航空發(fā)動機管路數(shù)字化制造及應用

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

航空發(fā)動機管路由于空間布局復雜、形狀大小各異、零組件種類繁多，導致其制造難度大、生產(chǎn)周期長。目前，我國航空發(fā)動機管路制造已基本實現(xiàn)基于三維數(shù)字模型的數(shù)控折彎，但受限于折彎回彈補償尚不成熟、不能準確切端和確定導管接頭的空間位置，仍采用先取樣后生產(chǎn)的模式，即在發(fā)動機金屬樣機上排管試裝來確定最終管形，制造過程中的環(huán)境、人為因素常導致管路的制造質(zhì)量不穩(wěn)定。同時，由于取樣通常還需外部樣機資源，給管路的生產(chǎn)管理也帶來極大的不便。特別是在新機研制階段，管路在設(shè)計初期改動頻繁，如果仍按照傳統(tǒng)模式進行加工，不僅周期長，而且成本高。

20世紀80年代開始，國外先進航空制造企業(yè)逐步將管路數(shù)字化設(shè)計、制造技術(shù)用于飛機的研制中。如美國波音公司在1986 年開始采用三維數(shù)字化技術(shù)對管路系統(tǒng)進行設(shè)計，并成功將管路數(shù)字化制造應用到波音777飛機項目中[1]。目前，國外先進航空制造企業(yè)在管路制造中廣泛采用管路CAD/CAM一體化制造技術(shù)，以CATIA三維設(shè)計軟件為平臺，結(jié)合虛擬裝配和數(shù)控彎管技術(shù)，實現(xiàn)導管制造全過程的數(shù)字量傳遞，并逐步取代管路取樣這一傳統(tǒng)方式[2]。在國外飛機三維數(shù)字化設(shè)計、制造技術(shù)的帶動下，國內(nèi)各飛機制造企業(yè)通過引進數(shù)控折彎機、數(shù)控測量儀等先進設(shè)備，使得我國的管路數(shù)字化制造技術(shù)得到迅速發(fā)展。近年來，國內(nèi)諸多學者對管路數(shù)字化制造中的諸如工裝數(shù)字化設(shè)計、數(shù)控折彎回彈補償?shù)葐雾椉夹g(shù)進行了相關(guān)研究[3-5]，同時在航天和飛機領(lǐng)域進行了管路數(shù)字化制造的嘗試[6-11]，但針對航空發(fā)動機管路的相關(guān)研究報道較少。

本文根據(jù)某型航空發(fā)動機管路制造需求，立足于制造企業(yè)現(xiàn)有資源和技術(shù)基礎(chǔ)，以Teamcenter 系統(tǒng)為平臺，利用NX 三維設(shè)計軟件、數(shù)控折彎設(shè)備、三坐標檢測儀等工具，以數(shù)控折彎補償技術(shù)和柔性組合夾具數(shù)字化拼裝技術(shù)為核心，梳理并建立航空發(fā)動機管路數(shù)字化制造流程，通過計算機系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)航空發(fā)動機管路制造全過程的數(shù)字化傳遞。研究結(jié)果可為改變航空發(fā)動機管路先取樣后生產(chǎn)的制造模式，以及實現(xiàn)外部管路數(shù)字化協(xié)同設(shè)計提供技術(shù)支持和參考。

2 航空發(fā)動機管路數(shù)字化制造流程設(shè)計

航空發(fā)動機管路數(shù)字化制造流程相對于傳統(tǒng)制造方法，取消了取樣環(huán)節(jié)，將整個制造、檢驗過程數(shù)字化，使外部管路制造可以和整機零、部件制造并行開展，縮短制造周期，同時提高管路制造的快速反應能力。以某制造企業(yè)現(xiàn)有資源和實際生產(chǎn)條件為基礎(chǔ)，梳理并建立了航空發(fā)動機管路數(shù)字化制造流程(圖1)，主要包括：

