基于數(shù)字化模型的轉(zhuǎn)子工藝自動(dòng)設(shè)計(jì)

孫治豐 ，陳曉峰 ，付少龍，王紅艷

（1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

1 引言

產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)，又稱(chēng)基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)［1］（MBD，Model Based Definition），是一種使用三維CAD 軟件中的三維數(shù)字化數(shù)據(jù)來(lái)提供產(chǎn)品及其零部件的信息的技術(shù)［2-3］。它改變了傳統(tǒng)模式下的用三維實(shí)體模型描述幾何形狀信息，而用二維圖紙來(lái)定義產(chǎn)品的尺寸與公差以及工藝信息的定義方法，數(shù)字化模型也取代了傳統(tǒng)的二維圖紙成為設(shè)計(jì)制造中的唯一數(shù)據(jù)來(lái)源?？傮w來(lái)講，產(chǎn)品數(shù)字化定義經(jīng)歷了從二維到三維的發(fā)展過(guò)程［4］。

2 數(shù)字化模型的的數(shù)據(jù)內(nèi)容

產(chǎn)品的數(shù)字化定義模型數(shù)據(jù)內(nèi)容主要有模型基準(zhǔn)、模型坐標(biāo)系統(tǒng)、實(shí)體模型、尺寸公差標(biāo)注、注釋信息以及其它定義數(shù)據(jù)。產(chǎn)品數(shù)字化定義模型數(shù)據(jù)集內(nèi)容構(gòu)成如圖1所示。

3 轉(zhuǎn)子模型中特征加工方法的選擇

由產(chǎn)品數(shù)字化定義模型的組成結(jié)構(gòu)可知，任何一個(gè)產(chǎn)品或零部件都可以分解為若干個(gè)待加工的特征。在確定了其各個(gè)特征的加工方法以后，產(chǎn)品整體的加工方法也就隨之確定了。因此，產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)中加工方法的選擇過(guò)程實(shí)質(zhì)上是各個(gè)組成特征的加工方法確定過(guò)程。特征加工方法的選擇主要考慮加工表面的尺寸精度和表面粗糙度值、零件材料性能、零件熱處理狀況等因素。

圖1 產(chǎn)品數(shù)字化模型的內(nèi)容組成

工件加工表面的尺寸精度和粗糙度在很大程度上決定了加工方案的選擇，如果尺寸精度較高、粗糙度值較低，則需經(jīng)過(guò)多次加工工序才能達(dá)到所要求的精度，如對(duì)于精度要求較低的外圓柱面，一次粗車(chē)加工即可，而對(duì)于高精度的外圓面則需采用粗車(chē)→精車(chē)→磨削的加工方案。零件材料的韌性、脆性、導(dǎo)熱率等性能對(duì)切削加工方法的影響較大。對(duì)于強(qiáng)度和硬度較低、塑性較小且導(dǎo)熱率較高的材料切削性能較好，一般的加工方法均可加工，而對(duì)于合金類(lèi)材料則需選擇特定的加工方法。此外，零件熱處理后對(duì)于材料性能改變較大，熱處理前后的加工方式有較大改變。熱處理工藝的工序安排也是工藝規(guī)劃中一項(xiàng)重要的內(nèi)容。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子屬于典型的回轉(zhuǎn)類(lèi)零件，圖2所示為某中高壓整體鍛制轉(zhuǎn)輪型轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)圖，由其形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，轉(zhuǎn)子的加工主要是圓柱特征外圓表面以及孔特征內(nèi)表面的加工，為了選擇合理的加工方式，首先需要分析轉(zhuǎn)子的精度要求以及各種加工方式所能達(dá)到的精度范圍。外圓表面各種加工方式所能達(dá)到的精度等級(jí)如圖3所示；孔的各種加工方式及所能達(dá)到的精度等級(jí)如圖4所示。

圖2 某型號(hào)轉(zhuǎn)子的三維整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 外圓面加工鏈網(wǎng)絡(luò)圖

圖4 孔加工鏈網(wǎng)絡(luò)圖

轉(zhuǎn)子外表面中主要表面的粗糙度要求為Ra0.4 至Ra0.8，其余表面為Ra3.2。由圖3 可知轉(zhuǎn)子外圓表面采用粗車(chē)-半精車(chē)-精車(chē)-精細(xì)車(chē)的加工方式即可達(dá)到精度要求?？椎谋砻娲植诙纫鬄镽a1.6 至Ra6.3。由圖4 可知采用鉆-粗鏜-半精鏜的加工方式即可達(dá)到精度要求。

