【期刊论文】基于MBD的三维工艺在机匣产品制造中的应用研究

基于MBD的三维工艺在机匣产品制造中的应用研究*

1 机匣产品对三维工艺技术的需求

航空发动机是飞机的“心脏”，也是一个国家加工制造技术的重要体现^[7]。机匣作为航空发动机上最关键、最重要的部件之一，是支撑转子和固定静子的重要部件，分布于航空发动机风扇、压气机、燃烧室、涡轮以及排气系统等部件^[8–9]。机匣零件一般为回转体结构，并通过配置不同的特征（比如凸台、型腔、槽、孔等）来达到不同部位的使用性能。受工作环境的影响，不同部位的机匣采用不同的加工材料^[10]。

航空发动机机匣零件是航空发动机加工制造的重点也是难点之一，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与之匹配的加工工艺，并且需要有相当的工程实践经验后才能熟练应用，由于不同技术人员工程经验的差异造成现有机匣加工工艺稳定性、成熟性和可靠性不高。

为了适应数字化生产条件下的机匣加工工艺需求，需要利用数字化手段，总结、集成并整合各种类型、各种特征的加工经验，形成可直接调用的机匣加工工艺知识库，通过数字化的手段确保机匣加工工艺的稳定性、成熟性和可靠性。

三维数字化工艺设计首先利用特征提取和识别技术分析零件MBD 模型，得到以特征为单位的几何、工艺信息。然后，通过工艺推理和决策模块获得所提取特征，识别加工需要的设备和工艺参数信息。在此基础上，通过人机交互编排工艺过程确定每道工序加工内容，再构建零件毛坯模型，然后基于每道工序加工内容正向从毛坯到零件自动创建每道工序的三维工序模型，最后推理每道工序的设备及刀具等加工参数，从而形成零件的加工工艺过程。数字化工艺设计软件技术路线如图1所示。

通过特征识别技术可以对机匣零件的MBD 模型进行特征识别以及信息提取，形成加工特征并提取特征的几何信息以及非几何信息。特征识别技术基于三维模型的几何信息以及几何拓扑关系进行重新融合并形成加工特征，再通过标注的关联体转换和匹配，得到特征的制造信息。

机匣零件特征主要分为回转面系、锥底槽、侧壁、孔系、平面、环槽等类型特征，按照加工方法进行定义，如图2 所示。

图2 机匣零件特征分类
Fig.2 Feature classification of casing parts

图3 锥底槽特征识别
Fig.3 Cone bottom groove feature recognition

针对机匣类型零件，定义一套加工知识库，基于识别的特征的几何信息与制造信息进行加工方法推理，推理出特征的加工步骤以及余量。如机匣中的锥底槽特征经过知识库的推理得出的加工步骤为“粗铣—半精铣”，且粗铣的底面与立面的余量为0.5 mm，如图4所示。

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

图5 机匣零件工艺知识库框架
Fig.5 Process knowledge base framework of casing parts

图6 参数过程图知识定义与应用过程示意图
Fig.6 Schematic diagram of knowledge definition and application process of parameter process diagram

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

首先自动生成机匣零件的毛坯。在定义毛坯时，自动计算机匣零件的轮廓线，根据零件的轮廓线做偏移自动产生毛坯的轮廓线，轮廓线的每一段可以进行偏移、删除或者连接等编辑操作，保存后产生图8 中的黄色线的毛坯轮廓线图。根据毛坯轮廓线进行旋扫可自动产生机匣零件的毛坯模型。

图8 机匣零件毛坯轮廓线
Fig.8 Rough outline of casing parts

图9 机匣零件工序模型图
Fig.9 3D Process model of casing parts

随着三维CAD、可视化技术在制造业企业的推广应用，工艺设计手段也逐步地从二维工艺向三维工艺进行转变，因此许多企业也逐步应用了3D PDF（图10），将三维模型输出至3D PDF 格式的工艺卡片中，使用三维模型替代原有二维工程图。

图10 3D PDF 工艺卡片
Fig.10 3D PDF process card

以一种典型的航空发动机机匣零件为例，应用机匣产品三维工艺技术实现机匣产品三维数字化工艺设计。整个工艺设计过程以基于NX 二次开发的应用程序实现，调用工艺知识库进行加工推理。主要应用步骤如下。

（1）通过三维工艺设计软件对机匣三维模型进行特征识别，提取机匣模型几何信息以及非几何信息并形成加工特征集（图11）。

图11 部分机匣零件特征集
Fig.11 Model feature of casing parts

图12 典型机匣零件加工过程实例
Fig.12 Examples of machining process of typical casing parts

基于MBD 的三维数字化工艺在机匣产品中的应用，以机匣产品为核心，基于MBD 模型进行制造特征识别，结合特征参数与加工方法实现工艺的智能推理与规范化设计，自动生成工序模型，达到工艺高质量和高效率的快速设计。

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