数字化制造技术在航空发动机产品中的应用研究

作者：石竖鲲 马艳玲 张森棠

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 航空发动机零部件数字化制造技术涉及CAD/CAM技术、数控设备、产品数据管理、信息集成等诸多技术内容，其核心是产品数据的数字化表达、存储和交换，基本平台是计算机网络、数字化设备，基本方式是协同、并行和集成。 航空发动机零部件制造过程一直是新技术、新工艺应用的重点领域，同时也是对技术更新有迫切要求的行业。航空发动机零部件数字化制造技术涉及CAD/CAM技术、数控设备、产品数据管理、信息集成等诸多技术内容，其核心是产品数据的数字化表达、存储和交换，基本平台是计算机网络、数字化设备，基本方式是协同、并行和集成。数字化工艺设计、数控加工技术、虚拟制造技术、智能控制技术以及企业资源数据管理技术等构成了产品研制协同设计制造过程中的基础支撑技术[1]。 近年来，CAD/CAM/CAE技术、高性能数控机床及控制系统应用的不断深入，推动了航空发动机产品数字化制造技术的发展，从根本上改变了传统的工艺设计和制造模式，数字化制造已经成为提高航空发动机制造企业制造能力和研制能力的重要手段之一。 基于MBD技术的数字化工艺及其应用 MBD（Model Based Definition），即基于模型的工程定义，是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法体，它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。MBD改变了由三维实体模型来描述几何形状信息，而用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法。同时，MBD使三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以工程图纸为主、以三维实体模型为辅的制造方式。 1 MBD技术的应用现状 产品三维模型虽然包含了二维图纸所不具备的详细几何形状信息，但是不包括几何公差、尺寸公差、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合形式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围和颜色、要求符合的规格与标准等非几何形状信息。基于这一情况，美国机械工程师协会与波音公司共同制订了“数字化产品定义数据规程（ASMEY14.41）标准体系，其主导思想不只是简单地将二维图纸的信息反映到三维模型中去，而要充分利用三维模型所具备的表现力，去探索便于用户理解、更具效率的设计信息表达方式。 国内航空企业在MBD技术应用方面与国外发达航空企业仍然存在很大的差距，主要表现在： （1）基于MBD技术的产品定义工作尚处于探索阶段； （2）以MBD为核心的数字化工艺设计和产品制造模式尚不成熟； （3）三维数模并没有贯穿于整个产品数字化制造过程中； （4）MBD的设计、制造和管理规范还有待完善； （5）三维数字化设计制造一体化集成应用体系尚未贯通。 2 MBD工艺数据转化 基于MBD的三维数据需要将设计意图添加到三维模型中去，不仅包含精确的几何模型，还包含尺寸、公差、基准、属性等数据信息。MBD技术应用的首要条件是以工艺为牵引，形成在三维模型中进行三维标注的标准和规范，以完整准确地表达产品零部件本身的几何属性、工艺属性、质量检测属性以及管理属性等信息，满足工艺设计、制造过程各个阶段对数据的需求。 