叶轮零件三维工艺编制及应用

0引言

叶轮零件是多种航空产品中的主要零部件,精度高,加工难度大,生产周期长,往往是生产交付的瓶颈。很多航空企业已基本实现三维设计,但三维工艺的应用还未推广, 目前仍普遍使用二维CAPP^[1]。叶轮零件采用二维工艺存在以下缺点:

1)叶轮零件几何外形较为复杂,涉及多个复杂曲面,二维工艺卡片往往通过二维简图和信息描述体现设计要素和工艺设计,很难进行清晰直观有效的表达,致使生产制造环节易出现理解偏差,最终影响产品质量。

2)叶轮零件数控加工工序多,二维工艺编制完成后,需重构三维工序模型才能完成数控加工业务,存在大量的重复性劳动。

3)目前仍以二维设计图为工艺设计数据源,没有直接重用三维设计模型(或者三维设计模型不合法),设计数据传递效率低下。

三维工艺设计作为支撑基于MBD的三维数字化设计制造一体化(TCM)研制模式的关键环节^[2],负责确定产品制造过程以及制造所需的制造资源、制造时间等,是连接产品设计与制造的桥梁。基于MBD 技术设计的三维设计数据直接作为三维工艺的输入,能够降低信息传递出错的概率,确保设计信息自始至终地准确表达,同时三维的展现形式也使得应用于生产制造现场的工艺文件可读性更强,表达更为准确^[3—5]。

通过试点产品和零件的应用打通了基于MBD的产品设计、工艺设计、制造全过程, 目前国内领先的航空企业已初步建立了基于MBD的三维数字化工艺设计系统,但与MBD的全面推广应用还有一定距离,还没有将MBD数据真正应用于实际的生产和加工,生产现场无法获取并查看与任务数据集成的三维工艺数据。基于以上问题,选择叶轮零件,利用MBD三维工艺设计平台编制叶轮零件的三维工艺,真正将三维工艺技术推向下游车间,利用MBD三维工艺技术完成叶轮零件的加工制造。

1 叶轮零件的三维工艺设计

1.1 叶轮零件结构化工艺路线构建

利用现有TCM工艺平台,接收设计数据后完成叶轮零件的工艺路线创建。在制造工艺规划器中选中新建工艺,在弹出的新建工艺窗口选择专业工艺种类,单位代号默认为编制人员所在单位,点击生成工艺编号,编辑工艺名称,选择工艺类别,创建工艺集过程如图1所示。最终系统在工艺集版本下新建了专业工艺。

工艺版本下制造目标关联零组件最新版本设计数据版本对象,若存在PBOM对象,关联最新版的 PBOM对象。通过在工艺集下新建工序,并赋予各工序不同属性,完成下料工序、加工工序、检验工序等的创建,最终完成工艺路线框架的构建,如图2所示。

随后,为工序节点指派工艺资源,如加工设备、工装夹具、刀具、量具等资源,工艺资源直接从TC分类管理器中调用,如图3所示。

基于TCM工艺平台搭建的工艺文件将产品、工艺、制造资源整合在一起,形成2PR模型,在此基础上建立工艺顺序结构树,工艺结构树的每一分支为一道工序。

1.2 叶轮零件全三维工序模型设计

对于工序模型的设计有两种方式:方式一使用WAVELINK方式创建,这种方式可以保持设计模型与工序模型的关联、工序间模型的关联;方式二采用导入设计模型或工序模型的方式在此基础上创建工序模型,这种方式设计模型、工序模型都是独立的模型,之间没有建立联系与关联。

对于工序模型的设计顺序,也分为三种:正向设计、逆向设计、正逆向结合的方式。正向设计:就是从毛坯到零件演变的过程,是零件上增加细节特征的过程,也是零件的加工过程(刀具去除材料的过程)。逆向设计:就是从零件到毛坯演变的过程,是删除特征的方式,也就是增加材料的过程。通常采用逆向的设计方法。

通过对叶轮工艺路线的分析,铣加工叶型前道工序模型是前后工序衔接的重要节点,因此构建为“中间工序模型”,其他工序在此基础上,通过增减特征或余量,向前、向后推理获得,所有“中间工序模型”是创建工序模型过程中的重要工序。

