基于流程驅(qū)動(dòng)和模型定義的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣三維工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征和加工變形控制，決定了機(jī)匣工藝設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，如何實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的工藝設(shè)計(jì)，成為型號研制的重要研究方向。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制換代，機(jī)匣結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)呈現(xiàn)復(fù)雜化和復(fù)合化的趨勢。機(jī)匣結(jié)構(gòu)屬于典型的精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易變形的薄壁零件，突出問題在于工藝設(shè)計(jì)的快速反應(yīng)能力和薄壁難加工材料的變形控制[1]。傳統(tǒng)離散式二維工藝設(shè)計(jì)無法基于二維圖樣實(shí)現(xiàn)全面制造工藝要素的快速工藝和質(zhì)量保障的響應(yīng)能力。因此，工藝設(shè)計(jì)在提高工藝質(zhì)量、工藝效率的驅(qū)動(dòng)下，針對高度復(fù)雜的機(jī)匣殼體零件，研究基于模型定義（MBD）的數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)源的高效率高質(zhì)量工藝設(shè)計(jì)方法尤為重要。MBD的三維工藝已經(jīng)在航空制造、雷達(dá)、軍事裝備等領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究和探索[2-3]，并取得了較好的成果。本文通過對機(jī)匣結(jié)構(gòu)與工藝分析，提出MBD機(jī)匣的數(shù)字化三維工藝設(shè)計(jì)方法，并建立基于工作流驅(qū)動(dòng)的工藝任務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)高效率高質(zhì)量工藝設(shè)計(jì)。

工藝分析

機(jī)匣零件作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的環(huán)形承力結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以分為整體機(jī)匣、對開機(jī)匣以及帶整流支板機(jī)匣等，如圖1所示。惡劣的工況和輕量化、復(fù)合化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨勢，決定了機(jī)匣具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征和高度精密的制造要求。機(jī)匣主體結(jié)構(gòu)一般為薄壁的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，內(nèi)外壁分布復(fù)雜流道和異形特征，如支板、型腔、凸臺(tái)、異形槽以及精密孔等，這些復(fù)雜特征極大地提高了機(jī)匣工藝設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。但各類機(jī)匣的機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)特征具有較大的同類性和相似性，為數(shù)字環(huán)境下基于模型和特征加工的機(jī)匣三維工藝設(shè)計(jì)提供了契機(jī)。

圖1 機(jī)匣結(jié)構(gòu)

由于機(jī)匣的機(jī)械加工工藝需要處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征和精度要求，所以機(jī)匣機(jī)械加工工藝的布局與變形控制具有較高的要求。在機(jī)匣的具體工藝制造中，由于性能要求和復(fù)雜特征使得加工方法不僅僅包含數(shù)控車削、多軸銑削，還包括電火花加工、熱處理、表面強(qiáng)化等特種工藝，導(dǎo)致機(jī)匣工藝過程極其復(fù)雜、工序極其繁多。機(jī)匣作為薄壁精密構(gòu)件，局部結(jié)構(gòu)剛性差，為了消除機(jī)匣加工的薄壁變形誤差，往往一個(gè)機(jī)匣工藝需要分散成數(shù)十道工序。

設(shè)計(jì)路線

MBD機(jī)匣的三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)方法路線如圖2所示,由于機(jī)匣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和制造信息，直接識(shí)別和提取整個(gè)MBD的數(shù)據(jù)難度很大，所以在數(shù)字化環(huán)境下通常采用對MBD的模型特征分解和分步識(shí)別。由于各類機(jī)匣的設(shè)計(jì)特征具備同類型和相似性，使得基于特征識(shí)別的機(jī)匣MBD設(shè)計(jì)模型解析和數(shù)據(jù)提取的三維工藝設(shè)計(jì)具備可行性。所以，在MBD機(jī)匣的三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)中，首先對特征進(jìn)行逐一識(shí)別，提取每一個(gè)特征的幾何形態(tài)、尺寸信息和拓?fù)潢P(guān)系。將機(jī)匣典型工藝及加工方法推送給識(shí)別特征，匹配生成每個(gè)特征的切削體，與導(dǎo)入毛坯或根據(jù)零件創(chuàng)建的毛坯布爾計(jì)算出工藝模型。再調(diào)用預(yù)制的三維工藝規(guī)范模板，輸出三維機(jī)械加工工藝文件。

