基于MBD的三維工藝在機(jī)匣產(chǎn)品制造中的應(yīng)用研究*

1 機(jī)匣產(chǎn)品對三維工藝技術(shù)的需求

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，也是一個(gè)國家加工制造技術(shù)的重要體現(xiàn)^[7]。機(jī)匣作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)上最關(guān)鍵、最重要的部件之一，是支撐轉(zhuǎn)子和固定靜子的重要部件，分布于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪以及排氣系統(tǒng)等部件^[8–9]。機(jī)匣零件一般為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，并通過配置不同的特征（比如凸臺(tái)、型腔、槽、孔等）來達(dá)到不同部位的使用性能。受工作環(huán)境的影響，不同部位的機(jī)匣采用不同的加工材料^[10]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工制造的重點(diǎn)也是難點(diǎn)之一，不同的材料、不同的特征以及不同的形位公差要求都需要采用與之匹配的加工工藝，并且需要有相當(dāng)?shù)墓こ虒?shí)踐經(jīng)驗(yàn)后才能熟練應(yīng)用，由于不同技術(shù)人員工程經(jīng)驗(yàn)的差異造成現(xiàn)有機(jī)匣加工工藝穩(wěn)定性、成熟性和可靠性不高。

為了適應(yīng)數(shù)字化生產(chǎn)條件下的機(jī)匣加工工藝需求，需要利用數(shù)字化手段，總結(jié)、集成并整合各種類型、各種特征的加工經(jīng)驗(yàn)，形成可直接調(diào)用的機(jī)匣加工工藝知識(shí)庫，通過數(shù)字化的手段確保機(jī)匣加工工藝的穩(wěn)定性、成熟性和可靠性。

三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)首先利用特征提取和識(shí)別技術(shù)分析零件MBD 模型，得到以特征為單位的幾何、工藝信息。然后，通過工藝推理和決策模塊獲得所提取特征，識(shí)別加工需要的設(shè)備和工藝參數(shù)信息。在此基礎(chǔ)上，通過人機(jī)交互編排工藝過程確定每道工序加工內(nèi)容，再構(gòu)建零件毛坯模型，然后基于每道工序加工內(nèi)容正向從毛坯到零件自動(dòng)創(chuàng)建每道工序的三維工序模型，最后推理每道工序的設(shè)備及刀具等加工參數(shù)，從而形成零件的加工工藝過程。數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)軟件技術(shù)路線如圖1所示。

通過特征識(shí)別技術(shù)可以對機(jī)匣零件的MBD 模型進(jìn)行特征識(shí)別以及信息提取，形成加工特征并提取特征的幾何信息以及非幾何信息。特征識(shí)別技術(shù)基于三維模型的幾何信息以及幾何拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行重新融合并形成加工特征，再通過標(biāo)注的關(guān)聯(lián)體轉(zhuǎn)換和匹配，得到特征的制造信息。

機(jī)匣零件特征主要分為回轉(zhuǎn)面系、錐底槽、側(cè)壁、孔系、平面、環(huán)槽等類型特征，按照加工方法進(jìn)行定義，如圖2 所示。

圖2 機(jī)匣零件特征分類
Fig.2 Feature classification of casing parts

圖3 錐底槽特征識(shí)別
Fig.3 Cone bottom groove feature recognition

針對機(jī)匣類型零件，定義一套加工知識(shí)庫，基于識(shí)別的特征的幾何信息與制造信息進(jìn)行加工方法推理，推理出特征的加工步驟以及余量。如機(jī)匣中的錐底槽特征經(jīng)過知識(shí)庫的推理得出的加工步驟為“粗銑—半精銑”，且粗銑的底面與立面的余量為0.5 mm，如圖4所示。

圖4 錐底槽加工方法推理
Fig.4 Reasoning of processing method of tapered bottom groove

圖5 機(jī)匣零件工藝知識(shí)庫框架
Fig.5 Process knowledge base framework of casing parts

圖6 參數(shù)過程圖知識(shí)定義與應(yīng)用過程示意圖
Fig.6 Schematic diagram of knowledge definition and application process of parameter process diagram

圖7 特征加工方法推理流程定義
Fig.7 Definition of reasoning process of feature processing method

首先自動(dòng)生成機(jī)匣零件的毛坯。在定義毛坯時(shí)，自動(dòng)計(jì)算機(jī)匣零件的輪廓線，根據(jù)零件的輪廓線做偏移自動(dòng)產(chǎn)生毛坯的輪廓線，輪廓線的每一段可以進(jìn)行偏移、刪除或者連接等編輯操作，保存后產(chǎn)生圖8 中的黃色線的毛坯輪廓線圖。根據(jù)毛坯輪廓線進(jìn)行旋掃可自動(dòng)產(chǎn)生機(jī)匣零件的毛坯模型。

圖8 機(jī)匣零件毛坯輪廓線
Fig.8 Rough outline of casing parts

圖9 機(jī)匣零件工序模型圖
Fig.9 3D Process model of casing parts

隨著三維CAD、可視化技術(shù)在制造業(yè)企業(yè)的推廣應(yīng)用，工藝設(shè)計(jì)手段也逐步地從二維工藝向三維工藝進(jìn)行轉(zhuǎn)變，因此許多企業(yè)也逐步應(yīng)用了3D PDF（圖10），將三維模型輸出至3D PDF 格式的工藝卡片中，使用三維模型替代原有二維工程圖。

圖10 3D PDF 工藝卡片
Fig.10 3D PDF process card

以一種典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件為例，應(yīng)用機(jī)匣產(chǎn)品三維工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)匣產(chǎn)品三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)。整個(gè)工藝設(shè)計(jì)過程以基于NX 二次開發(fā)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，調(diào)用工藝知識(shí)庫進(jìn)行加工推理。主要應(yīng)用步驟如下。

（1）通過三維工藝設(shè)計(jì)軟件對機(jī)匣三維模型進(jìn)行特征識(shí)別，提取機(jī)匣模型幾何信息以及非幾何信息并形成加工特征集（圖11）。

圖11 部分機(jī)匣零件特征集
Fig.11 Model feature of casing parts

圖12 典型機(jī)匣零件加工過程實(shí)例
Fig.12 Examples of machining process of typical casing parts

基于MBD 的三維數(shù)字化工藝在機(jī)匣產(chǎn)品中的應(yīng)用，以機(jī)匣產(chǎn)品為核心，基于MBD 模型進(jìn)行制造特征識(shí)別，結(jié)合特征參數(shù)與加工方法實(shí)現(xiàn)工藝的智能推理與規(guī)范化設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成工序模型，達(dá)到工藝高質(zhì)量和高效率的快速設(shè)計(jì)。

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