4 產(chǎn)品模型中特征加工順序安排

加工順序是指產(chǎn)品加工工序的先后排列次序，它直接決定了加工質(zhì)量的好壞、生產(chǎn)效率的高低以及產(chǎn)品的整體經(jīng)濟(jì)性。加工順序的編制是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，需要考慮很多相關(guān)因素，遇到的實(shí)際情況也千差萬(wàn)別。因此，加工順序的編制沒(méi)有統(tǒng)一的方法可循。一般來(lái)講，主要考慮以下幾方面的問(wèn)題。

（1）特征的加工順序。一般而言，應(yīng)首先加工零件中主特征的加工面，后加工附加特征的加工面；先加工圓柱、圓錐等特征的外表面，然后加工光孔、螺紋孔等特征的內(nèi)表面。對(duì)于某一具體特征加工面而言，應(yīng)先安排其粗加工工序，后安排精加工工序。

（2）加工基準(zhǔn)面的選擇。對(duì)于產(chǎn)品的加工工藝而言，主要考慮的基準(zhǔn)是定位基準(zhǔn)。選擇定位基準(zhǔn)要遵循以下幾項(xiàng)原則：定義基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合的原則；精基準(zhǔn)首先加工的原則；粗基準(zhǔn)一般只能使用一次的原則；安裝面與導(dǎo)向面時(shí)應(yīng)選擇尺寸較大的面的原則。

（3）特征中加工面的加工順序。產(chǎn)品的主要特征加工面一般是指比較重要的特征表面或者是精度和表面質(zhì)量都要求比較高的特征表面。這種表面直接影響到整個(gè)產(chǎn)品的整體質(zhì)量。由于精度高、加工過(guò)程復(fù)雜，工序較多，因此應(yīng)首先安排主要特征表面的加工順序，次要表面的加工可適當(dāng)?shù)陌才旁谄渲屑纯伞?/p>

（4）特征中輔助工序的安排。輔助工序一般是指熱處理及鉗工修理等工序。對(duì)于熱處理工序而言，一般可以分為四類(lèi)，即改善切削性能的熱處理、改善力學(xué)特性的熱處理、消除加工導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力的熱處理以及增加表面性能的熱處理。根據(jù)其目的的不同即可推斷合理的加工工序安排。一般而言，改善切削性能的熱處理應(yīng)放置在切削加工工序之前；改善力學(xué)特征的熱處理以及消除加工導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力的熱處理應(yīng)放置在粗加工工序與精加工工序之間進(jìn)行；增加表面性能的熱處理則應(yīng)放置在最后進(jìn)行。對(duì)于鉗工修理、去毛刺、打蠟等工藝，則應(yīng)按照工藝的要求適當(dāng)?shù)陌才旁诓煌墓ば蛑g或整體加工完成之后進(jìn)行。

5 基于產(chǎn)品特征的轉(zhuǎn)子加工工序生成

產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程就是根據(jù)產(chǎn)品的特征外形面選擇合適的加工方法和制造資源的過(guò)程。將每個(gè)外形面選擇合適的加工方法和加工設(shè)備之后，按照一定的規(guī)則組合排序即可完成整個(gè)工藝的設(shè)計(jì)。

本文采用基于AOS 樹(shù)的方式生成產(chǎn)品的加工工序。AOS 樹(shù)是一種用來(lái)表示產(chǎn)品的工藝特征元結(jié)構(gòu)的樹(shù)型結(jié)構(gòu)圖。AOS 樹(shù)由一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，若干個(gè)關(guān)系節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)組成。數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)表示工藝特征元，關(guān)系節(jié)點(diǎn)用來(lái)表達(dá)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，有A（And）型節(jié)點(diǎn)、O（Or）型節(jié)點(diǎn)以及S（Sequence）型節(jié)點(diǎn)、φ（空）型節(jié)點(diǎn)四種類(lèi)型，分別代表四種基本關(guān)系。

（1）A 型節(jié)點(diǎn)：A 型節(jié)點(diǎn)表示“與”關(guān)系，此類(lèi)型節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)為并列關(guān)系，且所有的數(shù)據(jù)均要使用，但順序可以是任意的，如圖5 中（a）所示。

