基于流程驅動和模型定義的航空發(fā)動機機匣三維工藝設計及應用

航空發(fā)動機機匣的復雜結構特征和加工變形控制，決定了機匣工藝設計的復雜性，如何實現(xiàn)高效率、高質量的工藝設計，成為型號研制的重要研究方向。隨著航空發(fā)動機研制換代，機匣結構功能設計呈現(xiàn)復雜化和復合化的趨勢。機匣結構屬于典型的精度高、結構復雜、易變形的薄壁零件，突出問題在于工藝設計的快速反應能力和薄壁難加工材料的變形控制。傳統(tǒng)離散式二維工藝設計無法基于二維圖樣實現(xiàn)全面制造工藝要素的快速工藝和質量保障的響應能力。因此，工藝設計在提高工藝質量、工藝效率的驅動下，針對高度復雜的機匣殼體零件，研究基于模型定義（MBD）的數(shù)據(jù)為驅動源的高效率高質量工藝設計方法尤為重要。MBD的三維工藝已經在航空制造、雷達、軍事裝備等領域進行了廣泛的研究和探索，并取得了較好的成果。本文通過對機匣結構與工藝分析，提出MBD機匣的數(shù)字化三維工藝設計方法，并建立基于工作流驅動的工藝任務流程，實現(xiàn)高效率高質量工藝設計。工藝分析機匣零件作為航空發(fā)動機重要的環(huán)形承力結構，根據(jù)設計結構可以分為整體機匣、對開機匣以及帶整流支板機匣等，如圖1所示。惡劣的工況和輕量化、復合化的結構設計趨勢，決定了機匣具有復雜的結構特征和高度精密的制造要求。機匣主體結構一般為薄壁的回轉結構，內外壁分布復雜流道和異形特征，如支板、型腔、凸臺、異形槽以及精密孔等，這些復雜特征極大地提高了機匣工藝設計的復雜程度。但各類機匣的機械結構與設計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匣三維工藝設計提供了契機。圖1

機匣結構由于機匣的機械加工工藝需要處理復雜結構特征和精度要求，所以機匣機械加工工藝的布局與變形控制具有較高的要求。在機匣的具體工藝制造中，由于性能要求和復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、表面強化等特種工藝，導致機匣工藝過程極其復雜、工序極其繁多。機匣作為薄壁精密構件，局部結構剛性差，為了消除機匣加工的薄壁變形誤差，往往一個機匣工藝需要分散成數(shù)十道工序。設計路線MBD機匣的三維機械加工工藝設計方法路線如圖2所示,由于機匣復雜的結構和制造信息，直接識別和提取整個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別。由于各類機匣的設計特征具備同類型和相似性，使得基于特征識別的機匣MBD設計模型解析和數(shù)據(jù)提取的三維工藝設計具備可行性。所以，在MBD機匣的三維機械加工工藝設計中，首先對特征進行逐一識別，提取每一個特征的幾何形態(tài)、尺寸信息和拓撲關系。將機匣典型工藝及加工方法推送給識別特征，匹配生成每個特征的切削體，與導入毛坯或根據(jù)零件創(chuàng)建的毛坯布爾計算出工藝模型。再調用預制的三維工藝規(guī)范模板，輸出三維機械加工工藝文件。圖2

MBD機匣的三維機械加工工藝設計路線工藝流程

機匣工藝設計是一個復雜工程系統(tǒng)，除了對機匣模型進行加工方法設計，還需要集成工裝設計、數(shù)控編程、刀具設計、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，為了提升工藝設計效率和質量，在協(xié)同工藝集成的基礎上，引入流程驅動的方法，實現(xiàn)流程化驅動多角色協(xié)同的機匣工藝設計體系。具體過程為：首先，梳理機匣機械加工工藝設計流程的邏輯關系，利用順序驅動、條件驅動和循環(huán)驅動轉化為實際工藝任務的工作流，并搭建流程驅動平臺的固化機匣工藝設計流程；其次，根據(jù)工藝任務，確定工藝專家、工藝員、數(shù)控編程、工裝設計、仿真不同角色的職責和權限；最后，啟動工藝任務流程驅動源，將工藝設計流程的邏輯關系轉化成任務驅動，指示相應角色完成系列工藝活動。關鍵技術

機匣特征識別及信息提取航空發(fā)動機機匣的設計數(shù)據(jù)由MBD的模型代替了傳統(tǒng)的二維圖樣，MBD的模型成為三維機械加工工藝設計的主要依據(jù)。由于零件特征決定了加工方法，所以三維機械加工工藝設計的起始數(shù)據(jù)來源于模型的特征和加工信息，因此如何進行特征識別和信息提取極為關鍵。實現(xiàn)MBD機匣的特征識別，是根據(jù)獲取的特征拓撲結構數(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)機匣的結構和加工方法，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

