葉輪零件三維工藝編制及應(yīng)用

摘要：航空產(chǎn)品制造企業(yè)目前仍主要采用二維工藝指導(dǎo)現(xiàn)場加工，但大部分葉輪零件幾何外形較為復(fù)雜，用二維工藝較難直觀、準(zhǔn)確地表達(dá)工藝內(nèi)容，且葉輪零件數(shù)控加工工序多，編制完成二維工藝后，需重構(gòu)三維工序模型才能完成數(shù)控加工，存在大量的重復(fù)性勞動(dòng)。鑒于此，利用企業(yè)MBD三維工藝設(shè)計(jì)平臺編制葉輪零件的三維工藝，真正將三維工藝技術(shù)推向下游車間，利用MBD三維工藝技術(shù)完成葉輪零件的加工制造，驗(yàn)證了三維工藝的實(shí)現(xiàn)路徑及優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：三維工藝;葉輪;MBD

中圖分類號：TH164 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0081-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.019

0 引言

葉輪零件是多種航空產(chǎn)品中的主要零部件，精度高，加工難度大，生產(chǎn)周期長，往往是生產(chǎn)交付的瓶頸。很多航空企業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)，但三維工藝的應(yīng)用還未推廣，目前仍普遍使用二維CAPP[1]。葉輪零件采用二維工藝存在以下缺點(diǎn)：

1）葉輪零件幾何外形較為復(fù)雜，涉及多個(gè)復(fù)雜曲面，二維工藝卡片往往通過二維簡圖和信息描述體現(xiàn)設(shè)計(jì)要素和工藝設(shè)計(jì)，很難進(jìn)行清晰直觀有效的表達(dá)，致使生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)易出現(xiàn)理解偏差，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2）葉輪零件數(shù)控加工工序多，二維工藝編制完成后，需重構(gòu)三維工序模型才能完成數(shù)控加工業(yè)務(wù)，存在大量的重復(fù)性勞動(dòng)。

3）目前仍以二維設(shè)計(jì)圖為工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)源，沒有直接重用三維設(shè)計(jì)模型（或者三維設(shè)計(jì)模型不合法），設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳遞效率低下。

三維工藝設(shè)計(jì)作為支撐基于MBD的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化（TCM）研制模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]，負(fù)責(zé)確定產(chǎn)品制造過程以及制造所需的制造資源、制造時(shí)間等，是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的橋梁。基于MBD技術(shù)設(shè)計(jì)的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)直接作為三維工藝的輸入，能夠降低信息傳遞出錯(cuò)的概率，確保設(shè)計(jì)信息自始至終地準(zhǔn)確表達(dá)，同時(shí)三維的展現(xiàn)形式也使得應(yīng)用于生產(chǎn)制造現(xiàn)場的工藝文件可讀性更強(qiáng)，表達(dá)更為準(zhǔn)確[3-5]。

通過試點(diǎn)產(chǎn)品和零件的應(yīng)用打通了基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、制造全過程，目前國內(nèi)領(lǐng)先的航空企業(yè)已初步建立了基于MBD的三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，但與MBD的全面推廣應(yīng)用還有一定距離，還沒有將MBD數(shù)據(jù)真正應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)和加工，生產(chǎn)現(xiàn)場無法獲取并查看與任務(wù)數(shù)據(jù)集成的三維工藝數(shù)據(jù)?；谝陨蠁栴}，選擇葉輪零件，利用MBD三維工藝設(shè)計(jì)平臺編制葉輪零件的三維工藝，真正將三維工藝技術(shù)推向下游車間，利用MBD三維工藝技術(shù)完成葉輪零件的加工制造。

1 葉輪零件的三維工藝設(shè)計(jì)

1.1 葉輪零件結(jié)構(gòu)化工藝路線構(gòu)建

利用現(xiàn)有TCM工藝平臺，接收設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后完成葉輪零件的工藝路線創(chuàng)建。在制造工藝規(guī)劃器中選中新建工藝，在彈出的新建工藝窗口選擇專業(yè)工藝種類，單位代號默認(rèn)為編制人員所在單位，點(diǎn)擊生成工藝編號，編輯工藝名稱，選擇工藝類別，創(chuàng)建工藝集過程如圖1所示。最終系統(tǒng)在工藝集版本下新建了專業(yè)工藝。

工藝版本下制造目標(biāo)關(guān)聯(lián)零組件最新版本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)版本對象，若存在PBOM對象，關(guān)聯(lián)最新版的PBOM對象。通過在工藝集下新建工序，并賦予各工序不同屬性，完成下料工序、加工工序、檢驗(yàn)工序等的創(chuàng)建，最終完成工藝路線框架的構(gòu)建，如圖2所示。

隨后，為工序節(jié)點(diǎn)指派工藝資源，如加工設(shè)備、工裝夾具、刀具、量具等資源，工藝資源直接從TC分類管理器中調(diào)用，如圖3所示。

基于TCM工藝平臺搭建的工藝文件將產(chǎn)品、工藝、制造資源整合在一起，形成2PR模型，在此基礎(chǔ)上建立工藝順序結(jié)構(gòu)樹，工藝結(jié)構(gòu)樹的每一分支為一道工序。

1.2 葉輪零件全三維工序模型設(shè)計(jì)

對于工序模型的設(shè)計(jì)有兩種方式：方式一使用WAVE LINK方式創(chuàng)建，這種方式可以保持設(shè)計(jì)模型與工序模型的關(guān)聯(lián)、工序間模型的關(guān)聯(lián);方式二采用導(dǎo)入設(shè)計(jì)模型或工序模型的方式在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建工序模型，這種方式設(shè)計(jì)模型、工序模型都是獨(dú)立的模型，之間沒有建立聯(lián)系與關(guān)聯(lián)。

