航空發(fā)動機機匣類零件自動編程工具功能探索

蘭影鐸，薛慶增，于 武

（1.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，沈陽 110043；2.海裝沈陽局駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，沈陽 110043）

航空發(fā)動機具有價值高昂、研制周期長、技術(shù)復(fù)雜和材料高端等特點，有極高經(jīng)濟軍事和政治意義。近年來，隨著國內(nèi)外同行業(yè)之間競爭的日益激增及“中國制造2025”的提出，企業(yè)對航空發(fā)動機的制造周期、加工質(zhì)量及加工成本提出更高的要求，所以如何縮短航空發(fā)動機研制周期和產(chǎn)品質(zhì)量也成為亟待解決的問題。

機匣作為航空發(fā)動機重要承重部件，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高、薄壁易變形、工藝過程復(fù)雜、數(shù)控程序編制難、編程效率低等問題，所以機匣零件的加工質(zhì)量與加工效率直接制約著航空發(fā)動機的研制周期和研制效率，而通過智能化、自動化手段發(fā)展航空發(fā)動機的數(shù)控編程能力已成為提升航空發(fā)動機研制能力的一個重要發(fā)展趨勢。本文提出的航空發(fā)動機機匣類零件自動編程工具通過優(yōu)化工藝過程與數(shù)控編程方法，不僅可以有效解決編程難度大、人員培養(yǎng)周期長的弊端，也可以將常用數(shù)控加工方式以及加工參數(shù)、知識經(jīng)驗按編程規(guī)范有效集成，這不僅可以有效提升航空發(fā)動機機匣零件的數(shù)控程序編制質(zhì)量和編程效率，也可使零件的編程過程得到規(guī)范的管理。

1 航空機匣類零件數(shù)控編程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)控編程技術(shù)的集成化就是將編程系統(tǒng)、計算機輔助系統(tǒng)、加工過程控制系統(tǒng)以及后處理系統(tǒng)等功能系統(tǒng)集成在一個空間內(nèi)，進而實現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)的快速傳遞和空間的充分利用，最大限度地節(jié)省資源，提高產(chǎn)品加工的效率和質(zhì)量。在機械制造業(yè)、材料加工產(chǎn)業(yè)以及自動化產(chǎn)業(yè)中，特別是在航空航天、模具、汽車、通用機械等行業(yè)發(fā)揮著重要的作用，是現(xiàn)代工業(yè)中的重要組成部分。從廣義的角度考慮， 數(shù)控編程技術(shù)包括工藝技術(shù)、CAD /CAM 技術(shù)及數(shù)控加工仿真技術(shù)等[1]，圖1為數(shù)控編程技術(shù)的系統(tǒng)框圖。

圖1 數(shù)控編程技術(shù)系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of NC programming technology

航空領(lǐng)域的數(shù)控加工技術(shù)隨著計算機技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)的不斷發(fā)展而得到了迅猛的發(fā)展，高速加工、五軸聯(lián)動加工、車銑復(fù)合加工、精密加工技術(shù)等的應(yīng)用都得到了快速發(fā)展。其發(fā)展大致歷經(jīng)了手工編程階段和交互式圖形編程階段。相對于傳統(tǒng)的加工技術(shù)，航空產(chǎn)品的數(shù)控加工技術(shù)具有加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、適應(yīng)范圍廣、勞動強度低和有利于生產(chǎn)管理等特點。

為了適應(yīng)CIMS及CAD/CAM一體化技術(shù)的發(fā)展需要，數(shù)控編程系統(tǒng)出現(xiàn)了向集成化、智慧化和后置處理模塊化發(fā)展的趨勢[2]。目前，國內(nèi)外出現(xiàn)了多種基于特征的數(shù)控自動編程系統(tǒng)，如南京航空航天大學(xué)胡敏等[3]利用CATIA平臺開發(fā)的飛機結(jié)構(gòu)件特征快速編程系統(tǒng)。華中科技大學(xué)針對線切割加工特征以UG為二次開發(fā)平臺開發(fā)的線切割自動編程系統(tǒng)[4]。隨著航空發(fā)動機零件結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜化，傳統(tǒng)的編程方式已經(jīng)無法滿足實際生產(chǎn)需求，而現(xiàn)階段在航空發(fā)動機領(lǐng)域還沒有解決機匣類零件加工的自動編程方案，本文提出一種適用于航空發(fā)動機機匣零件的自動編程工具，以提高數(shù)控程序自動編制質(zhì)量和效率。

