計軟件對機匣三維模型進行特征識別，提取機匣模型幾何信息以及非幾何信息并形成加工特征集（圖11）。

圖11 部分機匣零件特征集
Fig.11 Model feature of casing parts

圖12 典型機匣零件加工過程實例
Fig.12 Examples of machining process of typical casing parts

基于MBD 的三維數(shù)字化工藝在機匣產(chǎn)品中的應用，以機匣產(chǎn)品為核心，基于MBD 模型進行制造特征識別，結合特征參數(shù)與加工方法實現(xiàn)工藝的智能推理與規(guī)范化設計，自動生成工序模型，達到工藝高質(zhì)量和高效率的快速設計。

[1]石雷, 謝新春, 王勃, 等. 基于MBD 項目三維工藝技術應用研究[J]. 航空標準化與質(zhì)量, 2020(1): 20–22, 38.

SHI Lei, XIE Xinchun, WANG Bo, et al. Research on application of 3D technology based on MBD project[J]. Aeronautic Standardization &Quality, 2020(1): 20–22, 38.

[2]鞏玉強. 基于數(shù)字模型的工藝設計與應用[J]. 航空制造技術, 2020, 63(8): 26–35.

GONG Yuqiang. Process design and application based on digital model[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2020, 63(8): 26–35.

[3]余志強, 陳嵩, 孫煒, 等. 基于MBD 的三維數(shù)模在飛機制造過程中的應用[J]. 航空制造技術, 2009, 52(23/24): 82–85.

YU Zhiqiang, CHEN Song, SUN Wei, et al. Application of MBD–based three–dimensional module in aircraft manufacturing[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2009, 52(23/24): 82–85.

[4]焉嵩, 路騏安, 胡志強, 等. 航天產(chǎn)品三維數(shù)字化工藝設計模式探索[J]. 航天制造技術, 2019(3): 64–67.

YAN Song, LU Qian, HU Zhiqiang, et al. Mode exploration of 3D digital process planning for aerospace products[J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2019(3): 64–67.

[5]沈進, 李長春. 基于UG/WAVE 的產(chǎn)品參數(shù)化建模技術[J].中國制造業(yè)信息化, 2008, 37(13): 27–29.

SHEN Jin, LI Changchun. The parameter modeling technology of products based on UG/WAVE[J]. Manufacture Information Engineering of China, 2008, 37(13): 27–29.

[6]張賀,邵曉東,仇原鷹, 等. 基于體分解的軸類零件工序模型自動生成方法[J/OL].計算機集成制造統(tǒng), [2021–04–21].http://opac.lzlib.org.cn:8080/interlibSSO/goto/4/+jmr9bmjh9mds/kcms/detail/11.5946.TP.20201202.1721.009.html.

ZHANG He, SHAO Xiaodong, QIU Yuanying, et al. Automatic generation method of shaft parts process model based on volume decomposition[J/OL]. Computer Integrated Manufacturing System, [2021–04–21].http://opac.lzlib.org.cn:8080/interlibSSO/goto/4/+jmr9bmjh9mds/kcms/detail/11.5946.TP.20201202.1721.009.html.

[7]林靜. 航空發(fā)動機機匣構件機械加工工藝優(yōu)化[J]. 科技創(chuàng)新與應用, 2017(2):164.

LIN Jing. Optimization of mechanical processing technology of aero–engine casing components[J]. Technology Innovation A, 2017(2):164.

[8]徐吉存. 航空發(fā)動機機匣加工工藝研討[J]. 世界制造技術與裝備市場, 2018(3): 63–65.

XU Jicun. Process discussion about aviation engine casing processing[J]. World Manufacturing Engineering & Market, 2018(3):63–65.

[9]葛永成. 高溫合金機匣電解加工技術基礎研究[D]. 南京:南京航空航天大學, 2018.

GE Yongcheng. Basic research on electrochemical machining for superalloy casing[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2018.

[10]張志革, 王敏豐. 航空發(fā)動機機匣機械加工過程中變形因素分析及變形控制[J]. 中國設備工程, 2020(15): 214–215.

ZHANG Zhige, WANG Minfeng. Deformation factors analysis and deformation control during machining process of aero engine casing [J].China Plant Engineering, 2020(15): 214–215.