基于MBD技術(shù)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件三維工藝規(guī)程卡定義

王虓， 王細(xì)洋

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌330063）

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，尤其是在飛機(jī)制造領(lǐng)域，給工藝設(shè)計(jì)工作帶來了很大的便利。然而，即使在計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，某些與生產(chǎn)關(guān)系密切的工序卡片卻仍然保持老式的2D 狀態(tài)，并未因?yàn)樾录夹g(shù)的應(yīng)用而發(fā)生改變。一個(gè)主要的原因是主要的研究都是集中在計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)工藝決策上，而對(duì)于新型的工序卡的設(shè)計(jì)卻常常被忽視。因此，本文目標(biāo)是利用現(xiàn)有的三維CAPP 技術(shù)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的工序卡片進(jìn)行定義，更加直觀、系統(tǒng)地表現(xiàn)出零件的各種加工特性，有助于工人的理解，提高生產(chǎn)效率。工序卡片的主要內(nèi)容為工藝信息，擬作為工藝注釋，依附于三維MBD（ModelBasedDefinition）模型中。

工藝規(guī)程［1］是表格化的零件機(jī)械加工工藝過程，是工藝數(shù)據(jù)的格式化載體。工藝規(guī)程也是計(jì)算機(jī)輔助零件工藝過程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要生成結(jié)果。目前的工藝規(guī)程是以二維形式表達(dá)的，存在如下問題：（1）不能及時(shí)、無縫地處理三維零件信息。CAD 系統(tǒng)輸出的是三維零件模型，為了轉(zhuǎn)換成二維工藝卡，需要人工輸入工藝信息。在內(nèi)容表達(dá)上，工藝與設(shè)計(jì)信息是分開的。工序簡(jiǎn)圖脫離了三維產(chǎn)品模型，工藝設(shè)計(jì)過程中，工序簡(jiǎn)圖往往需要重新繪制，工序簡(jiǎn)圖與產(chǎn)品模型無法實(shí)現(xiàn)全相關(guān)，一旦產(chǎn)品模型發(fā)生變化，工序簡(jiǎn)圖不能關(guān)聯(lián)改變。（2）直觀性不夠。作為指導(dǎo)零件機(jī)械加工的法規(guī)性文件，內(nèi)容定義和二維圖形表達(dá)不夠清晰直觀。

有關(guān)三維工藝規(guī)程定義，在三維CAPP 的研究中關(guān)注者很少，雖然有學(xué)者［3］研究了三維工序模型，對(duì)于工藝規(guī)程的表現(xiàn)，卻仍然沿用老式的二維工序卡模式，即將加工信息和加工特征相互分離。

基于模型的工程定義MBD 技術(shù)將轉(zhuǎn)變以往的利用三維實(shí)體模型來表述幾何信息，而利用二維工程圖紙來標(biāo)注尺寸、公差和工藝信息的產(chǎn)品數(shù)字化定義方法。此外，MBD 將改變以往的以工程圖紙為中心，三維實(shí)體模型輔助的制造方法，它將三維實(shí)體模型作為唯一依據(jù)應(yīng)用在生產(chǎn)制造過程中。

本文試圖基于MBD 技術(shù)，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件三維工藝規(guī)程的內(nèi)容和表達(dá)方式作出定義。

2 MBD 技術(shù)簡(jiǎn)介

MBD 技術(shù)利用集成的三維實(shí)體模型來對(duì)產(chǎn)品定義信息進(jìn)行完整的表達(dá)，因此比較詳細(xì)地規(guī)定了三維實(shí)體模型中的非幾何信息的表述：標(biāo)注規(guī)則（尺寸，公差）和工藝信息。

MBD 產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型是零件信息完整表述的數(shù)據(jù)集合。涵蓋了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的幾何形狀信息，原先定義在二維工程圖中的尺寸、公差、工藝信息等MBD 模型信息內(nèi)容如圖1 所示，零件模型信息可以概括的分為三類：（1）幾何形狀信息：描述了產(chǎn)品的外形、尺寸信息；（2）零件屬性信息：表達(dá)了產(chǎn)品的原料規(guī)范、分析數(shù)據(jù)等產(chǎn)品輔助信息；（3）零件標(biāo)注信息：包含了產(chǎn)品尺寸與公差范圍、制造工藝和精度要求等制造過程中必須的工藝信息。此外，MBD 零件模型中還可以包含零件裝配信息，可由裝配零件模型加以符號(hào)文字方式表達(dá)的標(biāo)注組成。