(1)根據(jù)航空發(fā)動機管路三維數(shù)字化設(shè)計模型，提取需加工的物料清單及三維數(shù)模。每個管路組件的加工分為兩個相對獨立的步驟，一是管路組件中導管的數(shù)控折彎，二是管路組件的柔性組合夾具拼裝，兩個步驟可以同步進行。

(2)采用數(shù)控折彎設(shè)備，進行貫徹折彎回彈的導管折彎。將設(shè)計數(shù)據(jù)中的空間xyz坐標轉(zhuǎn)換為數(shù)控折彎機的增量彎管數(shù)據(jù)LRA。其中，L表示管子送進量，R表示管子旋轉(zhuǎn)角，A表示管子折彎角。坐標轉(zhuǎn)換時，利用工藝知識數(shù)據(jù)庫，將導管貫徹回彈補償值后折彎，折彎好的導管通過激光掃描儀矢量測量是否符合設(shè)計要求。對于測量不合格的折彎導管，需進行折彎修正。

圖1 航空發(fā)動機管路數(shù)字化制造流程圖Fig.1 Aero-engine pipeline digital manufacturing process

(3) 柔性組合夾具采用基于Teamcenter系統(tǒng)的數(shù)字化拼裝技術(shù)進行設(shè)計。在制造企業(yè)現(xiàn)有組合夾具實物資源基礎(chǔ)上，通過Teamcenter 系統(tǒng)，以NX 軟件為工具進行參數(shù)化建模設(shè)計，建立柔性組合夾具三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)庫。以設(shè)計輸入的每個管路組件為目標，進行組合夾具數(shù)字化拼裝設(shè)計，加工現(xiàn)場根據(jù)拼裝完成的三維模型結(jié)合設(shè)計要求進行實物拼裝，拼裝好的實物利用三坐標測量儀進行檢驗，并與設(shè)計數(shù)據(jù)進行對比。

(4)將折彎合格的導管以及管路組件的其他零件，在檢測合格的組合夾具上連接定位，點焊固定管接頭與導管形成初步的管路組件，并進行焊接。由于存在焊接變形，焊接好的管路組件需進行管形和關(guān)鍵點的復檢，復檢合格后的管路組件再進行X 光檢測、打壓試驗等后續(xù)工作。對于復檢不合格的管路組件，需要進行微調(diào)。

(5)管路組件在發(fā)動機上進行總裝。對于不能滿足裝配需要的管路組件，可按設(shè)計要求進行管路校形。校形后仍不能滿足要求的，需提交設(shè)計部門核實設(shè)計數(shù)據(jù)的可靠性，重復上述步驟，直至合格。

3 航空發(fā)動機管路數(shù)字化制造關(guān)鍵技術(shù)

在航空發(fā)動機管路數(shù)字化制造流程中，基于數(shù)據(jù)庫的導管折彎回彈補償、柔性組合夾具數(shù)字化拼裝是關(guān)鍵技術(shù)。通過導管的數(shù)控折彎，保證管形的空間走向，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的折彎回彈數(shù)據(jù)庫是折彎回彈預測的前提。柔性組合夾具數(shù)字化拼裝技術(shù)是根據(jù)管路三維數(shù)模，快速、精確實現(xiàn)空間管形限位，用于保證管路組件中管接頭、三通等關(guān)鍵位置的空間定位。

3.1 基于數(shù)據(jù)庫的導管折彎回彈補償技術(shù)

結(jié)合某型發(fā)動機管路制造生產(chǎn)實際，開展航空發(fā)動機管路常用不銹鋼導管回彈量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，形成導管折彎回彈補償數(shù)據(jù)庫。首先，在此發(fā)動機管路制造初期，采用一個管路組件使用兩套導管進行折彎加工，得到折彎回彈數(shù)據(jù)，以此建立導管折彎數(shù)據(jù)庫，然后利用初步建立的數(shù)據(jù)庫進行導管折彎回彈預測，并在后續(xù)的制造過程中不斷修正、完善。導管數(shù)控折彎及數(shù)據(jù)庫初步構(gòu)建如圖2 所示，具體流程為：