圖2 MBD機(jī)匣的三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)路線

工藝流程

機(jī)匣工藝設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜工程系統(tǒng)，除了對機(jī)匣模型進(jìn)行加工方法設(shè)計(jì)，還需要集成工裝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、刀具設(shè)計(jì)、過程仿真等系列協(xié)同環(huán)節(jié)，完善工藝制造的全部要素。同時(shí)，為了提升工藝設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，在協(xié)同工藝集成的基礎(chǔ)上，引入流程驅(qū)動(dòng)的方法，實(shí)現(xiàn)流程化驅(qū)動(dòng)多角色協(xié)同的機(jī)匣工藝設(shè)計(jì)體系。具體過程為：首先，梳理機(jī)匣機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)流程的邏輯關(guān)系，利用順序驅(qū)動(dòng)、條件驅(qū)動(dòng)和循環(huán)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化為實(shí)際工藝任務(wù)的工作流[4]，并搭建流程驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的固化機(jī)匣工藝設(shè)計(jì)流程；其次，根據(jù)工藝任務(wù)，確定工藝專家、工藝員、數(shù)控編程、工裝設(shè)計(jì)、仿真不同角色的職責(zé)和權(quán)限；最后，啟動(dòng)工藝任務(wù)流程驅(qū)動(dòng)源，將工藝設(shè)計(jì)流程的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)化成任務(wù)驅(qū)動(dòng)，指示相應(yīng)角色完成系列工藝活動(dòng)。

關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)匣特征識(shí)別及信息提取

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)由MBD的模型代替了傳統(tǒng)的二維圖樣，MBD的模型成為三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。由于零件特征決定了加工方法，所以三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)的起始數(shù)據(jù)來源于模型的特征和加工信息，因此如何進(jìn)行特征識(shí)別和信息提取極為關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)MBD機(jī)匣的特征識(shí)別，是根據(jù)獲取的特征拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以及提取的屬性、邊界和位置，重新組合形成具有工藝語義的加工特征，如表1所示，根據(jù)機(jī)匣的結(jié)構(gòu)和加工方法，其加工特征可歸納為車削加工類特征、銑削加工類特征和鉆孔類特征。

表1 機(jī)匣特征識(shí)別分類

機(jī)匣典型工藝知識(shí)及加工方法推送

一般情況下，機(jī)匣工藝設(shè)計(jì)的精度保證和變形控制，往往取決于優(yōu)化的工藝方法和成熟的工藝路線。而機(jī)匣典型工藝知識(shí)庫就是固化各類機(jī)匣優(yōu)化成熟的工藝及加工方法，在新工藝設(shè)計(jì)時(shí)直接引用相應(yīng)機(jī)匣的典型工藝和加工方法，從而達(dá)到高效率高質(zhì)量的工藝決策規(guī)劃[5]。但引用一個(gè)完整機(jī)匣工藝直接復(fù)用在另一個(gè)零件，由于工藝的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)難度很大。因此，較好的方法是將工藝知識(shí)庫拆分后分步引用，機(jī)匣工藝知識(shí)庫可以拆分成典型工藝庫、加工方法和工藝資源庫。

在建立機(jī)匣典型工藝庫中，關(guān)鍵點(diǎn)在于利用機(jī)匣零件的結(jié)構(gòu)相似性、工藝相似性和材料相似性，將零件進(jìn)行分類并劃分零件族，梳理出族類典型工藝路線；新建零件工藝設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)零件族類直接調(diào)用典型工藝路線，則形成新零件的工藝路線；建立加工方法庫，重點(diǎn)在于針對加工特征梳理出加工方法、加工余量等工藝參數(shù)，并構(gòu)建加工方法與加工特征的參數(shù)化關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)加工方法及參數(shù)的調(diào)用和推送；最后，工藝資源庫是設(shè)備、工具、工裝等資源，輔助完成工藝規(guī)范全要素輸出。

機(jī)械加工過程工序模型生成

機(jī)匣三維工藝設(shè)計(jì)需要全工序三維工藝模型表達(dá)機(jī)械加工過程，所以工藝模型創(chuàng)建是三維工藝設(shè)計(jì)的核心。由于機(jī)匣結(jié)構(gòu)異型，機(jī)械加工工藝采用去除余量法生成的模型比較符合實(shí)際加工過程。因此，機(jī)匣三維工藝模型創(chuàng)建核心是利用特征信息構(gòu)造特征切削體，各個(gè)特征切削體逐步去除毛坯余量而創(chuàng)建工藝模型的過程。構(gòu)建切削體主要分為車削切削體和非車削切削體。車削切削體是機(jī)匣車削回轉(zhuǎn)類特征識(shí)別后生成的最大實(shí)體輪廓線，根據(jù)加工余量值偏移、編輯輪廓線得到車削切削體輪廓線，回轉(zhuǎn)建模構(gòu)造車削切削體，如圖3所示。非車削切削體是機(jī)匣銑削和鉆削類特征（如型腔、孔、槽口等）根據(jù)特征位置、拓?fù)溥吔鐦?gòu)建相應(yīng)特征的幾何切削體，構(gòu)建過程如圖4所示。