在MBD 技術(shù)的應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)還處在探索階段。主要表現(xiàn)為基于MBD 技術(shù)的產(chǎn)品定義尚不完善，以MBD為核心的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造模式尚不成熟，MBD 的設(shè)計(jì)、制造和管理規(guī)范還有待完善。部分航空制造企業(yè)探索應(yīng)用了MBD 技術(shù)，例如，梟龍戰(zhàn)機(jī)以及ARJ21 飛機(jī)機(jī)頭的研制中，成飛公司沿著數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展方向，其傳統(tǒng)的以數(shù)字量為主、模擬量為輔的協(xié)調(diào)工作法開始被全數(shù)字量傳遞所代替，已經(jīng)取得了一定的成果［8］。然而，在大部分型號(hào)項(xiàng)目中，仍處于以二維圖為中心、三維模型為輔的管理方式，沒有形成以MBD 為核心的制造模式，這種方式造成數(shù)據(jù)傳遞過程中管理復(fù)雜、效率低下、成本高昂、信息利用率低。

圖1 MBD 零件模型結(jié)構(gòu)

3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件

3.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體骨架和氣動(dòng)外形的主要部件，品種繁多，功能重要。從結(jié)構(gòu)類型看，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件包括框、梁、肋、接頭等幾類典型零件。為了降低重量，增加強(qiáng)度，往往在結(jié)構(gòu)件包含了各種復(fù)雜型腔、筋。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的典型加工特征，可以歸納為腔槽、筋和輪廓3 大類，每種主要特征又包含相應(yīng)的子特征。

與一般機(jī)械零件相比，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件具有形狀復(fù)雜、空穴多、壁板薄等特點(diǎn)，零件對(duì)形位精度要求高，重量控制和使用壽命要求很高。機(jī)械加工難度大，易變形，效率低。

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中，整體結(jié)構(gòu)件的比例越來越大。整體結(jié)構(gòu)件不是由零件簡(jiǎn)單組合而成，而是利用整塊毛坯加工而成。因此整體結(jié)構(gòu)件的要求外形精準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)剛性好，比強(qiáng)度高，重量輕，氣密性良好。整體結(jié)構(gòu)件可以減少零件和連接件的數(shù)量，減少裝配變形，降低了制造成本。同時(shí)大部分結(jié)構(gòu)件的特征類型可以歸納為如圖2 的幾個(gè)特征。

圖2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征分類

3.2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件機(jī)械加工工藝

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的總體發(fā)展趨勢(shì)決定了其工藝特點(diǎn)［2］：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大。從機(jī)械加工工藝角度來講，要合理分配粗、半精、精加工的加工余量，以達(dá)到對(duì)零件加工變形的控制。而對(duì)于某些雙面零件來說，對(duì)其加工要有一定的時(shí)效工序而且在總體面上要均勻加工。為了保證零件表面加工質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)需求，是要多種刀具進(jìn)行切削加工的。而閉斜角部位，先是通用刀具加工，然后鉗工修磨。對(duì)于有外形要求的薄壁件最好一次性加工完成。例如，考慮到最近幾年大量的數(shù)控機(jī)床應(yīng)用到制造企業(yè)中，加工框類零件，一般的加工步驟為，先將板材毛坯經(jīng)過數(shù)控加工出零件，然后由鉗工修磨以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 基于MBD 技術(shù)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件三維工藝規(guī)程定義

4.1 二維工藝規(guī)程

機(jī)械加工工藝規(guī)程包括工藝路線卡和機(jī)床工序卡，機(jī)械加工工藝規(guī)程的一般設(shè)計(jì)原則為：（1）確保加工質(zhì)量，可靠地達(dá)到產(chǎn)品圖樣所提出的全部技術(shù)條件。（2）提高生產(chǎn)率，保證按期完成生產(chǎn)任務(wù)。（3）減少人力和物力的消耗，降低生產(chǎn)成本。（4）盡量降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，使操作工人有安全良好的工作條件。

雖然航空企業(yè)一直以來使用老式二維工序卡，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，二維工序卡片的不足也越顯突出。例如，不能將設(shè)計(jì)要求良好地表達(dá)到加工工序中，尤其是航空企業(yè)中，越來越多的大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，其大量的加工特征是二維工序卡難以完整表達(dá)的。而且二維工序卡片中，零件的幾何信息和非幾何信息的結(jié)合問題，一般都是在零件圖標(biāo)注，將加工工步填寫到表格中，對(duì)于小型簡(jiǎn)單的零件而言問題沒有那么顯著，而對(duì)于大型復(fù)雜零件，工作量大，效率下降，而且容易造成輸入錯(cuò)誤。