根据叶轮零件 自身工艺特点的分析、总结、归纳,形成如图4所示创建工序模型思路。

根据叶轮工序模型的创建思路,形成如图5所示叶轮工序模型创建的步骤。

1.3 叶轮零件工序模型三维标注

在叶轮工序模型建立完成后,需遵循MBD工序模型三维标注规范,完成叶轮工序模型的三维PMI标注。在NX中使用“PMI关联复制”功能,将需要设计模型或工序模型中的PMI标注,直接复制到当前工序模型中。同时在建立适当视图的基础上快速完成工序模型的三维标注,机加工序完成对加工面的着色处理,三维标注需完整包括形位公差、几何公差、工艺特殊符号、基准特征符号、基准目标符号、工步信息、特殊技术要求等,如图6所示。

1.4 工艺审批

零件工艺编制完成后,将整个工艺结构通过相应审签流模板,完成电子审批流程,完成审批流程后审签记录自动写入NX相关属性。

2 三维工艺的数据发布及现场执行

叶轮三维工艺编制完成后,其正确性和先进性需通过车间现场的实际应用才能得到验证。三维工艺数据下车间指导现场生产,与二维数据不同的是,三维工艺数据没有二维工艺卡片,为下游车间展示的是带三维标注的三维工序模型。通过现场各工位部署的终端,将轻量化的三维工序模型传递给MES,实现三维零件工艺现场查看。

叶轮三维工艺使直接来源于设计的三维数模成为生产制造过程中的唯一标准,确保最大化传递和继承设计信息的准确性,能够减少工艺对设计信息理解上的错误,同时增强工艺信息的可读性,降低出错概率,提高生产制造阶段的效率。现场使用过程中,加工者在MES个人任务窗口即可点击浏览当前工序三维工艺,通过不同视图的切换、各种三维模型浏览操作(包括放大、缩小、旋转和高亮显示等)、简便的测量工具,能够清晰地读取到全部工艺信息。

3 总结与展望

本文通过编制叶轮零件三维工艺并应用于生产制造,直接传递和继承基于MBD技术设计的三维设计数据,取代原有的二维工艺,解决叶轮零件工艺设计及现场生产中存在的数据源不统一、工艺数据表达不直观、工艺数据的传递和执行效率不高等问题,真正提高了工艺的可读性和准确率,使基于三维工艺的生产制造成为现实。

但是, 目前全三维工艺设计软件平台的 自动化和智能化水平低下,仍需要较多的交互操作,对工艺人员的经验依赖程度高,缺乏专用的软件工具提升工艺设计自动化和智能化水平。同时,当前没有完全

发挥全三维工艺的优势,现场工艺展示仅限于工艺信息,工序属性、工序资源、CAM程序等并未全部体现。随着基于MBD三维工艺的深入应用,如何与其他信息系统进行集成,使得三维工艺的编制更为高效,三维工艺的管理更为严谨,充分发挥数据流、信息流集成优势,提高效率和工艺的标准化、规范化水平,缩短工艺编制周期并最终达到缩短产品研制周期、生产周期和提高产品质量的 目的,还需要不断研究和探索。

[参考文献]

[1] 余志强,陈嵩,孙炜,等.基于MBD的三维数模在飞机制造过程中的应用[J].航空制造技术,2009(增刊2):82-85.

[2]冯子明.飞机零部件产品的三维工艺设计[J].航空制造技术,2013(11):26-29.

[3]LIU  C  Y,ZHANG  Y  Q,SUN  L.web  baseD   3D  assembly sequence  planning  prototype   integrateD  With  CAD moDel  [C]//2008  12th  International  Conference  on Computer   SupporteD   CooperatiVe   work   in   Design, 2008 : 823-828.

[4]孟飙,闫亚军,吴正亮.基于三维工艺全信息模型的可视化制造系统研究[J].现代制造工程,2013(8):22-26.

[5]郑雷.基于MBD三维工艺设计系统的开发与应用[J].航空制造技术,2014(5):52-57.

2024年第19期第19篇