2.1 MBD设计数据及构成 基于模型的数字化定义核心内容是产品的几何模型，所有相关的工艺描述信息、属性信息、管理信息（包括零件表）等都附着在产品的三维模型中。MBD设计数据主要包括几何模型、注释和属性3部分。具体分解为零件的几何模型、零件的尺寸和公差标注、零件结构树几何定义部分、零件结构树标注定义部分、关键特征的标注、零件的注释说明、零件加工工艺过程所必须提供的产品描述性定义信息和装配连接定义。 2.2 MBD工艺数据转化相关技术 MBD设计数据是建立在能够准确表达设计理念的基础之上的，一方面，能够直接获取的数据信息包括模型、注释和属性信息，这些数据信息必须建立在相关标准体系完善的前提下，才能够被工艺设计直接引用；另一方面，工艺设计需要完整的数据信息，由于MBD数据有大量的未注几何信息，需要定义或制定相应规则加以约束，这样才能保证MBD数据的唯一性，而这些数据只能通过提取、分析、查询等技术手段间接获取。 因此，必须在准确把握设计思想的基础上，寻找将MBD设计数据转化为工艺数据的解决方案。涉及的主要技术如下： · 三维模型尺寸和公差标注技术； · 多视图生成技术； · 加工要求标注技术； · 特征视图捕获创建与管理技术； · 附加标准依据信息技术； · 采用零件模型进行三维装配模型的标注技术。 3 基于MBD技术的数字化工艺准备 数字化工艺准备的技术环节包含从获取设计数据到最终产品交付的全过程，包括设计数据解析、三维机加工艺设计、工艺文件管理、数控加工工艺准备、数据传输、制造数据浏览等技术环节。基于MBD技术的三维机加工艺设计系统包括MBD设计数据转化系统、三维机加工艺设计系统和并行工艺准备环境3个部分。 3.1 三维设计数据转换 （1）协同设计制造环境。 基于PDM系统，建立三维设计数据和三维机加工艺数据的管理结构。 （2）基于MBD技术应用相关标准。 通过直接参与相关标准制定，设计制造协同工作，结合典型零件MBD技术应用验证，满足工艺设计的需要。 （3）MBD应用技术。 三维设计数据识别、工艺数据转化技术，技术标准。 （4）三维工艺数据获取。 由三维模型、注释、属性构成的三维设计数据向三维工艺数据的转换，分别建立三维工艺数据的模型、注释、属性数据集。 3.2 工艺设计 工艺设计系统工具包括三维机加工艺设计工具、三维机加工艺设计包、初始化环境、交互编辑器组成，具体内容如下。 （1） 在三维环境下设计工艺，建立以二维为主、三维为辅的MBD工艺。 （2） 结合结构化工艺系统，完成工艺设计工作。 （3）工艺主模型直接利用三维设计模型，保证工序模型与主工艺模型完全或间接关联，在UG环境下完成工艺设计。 （4） 工艺设计过程文件和工艺文件由PDM 系统统一管理。通过工艺审批流程，锁定工艺，三维工序模型提供下游（编程、工装设计）使用。 3.3 并行工艺准备 （1）数控程序的生成包括数控刀轨文件和NC代码两部分。 ·数控刀轨文件。 数控刀轨文件就是通常的UGCAM部分，这部分内容包含工序模型、毛坯模型、加工刀具、刀位轨迹等信息。 ·NC代码。 NC代码文件为后置处理后的文件，选择分类选择的后置处理文件，生成NC代码文件，NC代码文件提交PDM进行管理。数控程序仿真也是不可或缺的一个环节，仿真验证后确保数控程序的准确性，自动生成仿真报告。 （2）工装设计。 工装设计可直接调用工序模型，通过PDM系统发起工装设计申请流程，工装设计部门接到任务后，利用三维工序模型设计工装，设计完成后，结束工装设计申请流程。 （3）工艺文件发放。 工艺规程在PDM发布后，可以在现场工控机上浏览二维的工序图表。NC程序、测量程序需要通过网络DNC传递到现场数控机床，经过首件验证合格后，数控程序仿真审批流程加状态归档。 