4.2 MBD 模型在三維規(guī)程中的體現(xiàn)

在三維工序圖中的MBD 模型中含有大量的幾何信息和非幾何信息。幾何信息包括零件實(shí)體特征造型；非幾何信息至少應(yīng)該包括：（1）零件說明：零件的制造工藝要求，幾何公差要求，精度要求，技工技術(shù)和表面處理要求；（2）標(biāo)注說明：傳達(dá)零件結(jié)構(gòu)特征的加工工藝需求，如刀具選擇，進(jìn)刀量等；（3）材料描述，該說明應(yīng)該在零件的設(shè)計(jì)圖中展示出來，因此在工藝卡片中可以不另行說明；（4）工序的工步順序說明：由于目前加工大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件主要依靠數(shù)控機(jī)床一次走刀自動(dòng)完成，因此這種情況下，此類信息可以省略；（5）尺寸標(biāo)注集：加工零件的完整尺寸信息。

4.3 三維工序卡的內(nèi)容

（1）在使用MBD 技術(shù)下，對(duì)應(yīng)加工部位只顯示對(duì)應(yīng)的尺寸信息。因?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)件MBD 模型的信息量大，如果全部顯示則因繁雜不方便閱讀，因此需要對(duì)標(biāo)注進(jìn)行必要的隱藏和顯示，每個(gè)工步只顯示與加工步驟相應(yīng)的零件非幾何信息。

（2）在三維工序卡中，應(yīng)當(dāng)顯示零件的加工過程，零件加工部位需要不同的顏色加以展示，以方便工人閱讀。不同的加工精度也可以利用顏色直接顯示在數(shù)模上（如用橙、綠、藍(lán)、黃色分別表示粗、半精加工和精加工、超精加工）。

（3）工藝語言的輸入［5，6］。因?yàn)榇蟛糠诛w機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工都是由數(shù)控機(jī)床來完成，加工一次走刀完成，所以在三維工序卡片中的工藝語言的輸入并不需要和以往的二維工序卡片一樣遵循著輸入格式問題，可以利用注解信息來說明，或者直接將工步信息寫在尺寸標(biāo)注之上，將文字說明和幾何信息相互結(jié)合。此外，語言輸入上要力求簡(jiǎn)潔和直觀。如工步信息粗銑槽、加工余量1mm，刀具：通用銑刀φ10，主軸轉(zhuǎn)速1200r/min，切削速度400m/min。進(jìn)給量0.5mm/r，進(jìn)給深 度 1mm。 可 表 示 為： 粗 細(xì) 槽 余 量 1（TX10 1200X400X0.5X1）

4.4 實(shí)例

如圖3 所示為某飛機(jī)結(jié)構(gòu)件零件的設(shè)計(jì)模型，包含了三維的零件模型和標(biāo)注信息，技術(shù)要求等。

圖4 為粗銑零件的凹槽。因?yàn)槭谴旨庸?，故用橙黃色來顯示該槽的加工表面。此外將加工余量選為1mm，刀具選擇為通用銑刀φ10，主軸轉(zhuǎn)速1200r/min、切削速度400m/min、進(jìn)給量0.5mm/r、進(jìn)給深度1mm。

圖5 為加工孔的工序卡，因?yàn)榭椎募庸こ叽缫蟾?，為精加工，故最后加工。加工表面用藍(lán)色顯示出來。將工步內(nèi)容直接標(biāo)注在孔尺寸之前，這樣閱讀起來更為方便。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一個(gè)新型的三維工序卡片，將最新的MBD技術(shù)融合其中。三維零件模型比二維圖紙更能直觀地表達(dá)零件的設(shè)計(jì)模型、各種加工特征。而MBD 技術(shù)的標(biāo)注，可以將機(jī)械加工工藝與零件模型相互結(jié)合，集中表現(xiàn)出零件的幾何信息和非幾何信息，在今后的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件零件加工生產(chǎn)中，提高了工人閱讀工藝內(nèi)容的速度，提高了生產(chǎn)率。

圖4 工序卡1（粗銑槽）

圖5 工序卡2（精鏜孔）

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（編輯 啟 迪）