面向航空機載產(chǎn)品基于特征的可制造性研究及應(yīng)用

石曉飛,丁東旭,王永鵬,張永紅,徐 偉

(慶安集團有限公司,陜西 西安 710077)

1 可制造性需求分析

近年來,隨著航空機載產(chǎn)品高度集成,零組件結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化、復(fù)合化、精密化,在設(shè)計開發(fā)與工藝設(shè)計階段缺乏有效的基于能力的可制造性評估,導(dǎo)致試制階段制造難度逐級遞增,同時在新品轉(zhuǎn)批產(chǎn)后制造成本不斷增加,基于能力的可制造性設(shè)計可以降低制造成本,提高試制效率?？芍圃煨栽O(shè)計(DFM)全稱為Design for Manufacturing,即面向制造的設(shè)計,可制造性設(shè)計和并行工程已被證明是適用于任何規(guī)模公司的設(shè)計方法。成本確定階段如圖1所示,當(dāng)產(chǎn)品被設(shè)計好之后,80%的成本已被確定。當(dāng)產(chǎn)品投入生產(chǎn)之后,95%的成本已被確定,所以很難在生產(chǎn)后期降低成本。圖2所示顯示了成本與公差等級的關(guān)系,公差太嚴(yán)將導(dǎo)致產(chǎn)品成本過高,失去競爭力。通過制造能力的顯性化描述,能夠輔助設(shè)計師在工程設(shè)計階段實現(xiàn)零件良好的制造性[1]。

圖1 成本確定階段

2 航空機載研發(fā)及可制造性的現(xiàn)狀

航空機載產(chǎn)品特點為典型的多品種、小批量、變狀態(tài)、高離散的新品與批產(chǎn)混線的制造模式,研發(fā)流程一直采用串行模式:圖樣設(shè)計→工藝審查→圖樣更改→圖樣發(fā)放。在設(shè)計階段,設(shè)計員由于缺乏工程實踐,多依賴于自身經(jīng)驗和借鑒繼承產(chǎn)品進行工程設(shè)計,在設(shè)計過程中的工藝性考慮不足,導(dǎo)致零件工藝性差,制造成本高。面向產(chǎn)品全生產(chǎn)周期的并行工程的需求,要求設(shè)計、工藝、工裝的高度協(xié)同,在研發(fā)時就需要考慮產(chǎn)品生命周期的所有要素,可制造性就是其中一個關(guān)鍵要素[2-6]。

1)設(shè)計迭代頻繁。

在設(shè)計開發(fā)階段,新產(chǎn)品技術(shù)成熟度低,以制造實物迭代為主,且迭代頻次高,以某型號產(chǎn)品為例,研制過程最高迭代12次,50%以上的部件及產(chǎn)品迭代9次以上。

2)工藝變更頻發(fā)。

工藝設(shè)計環(huán)節(jié)的質(zhì)量依賴工藝人員的經(jīng)驗,典型工藝重用度低,在生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用的工藝文件質(zhì)量參差不齊,制造過程中產(chǎn)生大量工藝變更。統(tǒng)計某機械加工單位發(fā)出的1萬余份工藝變更文件,按照批產(chǎn)與科研新品分類比例為1∶9,因工藝完善原因占比為79%,大部分工藝變更均會造成現(xiàn)場加工停滯等待。

3 基于特征的可制造性提升整體思路

基于零件的典型特征進行制造能力定義和評價,形成基于特征的制造能力基線,將制造能力基線嵌入設(shè)計開發(fā)階段以及工藝審查階段,在方案評審及工藝審查時應(yīng)用,提升設(shè)計圖樣的工藝性,降低制造階段難度;基于零件的相似特征實現(xiàn)典型工藝推送,提高成組零件工藝的重用度,從而提升工藝設(shè)計過程的可制造性。基于特征的制造能力模型如圖3所示。

圖3 基于特征的制造能力模型

3.1 典型特征的定義與識別

特征識別是指從CAD三維幾何模型中提取特征的幾何信息,與預(yù)定義的制造特征相比較,識別出產(chǎn)品及零件制造特征的過程[7]。設(shè)計特征應(yīng)用于設(shè)計階段,主要體現(xiàn)在零件結(jié)構(gòu),是構(gòu)成零件幾何形狀的抽象元素;制造特征應(yīng)用于制造階段,主要用于工藝設(shè)計階段,不局限于簡單的幾何形狀,而是包含了工藝約束條件及工程含義的確切加工形狀[8]。

本文涉及典型特征的對象主要是以制造特征為主,兼顧設(shè)計特征,對零件典型特征進行結(jié)構(gòu)化解析再組合,特征解析的原則基于統(tǒng)一的加工刀具、加工方法及加工參數(shù),例如針對活塞桿零件,將特征解析為精密外圓、密封槽、深孔等典型特征。這些特征定義是按照三統(tǒng)一的原則制定,基于這些定義的特征可以制定制造能力基線、典型工藝知識庫等。零件特征庫如圖4所示。

圖4 零件特征庫

圍繞典型零件的材料、特征、熱處理方式等3個維度進行分類編碼,對于各專業(yè)典型零件的特征進行定義,零件編碼由零件類型代碼(1位)、零件結(jié)構(gòu)代碼(2位)、材料/熱處理方式代碼(3位)、零件特征代碼(7位)4部分組成,其中,零件類型、零件結(jié)構(gòu)、材料/熱處理方式屬于分類碼,零件特征編碼方式為流水碼,構(gòu)成形式如圖5所示。

a) 編碼規(guī)則

b) 編碼結(jié)構(gòu)圖5 編碼規(guī)則與編碼結(jié)構(gòu)