2 基于航空發(fā)動機機匣類零件的自動編程工具

基于航空發(fā)動機機匣類零件的自動編程工具包括加工信息預(yù)定義功能模塊、特征區(qū)域定義功能模塊、加工策略自定義功能模塊、基于知識經(jīng)驗數(shù)據(jù)的繼承、迭代優(yōu)化功能模塊[5]、數(shù)控程序防錯校驗功能模塊6個功能模塊。

2.1 加工信息的預(yù)定義工具

零件加工的數(shù)控程序質(zhì)量與機床、部件和刀具的工藝性能密切相關(guān)，而在實際編程過程中，工藝性能不同導(dǎo)致的數(shù)控程序差異性往往被技術(shù)人員忽略，所以為了編制基于部件、刀具等工藝性能的高質(zhì)量數(shù)控程序，現(xiàn)增設(shè)加工信息的預(yù)定義功能 （圖2）。加工信息的預(yù)定義包括機床信息定義、刀具信息定義和部件信息定義等，而這些信息的預(yù)定義需要在整個自動編程系統(tǒng)的操作初始階段完成，通過表面層的信息預(yù)定義與數(shù)據(jù)庫底層的策略庫相結(jié)合，完成基于工藝性能的數(shù)控程序構(gòu)建。

圖2 加工信息預(yù)定義工具Fig.2 Predefined tool for processing information

2.2 特征切削區(qū)域定義工具

特征切削區(qū)域定義技術(shù)是將典型機匣零件形狀結(jié)構(gòu)相似、加工工藝相同的一類特征區(qū)域歸納為一類工藝特征[6]，固化一類工藝特征的工藝加工策略，存儲在工藝策略庫，利用特征識別技術(shù)可實現(xiàn)一類工藝特征加工策略的自動生成。

2.3 加工策略自定義工具

加工策略，即加工出該特征所采用的加工方式，包括加工方法、刀具、切削參數(shù)和非切削參數(shù)等加工知識項，加工策略自定義技術(shù)可完成基于特征切削區(qū)域的加工策略的定義固化存儲[7]。用戶編制數(shù)控加工程序時，系統(tǒng)會根據(jù)零件的切削區(qū)域特點自動生成數(shù)控加工策略。

2.4 基于知識經(jīng)驗數(shù)據(jù)的繼承和迭代優(yōu)化工具

現(xiàn)階段數(shù)控程序編制過程中，切削參數(shù)、加工策略等數(shù)據(jù)、數(shù)值的設(shè)置往往依靠編程技術(shù)人員的經(jīng)驗，但這種經(jīng)驗數(shù)據(jù)的傳遞一般都不具條理性，不僅缺乏時效性，繼承性又比較差，而本系統(tǒng)的數(shù)控加工經(jīng)驗數(shù)據(jù)的繼承和迭代優(yōu)化技術(shù)[8]可以有效地將切削參數(shù)、加工策略等經(jīng)驗數(shù)據(jù)以文本的形式存儲起來，通過調(diào)取經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫即可加載應(yīng)用，且這些數(shù)據(jù)在使用過程中可實時的迭代更新。

2.5 數(shù)控程序質(zhì)量防錯校驗工具

數(shù)控程序編制后，刀軌仿真功能可以對刀軌的正確與否進行校驗[9]，但數(shù)控程序編制的質(zhì)量還無法評價，而防錯檢查插件可通過內(nèi)置的數(shù)學(xué)模型，對數(shù)控程序編制過程中的一些參數(shù)設(shè)置數(shù)值的合理性及是否缺漏項進行查找提醒并對參數(shù)的準確度進行模擬校驗。

3 航空發(fā)動機機匣類零件的自動編程工具系統(tǒng)框架及操作流程

3.1 自動編程工具系統(tǒng)框架

為解決航空發(fā)動機機匣類零件數(shù)控程序質(zhì)量難以有效控制、數(shù)控編程效率低及靈活性差等技術(shù)難題，本自動編程工具以公司現(xiàn)有數(shù)控程序編制平臺UG CAM為基礎(chǔ)開發(fā)，實現(xiàn)了加工信息的預(yù)定義工具、特征切削區(qū)域的定義和識別、加工策略自定義、經(jīng)驗數(shù)據(jù)有效繼承和加工參數(shù)迭代優(yōu)化等功能，具體自動編程工具系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 自動編程工具系統(tǒng)框架Fig.3 Framework of automatic programming tool