（2）S 型節(jié)點(diǎn)：S 型節(jié)點(diǎn)表示“順序”關(guān)系，此類(lèi)型節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)須按照固定的順序執(zhí)行，即001→002→…→00n，如圖5 中（b）所示。

（3）O 型節(jié)點(diǎn)：O 型節(jié)點(diǎn)表示“或”關(guān)系，此關(guān)系節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)具有互斥關(guān)系，在選擇時(shí)只能選擇其中之一，如圖5 中（c）所示。

（4）φ 型節(jié)點(diǎn)：φ 型節(jié)點(diǎn)表示此節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)可以選擇，也可以不選，在選擇時(shí)按照A 型節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行。如圖5 中（d）所示。

圖5 AOS 樹(shù)中關(guān)系示意圖

圖6 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子調(diào)端軸頸段結(jié)構(gòu)圖

在分析完AOS 樹(shù)的表達(dá)方法之后，以調(diào)端軸頸為例，調(diào)端軸頸結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，建立其對(duì)應(yīng)的AOS 樹(shù)。調(diào)端軸頸段的主特征為基體圓柱，其它輔助特征包括軸肩、倒圓角、頂針孔、空刀槽以及螺紋孔。按照加工工序的排列準(zhǔn)則，應(yīng)先加工左端面的頂針孔，然后加工外圓柱面，接下來(lái)是端面、軸肩、倒圓角、空刀槽以及螺紋孔的加工。調(diào)端軸頸段詳細(xì)的AOS 樹(shù)如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子調(diào)端軸頸段的AOS 樹(shù)

在建立產(chǎn)品的AOS 樹(shù)之后，通過(guò)對(duì)所建立的AOS樹(shù)進(jìn)行遍歷即可生成對(duì)應(yīng)的加工工藝。AOS 樹(shù)的遍歷規(guī)則如下：從AOS 樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)出發(fā)，不同的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型采用不同的遍歷方法，當(dāng)遇到S 型節(jié)點(diǎn)時(shí)，則按照順序遍歷其中所有數(shù)據(jù)即可得到工藝路徑；遇到O 型節(jié)點(diǎn)是，則其中任意一項(xiàng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一種工藝路徑；當(dāng)遇到A型節(jié)點(diǎn)時(shí)，則按任意順序遍歷其中所有數(shù)據(jù)即可得到一種工藝路徑。對(duì)圖6所示的AOS 樹(shù)進(jìn)行遍歷可得到以下加工工藝：鉆頂針孔→鏜頂針孔→鉆頂針孔底孔→攻絲，粗車(chē)軸頸外圓面→精車(chē)軸頸外圓面→拋光軸頸外圓面，銑左端面→精車(chē)左端面，銑空刀槽→精車(chē)空刀槽，鉆螺紋孔→攻絲螺紋孔，粗車(chē)軸肩1→精車(chē)軸肩1→拋光軸肩1，粗車(chē)倒圓角1→精車(chē)倒圓角1，粗車(chē)倒圓角2→精車(chē)倒圓角2，粗車(chē)軸肩2→精車(chē)軸肩2→拋光軸肩2。

6 結(jié)論

本文主要研究產(chǎn)品數(shù)字化定義模型及其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)，確定產(chǎn)品數(shù)字化定義模型的數(shù)據(jù)內(nèi)容。從產(chǎn)品數(shù)字化定義模型的基礎(chǔ)理論及功能要求出發(fā)，確定模型中應(yīng)包含的產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，并以某型號(hào)轉(zhuǎn)子的調(diào)端軸徑為例，給出了外圓面和孔加工方法選擇的原則和加工工序安排，最后根據(jù)產(chǎn)品的特征構(gòu)成采用AOS 樹(shù)的方法生成了加工工序。

［1］Scott Knoche.Model Based Definition ［J］.Aerospace Special Section，2006（6）：2-7.

［2］QiuZhong Zhou,QingChun Fan.MBD Driven Digital Product Collaborative Definition Technology［C］//2010 Third International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems,2010：661-664.

［3］馮廷廷.基于MBD的飛機(jī)裝配工藝規(guī)劃與仿真［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2011：7-11.

［4］簡(jiǎn)建幫.基于MBD的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件協(xié)同設(shè)計(jì)制造技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2010：2-5.