圖3 車削特征的切削體構(gòu)建方法

圖4 非車削特征的切削體構(gòu)建方法

工序尺寸繼承與計(jì)算

工序模型生成過程中，工序模型能夠計(jì)算和繼承設(shè)計(jì)尺寸數(shù)據(jù)，有效提高工藝設(shè)計(jì)效率。圖5是三維尺寸信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在以特征加工為基礎(chǔ)的三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)過程中，通過特征識(shí)別對設(shè)計(jì)模型中的特征所關(guān)聯(lián)的尺寸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解構(gòu)與調(diào)整，并依靠尺寸的參照面與特征加工的關(guān)聯(lián)面實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。所以，尺寸繼承與計(jì)算關(guān)鍵在于找出尺寸的關(guān)聯(lián)面與參照面信息。在工序模型中依據(jù)設(shè)計(jì)尺寸參照面原點(diǎn)與法向量，創(chuàng)建相同的參照面，然后依據(jù)特征加工信息對特征關(guān)聯(lián)面進(jìn)行調(diào)整，由設(shè)計(jì)模型中加工余量為零的特征關(guān)聯(lián)面轉(zhuǎn)化至工序模型中帶有余量的中間加工特征面，并修改尺寸值為實(shí)體數(shù)據(jù)值，修改尺寸參照面為中間加工特征關(guān)聯(lián)面，完成工序模型中的尺寸創(chuàng)建，達(dá)到工序尺寸繼承與計(jì)算的效果。

圖5 三維尺寸信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

可視化三維呈現(xiàn)技術(shù)

完成全部工藝要素后，模型和工藝的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過配置與可視化工藝模板的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的映射，最終輸出可視化三維工藝文件?？梢暬S工藝文件通過制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和現(xiàn)場終端實(shí)現(xiàn)車間工藝指導(dǎo)。其中，在工藝指導(dǎo)過程中，可以交互式對工藝模型及細(xì)節(jié)進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放，并可以交互顯示加工內(nèi)容與模型加工面及尺寸信息的關(guān)聯(lián)。

實(shí)施應(yīng)用

選擇一種典型環(huán)形機(jī)匣零件作為應(yīng)用案列，基于上述工藝設(shè)計(jì)思路，開展流程驅(qū)動(dòng)和模型定義的數(shù)字化三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)，其實(shí)施過程具體為：機(jī)匣設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)布在產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)后，啟動(dòng)工藝設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)源；工藝任務(wù)發(fā)送至制造部門，并由工藝專家對零件族進(jìn)行分類和評估，并派發(fā)工藝設(shè)計(jì)任務(wù)和工裝協(xié)同任務(wù)；工藝員將傳遞來的MBD機(jī)匣模型作為工藝輸入源開展工藝設(shè)計(jì)，通過特征識(shí)別解析機(jī)匣零件加工特征和制造屬性；根據(jù)零件族類和結(jié)構(gòu)，調(diào)用相應(yīng)的典型工藝，并推送工藝參數(shù)和加工方法；根據(jù)工藝評估結(jié)果微調(diào)工藝和加工方法，實(shí)現(xiàn)全工序工藝模型創(chuàng)建和計(jì)算；工裝協(xié)同任務(wù)完成后錄入機(jī)匣制造資源庫，調(diào)用資源庫完善機(jī)匣全部工藝要素，輸出和發(fā)布工藝；在工藝模型和制造工具完善的基礎(chǔ)上，傳送工藝模型和制造工具激活數(shù)控編程、加工仿真等工作流，如圖6所示；最后，實(shí)現(xiàn)車間機(jī)匣數(shù)字化制造，如圖7所示。

圖6 工藝模型驅(qū)動(dòng)編程與仿真工作流

圖7 車間機(jī)匣數(shù)字化制造實(shí)物

結(jié)束語

基于流程驅(qū)動(dòng)和模型定義的三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì),是提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣工藝制造效率和質(zhì)量的有效技術(shù)手段。面對型號研制，深入研究及應(yīng)用基于模型定義的三維工藝設(shè)計(jì)，建立流程化驅(qū)動(dòng)的協(xié)同制造體系，是機(jī)匣工藝制造實(shí)現(xiàn)數(shù)字化協(xié)同制造的重要環(huán)節(jié)，有利于提升企業(yè)高質(zhì)量制造水平和快速反應(yīng)能力。