数字化加工技术及其应用 CAD/CAM技术是数字化制造中的核心技术之一，该技术发展初期主要以适应航空产品零件品种多、批量小、形状复杂、精度高等特点为目标，是实现高效率自动化生产的必由之路，并逐渐成为航空发动机产品制造的主要技术手段之一。 1 基于特征的快速编程技术 通用编程软件NX-CAM适用围广，但不是针对特定产品的，编程效率不高。根据航空发动机零部件的结构特点，在典型工艺研究的基础上，开发基于加工特征的快速编程系统。该系统采用基于标准操作的加工知识库，为每个特征创建加工过程模板，实现加工特征的自动识别、刀轨自动定义、刀具参数自动选择、工艺规程自动输出等功能，主要包括零件分类及工艺分析、毛坯生成、夹具生成、应力分析及变形控制、工艺资源与知识库管理、自动编程、前后置处理和工艺文件生成等功能。 2 基于精度指标的快速程编技术 基于特征的编程技术能够识别加工特征，但不是针对零部件加工精度指标的，只是解决了一个方法的问题，适应范围相对有限。为此，利用NX CAM基于特征的加工及FBM最新技术建立的编程自动化系统，将分析来自任何CAD系统的三维几何体，并检测其中的特征及类型，通过在NX CAM特征导航器中或直接在部件上浏览并检验这种特征，识别特征的关键属性如位置、尺寸、公差等，然后自动确定每个特征最佳或优选的加工方式。 3 快速数控加工准备技术 数控加工准备工作通常包括借/还刀、装/卸刀、换刀、借夹具、调整工装（拉直找正）、领料（或半成品）、装夹零件、设置X/Y 原点、对刀（Z 原点）、领取工艺文件、传输数控程序、试运行、倒压板等。快速准备技术就是要把上述准备工作区分机内准备（是指机床必须停机才能做的准备工作）和机外准备（是指机床不需停机就可以做的准备工作），机外准备由专人来完成（解放机床操作工），如刀具、工装、毛料配送等，同时采取措施提高机内准备效率，如快速换装定位技术、自动躲刀技术等。 4 加工防错技术 在加工过程中，由于操作者的工作疏忽或操作方法不当等造成产品质量事故，因此应针对常见的错误，采取一定的技术手段，来达到防错的效果，把错误消除在萌芽阶段。例如应用加工仿真技术，验证刀轨是否编排合理，检查机床、刀具、夹具和工件系统是否发生碰撞。来避免刀具轨迹错误，超程、干涉/碰撞、切伤零件等质量事故的发生[2]。 5 刀具失效分析技术 在实际加工过程中，刀具的磨损量是决定加工尺寸精度、加工表面质量以及零件加工变形的主要因素，目前急需从机理上解析并建立刀具磨损量与加工过程之间的关系模型，以刀具失效管理为核心有效控制加工过程，为工艺优化提供技术决策。 6 管路系统数字化制造技术 航空发动机管路系统数字化制造是在计算机软件硬件环境支撑下，工程设计人员基于工艺知识库采用数字化设计技术协同地完成各类制造信息的分析、描述与定义，如图1所示，对各类信息以数字形式表达并进行统一的管理，以数字信息驱动并完成管路系统的设计制造。 航空发动机管路系统数字化制造包括三维管路系统设计、空间布局规划、管路工艺设计和数控弯管成形等技术环节，能够解决航空发动机管路系统的三维空间布局和数控弯管最优成形问题和弯管成形裂纹、外壁过薄、皱褶和表面拉伤等一系列技术难点，目前已广泛应用于型号批产中。 数字仿真技术及其应用 目前，航空发动机产品的制造过程主要面临两方面的问题：一是如何用技术手段来保证数控程序的正确性，二是如何保证加工结果的准确性。目前，数字仿真技术应用局限在数控加工几何仿真、导管弯曲仿真、钣金冲压仿真等领域，还存在着范围不大、程度不深等问题。能否准确预测产品的加工过程和产品质量，为优化工艺路线和工艺参数提供可靠的依据，核心在于如何选择适合的技术手段。 1 集成数控加工仿真技术 数控加工几何仿真的主要目的是验证刀位轨迹的准确性、完整性，对欠切过切量、运动干涉碰撞现象预先分析，如果想要知道数控代码是否正确，就必须把数控代码和虚拟控制器集成在一个虚拟环境里做真实的模拟与仿真，最直观地反映设备、工装、工具和零件之间的运动关系。