界面層用于顯示數(shù)據(jù)和接受用戶輸入的數(shù)據(jù)，為用戶提供一種交互式的操作界面[10]，本工具的界面層主要包括加工信息預(yù)定義模塊、自動化編程模塊和系統(tǒng)維護模塊。

功能層處于數(shù)據(jù)層和界面層的中間，負責(zé)系統(tǒng)邏輯計算的實現(xiàn)，包括加工信息預(yù)定義工具、特征區(qū)域定義工具、加工策略自定義工具、基于知識經(jīng)驗數(shù)據(jù)的繼承、迭代優(yōu)化工具、數(shù)控程序防錯校驗工具。

數(shù)據(jù)資源庫主要負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲，系統(tǒng)可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫資源的訪問調(diào)用優(yōu)化[11]，包括特征數(shù)據(jù)庫、工藝資源庫、工藝知識庫、加工策略庫和加工參數(shù)庫。

3.2 自動編程工具操作流程

此自動編程工具是針對航空發(fā)動機機匣類零件的一種數(shù)字化編程技術(shù)解決方案，可有效提高數(shù)控程序的編制質(zhì)量和效率。整個工作流程如圖4所示。

圖4 自動編程工具操作流程Fig.4 Operation process of automatic programming tool

（1）初始信息輸入，包括待加工零件的毛坯類型、零件材料、結(jié)構(gòu)類型等。

（2）在零件上選擇待編程的特征區(qū)域，系統(tǒng)會自動在特征庫內(nèi)搜索該特征區(qū)域類型是否已經(jīng)被定義過。

（3）如果工具中已經(jīng)定義過該類型的特征區(qū)域，自動編程工具會自動加載編程策略，用戶只需要進行若干加工參數(shù)的簡單修訂，經(jīng)數(shù)控程序校驗工具檢驗，如數(shù)據(jù)完整準確，即可完成編程操作的創(chuàng)建。反之，用戶需要創(chuàng)建新的編程操作，并進行加工參數(shù)設(shè)置，最后經(jīng)數(shù)控程序校驗工具檢驗，如數(shù)據(jù)完整準確即可完成編程操作的創(chuàng)建。

（4）無論是對數(shù)據(jù)庫中已有編程策略的修訂優(yōu)化，還是重新定義的編程策略，都可以一鍵儲存在數(shù)控庫中，以完成數(shù)控庫中加工策略繼承迭代優(yōu)化。

（5）對數(shù)控編程操作后置處理。

（6）生成數(shù)控工步卡。

4 結(jié)論

航空發(fā)動機機匣零件自動化編程工具是一款適應(yīng)于航空發(fā)動機機匣零件的結(jié)構(gòu)特點，可有效解決其編程難點的工具，定制的功能模塊可分別從編程防錯、編程經(jīng)驗繼承等多維度提升零件的編程質(zhì)量和效率，能夠幫助企業(yè)實現(xiàn)機匣類產(chǎn)品的快速制造，并提升企業(yè)生產(chǎn)制造能力，具體功能作用如下。

（1）加工信息預(yù)定義功能模塊將編程操作和工藝信息關(guān)聯(lián)，從工藝性能層面上有效提高編程的質(zhì)量。

（2）特征區(qū)域定義功能模塊和加工策略自定義功能模塊可完成各類特征的加工策略定義固化、存儲，從而有效地將現(xiàn)場編程經(jīng)驗的隱性加工知識顯性化。

（3）基于知識經(jīng)驗數(shù)據(jù)的繼承和迭代優(yōu)化功能模塊可實現(xiàn)某類特征的編程經(jīng)驗數(shù)據(jù)迭代優(yōu)化應(yīng)用，從而提升編程效率。

（4）數(shù)控程序防錯校驗功能模塊可實現(xiàn)數(shù)控編程切削參數(shù)的校驗及優(yōu)化，有效地規(guī)避編制過程中出現(xiàn)的人為因素對編程質(zhì)量和效率產(chǎn)生的影響。