機匣特征識別分類機匣典型工藝知識及加工方法推送一般情況下，機匣工藝設計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。而機匣典型工藝知識庫就是固化各類機匣優(yōu)化成熟的工藝及加工方法，在新工藝設計時直接引用相應機匣的典型工藝和加工方法，從而達到高效率高質量的工藝決策規(guī)劃。但引用一個完整機匣工藝直接復用在另一個零件，由于工藝的復雜性，實現(xiàn)難度很大。因此，較好的方法是將工藝知識庫拆分后分步引用，機匣工藝知識庫可以拆分成典型工藝庫、加工方法和工藝資源庫。在建立機匣典型工藝庫中，關鍵點在于利用機匣零件的結構相似性、工藝相似性和材料相似性，將零件進行分類并劃分零件族，梳理出族類典型工藝路線；新建零件工藝設計時，根據(jù)零件族類直接調用典型工藝路線，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)，并構建加工方法與加工特征的參數(shù)化關聯(lián)，實現(xiàn)加工方法及參數(shù)的調用和推送；最后，工藝資源庫是設備、工具、工裝等資源，輔助完成工藝規(guī)范全要素輸出。機械加工過程工序模型生成機匣三維工藝設計需要全工序三維工藝模型表達機械加工過程，所以工藝模型創(chuàng)建是三維工藝設計的核心。由于機匣結構異型，機械加工工藝采用去除余量法生成的模型比較符合實際加工過程。因此，機匣三維工藝模型創(chuàng)建核心是利用特征信息構造特征切削體，各個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。車削切削體是機匣車削回轉類特征識別后生成的最大實體輪廓線，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，回轉建模構造車削切削體，如圖3所示。非車削切削體是機匣銑削和鉆削類特征（如型腔、孔、槽口等）根據(jù)特征位置、拓撲邊界構建相應特征的幾何切削體，構建過程如圖4所示。

圖3

車削特征的切削體構建方法

圖4

非車削特征的切削體構建方法工序尺寸繼承與計算工序模型生成過程中，工序模型能夠計算和繼承設計尺寸數(shù)據(jù)，有效提高工藝設計效率。圖5是三維尺寸信息的數(shù)據(jù)結構，在以特征加工為基礎的三維機械加工工藝設計過程中，通過特征識別對設計模型中的特征所關聯(lián)的尺寸數(shù)據(jù)結構進行解構與調整，并依靠尺寸的參照面與特征加工的關聯(lián)面實現(xiàn)轉換。所以，尺寸繼承與計算關鍵在于找出尺寸的關聯(lián)面與參照面信息。在工序模型中依據(jù)設計尺寸參照面原點與法向量，創(chuàng)建相同的參照面，然后依據(jù)特征加工信息對特征關聯(lián)面進行調整，由設計模型中加工余量為零的特征關聯(lián)面轉化至工序模型中帶有余量的中間加工特征面，并修改尺寸值為實體數(shù)據(jù)值，修改尺寸參照面為中間加工特征關聯(lián)面，完成工序模型中的尺寸創(chuàng)建，達到工序尺寸繼承與計算的效果。圖5

三維尺寸信息的數(shù)據(jù)結構可視化三維呈現(xiàn)技術完成全部工藝要素后，模型和工藝的結構化數(shù)據(jù)通過配置與可視化工藝模板的關聯(lián)關系，實現(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)場終端實現(xiàn)車間工藝指導。其中，在工藝指導過程中，可以交互式對工藝模型及細節(jié)進行移動、旋轉、縮放，并可以交互顯示加工內容與模型加工面及尺寸信息的關聯(lián)。實施應用

選擇一種典型環(huán)形機匣零件作為應用案列，基于上述工藝設計思路，開展流程驅動和模型定義的數(shù)字化三維機械加工工藝設計，其實施過程具體為：機匣設計數(shù)據(jù)發(fā)布在產品全生命周期管理系統(tǒng)后，啟動工藝設計驅動源；工藝任務發(fā)送至制造部門，并由工藝專家對零件族進行分類和評估，并派發(fā)工藝設計任務和工裝協(xié)同任務；工藝員將傳遞來的MBD機匣模型作為工藝輸入源開展工藝設計，通過特征識別解析機匣零件加工特征和制造屬性；根據(jù)零件族類和結構，調用相應的典型工藝，并推送工藝參數(shù)和加工方法；根據(jù)工藝評估結果微調工藝和加工方法，實現(xiàn)全工序工藝模型創(chuàng)建和計算；工裝協(xié)同任務完成后錄入機匣制造資源庫，調用資源庫完善機匣全部工藝要素，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，實現(xiàn)車間機匣數(shù)字化制造，如圖7所示。