目前行业内尚处于单项技术和局部应用阶段，暴露出仿真过程完整性和仿真结果真实性无法控制的问题，也无法从真正意义上实现虚拟加工与实际加工的“无缝连接”。 具体解决方案如下： （1）将PDM系统担当一个公共平台的角色，提供统一的工艺信息、唯一的源数据（资源数据、功能性数据和关联数据），实现流程的电子化、结构化数据管理，以及过程数据的存储、分发、控制等功能。 （2）建立企业数字仿真资源数据库，实现资源数据的共享。 （3）将UG、VERICUT等功能性软件集成到PDM 系统上，UG软件对零件进行建模与程序后处理，VERICUT软件对数控程序进行仿真。仿真报告、数控工步卡等数控文件以数据集的形式自动挂载在零件工序树下。程序以mpf、nc、iso、ptp等格式用于现场生产，在加工结束后，优化的数控程序还可回馈到PDM系统中升版存储。为确保仿真结果的真实性，开发定制了VERICUT仿真报告，所有数控程序仿真后能够自动生成仿真结果文件。 2 均衡载荷工艺参数优化技术 基于均衡载荷理论的工艺参数优化技术与加工几何仿真技术的融合，实现了基于工况条件的NC 程序切削参数优化，带来了从常规的高效率、低成本加工向高稳定性、高质量加工的技术转变。 2.1 车加工工艺参数优化 常规的车加工为等余量均匀加工方式，对单一方向插补加工如X方向（圆柱面）或Z方向（端面）切削，切削力或切削载荷是均匀的；而对拐点变化部位如角度转接处、圆弧过渡部位，由于切削方向的变化需要选择复合插补方式，实际加工中切削力或切削载荷发生了急剧变化，成为加工过程不稳定、加工质量降低的技术难题，通常不得不采取保守的降低主轴转速或进给速度的解决方式。基于均衡载荷原则的车加工工艺参数优化方法根据材料的去除量调整工艺参数，保证了整个切削过程切削力基本均衡，优化后加工效率可提高40% 以上。 2.2 铣加工工艺参数优化 铣加工是一个最大限度去除材料的过程，通常分为粗加工、半精加工和精加工等多个阶段，一个突出的问题是各个阶段的加工余量变化异常不均匀，带来了后续加工切削载荷不均衡的加工难题。而基于均衡载荷原则的铣加工工艺参数优化方法可根据材料的去除量调整工艺参数，保证整个切削过程切削载荷基本均衡，能够达到工艺参数优化、切削过程稳定、加工效率提高的多重目标。 3 钣金成形仿真技术 主要包括钣金成形仿真软件的智能化工具的实际应用，如图2所示，一方面通过仿真，真实再现钣金的成形过程和板料成形过程中的裂纹、起皱、减薄、回弹等加工缺陷；另一方面，通过分析板料成形过程中的厚度变化云层图、FLC成形极限图、应力变化云图及截面厚度变化曲线，快速查找出产生缺陷的原因。 钣金成形仿真能够在实际生产之前，通过模拟成形过程，预先评估板材成形性能和技术方案可行性，让工艺技术人员在方案设计阶段轻松地去除错误的选择，在虚拟环境中进行反复的修改以优化设计参数。 结束语 航空发动机零部件数字化技术中的关键是数字化制造技术，这一环节是使数字化装备发挥应有作用、保证产品质量、降低制造成本、缩短在制品周期的关键。目前航空制造企业正处于技术快速提升阶段，应从数字化制造技术入手，通过建立设计制造协同机制和以研制为主体的数字化工程环境，达到促进航空制造企业数字化制造技术快速发展的目的。 参 考 文 献 [1] 王焱.飞机结构件数字化制造的关键技术与实施途径.航空制造技术，2005(4)：50-52. [2] 杜宝瑞.飞机制造业数控车间增效整体解决方案.沈阳：沈阳飞机工业（集团）有限公司，2007.(end)

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