對于工序模型的設(shè)計(jì)順序，也分為三種：正向設(shè)計(jì)、逆向設(shè)計(jì)、正逆向結(jié)合的方式。正向設(shè)計(jì)：就是從毛坯到零件演變的過程，是零件上增加細(xì)節(jié)特征的過程，也是零件的加工過程（刀具去除材料的過程）。逆向設(shè)計(jì)：就是從零件到毛坯演變的過程，是刪除特征的方式，也就是增加材料的過程。通常采用逆向的設(shè)計(jì)方法。

通過對葉輪工藝路線的分析，銑加工葉型前道工序模型是前后工序銜接的重要節(jié)點(diǎn)，因此構(gòu)建為“中間工序模型”，其他工序在此基礎(chǔ)上，通過增減特征或余量，向前、向后推理獲得，所有“中間工序模型”是創(chuàng)建工序模型過程中的重要工序。

根據(jù)葉輪零件自身工藝特點(diǎn)的分析、總結(jié)、歸納，形成如圖4所示創(chuàng)建工序模型思路。

根據(jù)葉輪工序模型的創(chuàng)建思路，形成如圖5所示葉輪工序模型創(chuàng)建的步驟。

1.3 葉輪零件工序模型三維標(biāo)注

在葉輪工序模型建立完成后，需遵循MBD工序模型三維標(biāo)注規(guī)范，完成葉輪工序模型的三維PMI標(biāo)注。在NX中使用“PMI關(guān)聯(lián)復(fù)制”功能，將需要設(shè)計(jì)模型或工序模型中的PMI標(biāo)注，直接復(fù)制到當(dāng)前工序模型中。同時(shí)在建立適當(dāng)視圖的基礎(chǔ)上快速完成工序模型的三維標(biāo)注，機(jī)加工序完成對加工面的著色處理，三維標(biāo)注需完整包括形位公差、幾何公差、工藝特殊符號、基準(zhǔn)特征符號、基準(zhǔn)目標(biāo)符號、工步信息、特殊技術(shù)要求等，如圖6所示。

1.4 工藝審批

零件工藝編制完成后，將整個(gè)工藝結(jié)構(gòu)通過相應(yīng)審簽流模板，完成電子審批流程，完成審批流程后審簽記錄自動(dòng)寫入NX相關(guān)屬性。

2 三維工藝的數(shù)據(jù)發(fā)布及現(xiàn)場執(zhí)行

葉輪三維工藝編制完成后，其正確性和先進(jìn)性需通過車間現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用才能得到驗(yàn)證。三維工藝數(shù)據(jù)下車間指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，與二維數(shù)據(jù)不同的是，三維工藝數(shù)據(jù)沒有二維工藝卡片，為下游車間展示的是帶三維標(biāo)注的三維工序模型。通過現(xiàn)場各工位部署的終端，將輕量化的三維工序模型傳遞給MES，實(shí)現(xiàn)三維零件工藝現(xiàn)場查看。

葉輪三維工藝使直接來源于設(shè)計(jì)的三維數(shù)模成為生產(chǎn)制造過程中的唯一標(biāo)準(zhǔn)，確保最大化傳遞和繼承設(shè)計(jì)信息的準(zhǔn)確性，能夠減少工藝對設(shè)計(jì)信息理解上的錯(cuò)誤，同時(shí)增強(qiáng)工藝信息的可讀性，降低出錯(cuò)概率，提高生產(chǎn)制造階段的效率?，F(xiàn)場使用過程中，加工者在MES個(gè)人任務(wù)窗口即可點(diǎn)擊瀏覽當(dāng)前工序三維工藝，通過不同視圖的切換、各種三維模型瀏覽操作（包括放大、縮小、旋轉(zhuǎn)和高亮顯示等）、簡便的測量工具，能夠清晰地讀取到全部工藝信息。

3 總結(jié)與展望

本文通過編制葉輪零件三維工藝并應(yīng)用于生產(chǎn)制造，直接傳遞和繼承基于MBD技術(shù)設(shè)計(jì)的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，取代原有的二維工藝，解決葉輪零件工藝設(shè)計(jì)及現(xiàn)場生產(chǎn)中存在的數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一、工藝數(shù)據(jù)表達(dá)不直觀、工藝數(shù)據(jù)的傳遞和執(zhí)行效率不高等問題，真正提高了工藝的可讀性和準(zhǔn)確率，使基于三維工藝的生產(chǎn)制造成為現(xiàn)實(shí)。

但是，目前全三維工藝設(shè)計(jì)軟件平臺的自動(dòng)化和智能化水平低下，仍需要較多的交互操作，對工藝人員的經(jīng)驗(yàn)依賴程度高，缺乏專用的軟件工具提升工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化和智能化水平。同時(shí)，當(dāng)前沒有完全發(fā)揮全三維工藝的優(yōu)勢，現(xiàn)場工藝展示僅限于工藝信息，工序?qū)傩?、工序資源、CAM程序等并未全部體現(xiàn)。隨著基于MBD三維工藝的深入應(yīng)用，如何與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行集成，使得三維工藝的編制更為高效，三維工藝的管理更為嚴(yán)謹(jǐn)，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)流、信息流集成優(yōu)勢，提高效率和工藝的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化水平，縮短工藝編制周期并最終達(dá)到縮短產(chǎn)品研制周期、生產(chǎn)周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的，還需要不斷研究和探索。

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收稿日期：2024-06-11

作者簡介：趙康（1990—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：機(jī)械工程。