3.2 基于典型特征制造能力的梳理

制造能力基礎(chǔ)是工藝知識的管理與應(yīng)用,同時將設(shè)備能力與現(xiàn)場專家技能結(jié)合的知識顯性化。結(jié)合本公司的制造專業(yè)特點,根據(jù)承制的零件類型按照成組的思路將通用特征完成拆分和定義后,將加工該特征的設(shè)備、刀具、工藝方法等組合進行能力評估,再通過以往的加工數(shù)據(jù)進行回歸分析,最終采用專家打分的方法形成基于特征的制造能力基線,以某幾類典型特征進行示例,具體方法如圖6所示。

圖6 能力梳理方法示例

按照上述方法進行評估打分,形成各專業(yè)特征能力基線,以殼體軸承孔特征為例完成結(jié)構(gòu)特征與制造能力梳理,殼體軸承孔特征分別按照孔徑尺寸、公差以及位置要求等3個特性進行定義和梳理(見圖7)。

a) 與孔基準(zhǔn)相關(guān)軸承孔特征

將梳理后特征作為對象,分別從設(shè)備能力、工藝方法和材料等3個維度進行能力統(tǒng)計和現(xiàn)場數(shù)據(jù)回歸,形成殼體軸承孔的加工能力基線,具體見表1。

表1 殼體軸承孔能力基線

3.3 基于特征的制造能力應(yīng)用

通過對機械加工專業(yè)8條生產(chǎn)線典型零件的特征進行歸類和定義,完成105種典型特征的制造能力基線梳理,這些制造能力基線作為知識歸集到設(shè)計工藝協(xié)同平臺中,同時作為能力知識進行發(fā)布,目前應(yīng)用在設(shè)計開發(fā)過程以及工藝審查過程中,設(shè)計人員在進行工程設(shè)計時通過設(shè)計工藝平臺中調(diào)用制造能力基線手冊,按照手冊中的約束信息進行公差選用與標(biāo)注,基于特征的制造能力的研究與應(yīng)用解決了設(shè)計圖樣的工藝性差的問題,提高了設(shè)計圖樣的制造性。制造能力基線應(yīng)用如圖8所示。

圖8 制造能力基線應(yīng)用

3.4 基于特征的工藝設(shè)計開發(fā)

將不同的特征組合關(guān)系形成的零件進行編碼,通過編碼將目標(biāo)零件與歷史零件進行相似度計算,找到與目標(biāo)零件相似的零件,然后優(yōu)先從典型工藝庫中選取與之相似的工藝,從而實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)工藝流程的推送,實現(xiàn)快速工藝設(shè)計。應(yīng)用層次分析方法(AHP)、逼近理想解的排序法的基本原理,并結(jié)合實際,研究出適應(yīng)基于零件特征編碼推理相似工藝的應(yīng)用方法,自主開發(fā)B/S架構(gòu)的專家打分系統(tǒng),通過專家打分的方式確定各種結(jié)構(gòu)、材料之間的局部相似度值,部署準(zhǔn)則層(結(jié)構(gòu)、材料、特征)、特征層權(quán)重后,通過輸入目標(biāo)實例零件編碼計算與庫實例所有零件的相似度比較結(jié)果,實現(xiàn)快速推送與新研產(chǎn)品流程相似的典型工藝[9-10]。基于零件特征編碼的實例推理如圖9所示。

圖9 基于零件特征編碼的實例推理

基于特征的工藝設(shè)計開發(fā)提高在工藝設(shè)計環(huán)節(jié)的知識重用度,提高工藝流程成組化、標(biāo)準(zhǔn)化,形成若干工藝CBB(共用基礎(chǔ)模塊),實現(xiàn)工藝設(shè)計環(huán)節(jié)的可制造性設(shè)計。

4 實施效果

基于特征的能力基線在工藝審查環(huán)節(jié)中應(yīng)用,從不同專業(yè)維度提出產(chǎn)品/零件基于能力可制造性的更改和完善建議,圖10所示為某產(chǎn)品在審查環(huán)節(jié)共提出2 000余條可制造性問題及意見,經(jīng)評審納入設(shè)計更改1 900余條,可制造性能力基線的應(yīng)用在制造階段提升了圖樣的質(zhì)量,促進了新品在試制階段的產(chǎn)出效率。

圖10 可制造性能力基線應(yīng)用

5 結(jié)語

面向可制造性研究與應(yīng)用提升了設(shè)計開發(fā)與工藝設(shè)計階段質(zhì)量,從而縮短了航空機載產(chǎn)品在試制階段的迭代周期?；诹慵卣鞯闹圃炷芰€的制定與應(yīng)用減少了因制造性問題導(dǎo)致的生產(chǎn)停工現(xiàn)象,后續(xù)將可制造能力基線通過軟件開發(fā)嵌入至工程設(shè)計模塊,提升了制造能力調(diào)用的便捷性;基于零件特征的相似工藝推送研究與應(yīng)用減少了因工藝重用差導(dǎo)致現(xiàn)場的工藝變更現(xiàn)象,同時降低了工藝人員的重復(fù)工作,提升了工藝效率。未來將結(jié)合設(shè)計工藝協(xié)同平臺的開發(fā),工藝設(shè)計平臺等信息化工具升級,將知識共用、重用技術(shù)深入嵌入設(shè)計開發(fā)與工藝開發(fā)過程,不斷促進新品的高質(zhì)量試制和快速迭代。