(1)折彎1#導管。導管根據(jù)設(shè)計數(shù)模的空間坐標(x,y,z)轉(zhuǎn)換為增量折彎坐標(L,R,A)，并在數(shù)控折彎機上進行導管折彎。

(2)檢驗1#導管的折彎數(shù)據(jù)。通過激光測量儀測量得到1#折彎導管的折彎數(shù)據(jù)(L1,R1,A1)，并根據(jù)理論角度和折彎實際角度的差值得到導管折彎回彈補償量Δ，即Δ=A-A1。

(3)貫徹回彈補償量，折彎2#導管。將折彎回彈量貫徹到2#導管的折彎數(shù)據(jù)中，此時的增量折彎坐標為(L,R,A+Δ)。通過激光測量儀測量得到2#折彎導管的折彎數(shù)據(jù)(L2,R2,A2)，并與理論數(shù)據(jù)(L,R,A)對比，分析誤差，確定折彎導管是否可用。

(4)對于未貫徹回彈補償?shù)?#導管，待2#導管折彎并檢驗合格后，以此為樣件將1#導管校形，滿足要求后可用。

圖2 導管數(shù)控折彎及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建Fig.2 Pipeline NC bending and database construction

圖3 基于數(shù)據(jù)庫的折彎回彈補償流程Fig.3 Database-based bending springback prediction process

利用建立的數(shù)據(jù)庫進行導管折彎回彈預測，具體如圖3 所示。對于某一導管，通過制造坐標的增量折彎數(shù)據(jù)與所建立的導管折彎數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的對比，得到是否有與之匹配的補償數(shù)據(jù)。如有，則直接得到回彈補償值，貫徹回彈補償后進行折彎；如沒有，則可通過線性插值求得回彈補償值，貫徹這一回彈補償后再進行折彎。折彎后的導管采用激光掃描儀快速測量導管管形，并與理論管形進行對比，不合格的通過校形修正，直至合格。每完成一次上述流程，即可更新既有的數(shù)據(jù)庫，以此不斷完善和豐富導管折彎回彈預測數(shù)據(jù)庫。

按上述流程，經(jīng)過前期該型發(fā)動機多個臺份的管路制造，獲得了大量的制造數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)考慮了實際加工中管材、管徑、折彎半徑、折彎角度、折彎速度、折彎方法等因素對折彎回彈的影響。同時，將其他型號發(fā)動機管路制造的數(shù)據(jù)完善豐富到所建立的數(shù)據(jù)庫中，不斷提高折彎回彈預測的精度。

表1列舉了某導管的折彎數(shù)據(jù)，表2對該折彎數(shù)據(jù)進行了誤差分析。結(jié)果表明：實際加工中，導管折彎送進量和旋轉(zhuǎn)角相對理論管形的誤差很小，工程應用中可忽略；導管折彎角誤差由無回彈補償?shù)淖畲?5.27%降低到折彎回彈補償后的不到1.20%，滿足設(shè)計要求。需注意，節(jié)點1和節(jié)點6的導管送進量的誤差主要由導管兩端預留的加工余量造成。

3.2 柔性組合夾具數(shù)字化拼裝技術(shù)

根據(jù)傳統(tǒng)方法，新管路加工前需根據(jù)管路的標準樣件來進行組合夾具的拼裝，然后交由管路制造人員進行管路焊接，待管路加工完成后拆卸組合夾具用作其他零組件的工裝拼裝使用。這一方法的前提是具備管路的標準樣件，在只有管路三維數(shù)模而沒有實物的情況下無法實現(xiàn)，且拼裝好的組合夾具數(shù)據(jù)難以有效保存和復制。為解決上述問題，提出了基于Teamcenter系統(tǒng)的柔性組合夾具數(shù)字化拼裝流程，見圖4。

表1 導管折彎數(shù)據(jù)表Table 1 Pipeline bending data

表2 導管折彎數(shù)據(jù)誤差分析Table 2 Pipeline bending data error analysis

圖4 柔性組合夾具數(shù)字化拼裝流程Fig.4 Flexible fixture digital assembly process

柔性組合夾具數(shù)字化拼裝，首先以Teamcenter數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為平臺將組合夾具工裝實物數(shù)字化。開發(fā)了全三維數(shù)字化工裝模式，將參數(shù)化、模塊化設(shè)計的理念應用到工裝設(shè)計中，構(gòu)建工裝數(shù)據(jù)庫，搭建工裝數(shù)字化設(shè)計的系統(tǒng)構(gòu)架，實現(xiàn)工裝設(shè)計知識和經(jīng)驗的積累、重用與共享。隨后，工藝員在得到設(shè)計輸入的管路三維數(shù)模后，利用NX 軟件進行工裝的三維模擬裝配，并生成組合夾具的件號物料清單。數(shù)字化拼裝時，可以將管路組件上的外套螺母、堵頭等影響定位的零件做隱藏處理。為了減少夾具的使用，應合理選取拼裝基點，盡量降低夾具基礎(chǔ)塊與管路組件之間的高度。圖5給出了某一管路組件組合夾具數(shù)字化拼裝實例。最后，將拼裝好的三維模型圖和件號物料清單傳遞給拼裝和工裝檢驗人員。拼裝人員按照物料清單選取相應元件，根據(jù)三維模型圖和技術(shù)要求進行拼裝。對于因資源問題造成的所需元件無實物的，可利用其他尺寸的元件替換。夾具拼裝時的空間復雜問題，也可以在三維模型上進行測量計算。檢驗人員根據(jù)三維模型圖和相關(guān)的技術(shù)要求對拼裝完成后的工裝進行檢測(圖6)，合格后提交給使用單位。實際拼裝結(jié)果表明：基于數(shù)字化仿真技術(shù)的新型柔性組合夾具的拼裝精度達到了0.5 mm 以內(nèi)，相對傳統(tǒng)方法，其拼裝精度和一次拼裝合格率均提高了約一倍。

圖5 組合夾具數(shù)字化拼裝實例Fig.5 Flexible fixture digital assembly example

4 應用實例

在某發(fā)動機多個批次的管路制造中，應用所提出的管路數(shù)字化制造流程后，數(shù)字化制造率和一次裝機合格率不斷提高，同時縮短了近一半的制造周期，具體如表3 所示。試制的管路隨整機經(jīng)過多次分解裝配及長時間試車驗證，發(fā)動機管路狀態(tài)良好，未出現(xiàn)管路變形、漏油、管接頭磨損等現(xiàn)象。

圖6 組合夾具實物及檢驗Fig.6 Flexible fixture physical object and test

表3 某型發(fā)動機管路數(shù)字化制造效果對比Table 3 Aero-engine pipeline digital manufacturing effect contrast

5 結(jié)論

(1)立足于航空發(fā)動機制造企業(yè)現(xiàn)有資源，設(shè)計確定了管路數(shù)字化制造流程，試制的管路在發(fā)動機上安裝合格率達到了96%，并隨整機進行了試驗，管路狀態(tài)良好。表明該制造流程具有可實現(xiàn)性和可操作性，且能夠快速反應，并行制造。

(2)實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)庫的導管折彎回彈補償預測及形變控制，構(gòu)建的導管折彎回彈補償流程及數(shù)據(jù)庫使導管折彎誤差降低到1.2%以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

(3)基于Teamcenter 平臺，提出了管路三維數(shù)字化模型的柔性組合夾具數(shù)字化拼裝技術(shù)。相對傳統(tǒng)方法，其拼裝精度和一次拼裝合格率均提高了約一倍。