基于KBE 的機匣數(shù)控編程系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

王超凡

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司 ,上海 200241）

0 引言

近年來，隨著航空發(fā)動機行業(yè)的高速發(fā)展，發(fā)動機性能也得到了極大提升。航空發(fā)動機機匣作為航空發(fā)動機的重要零件，是整個發(fā)動機的底座，起到包容發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的功能，同時對發(fā)動機的受力載荷進行分攤。航空發(fā)動機機匣是否能實現(xiàn)精細加工，直接關(guān)系到發(fā)動機的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。然而，航空發(fā)動機機匣結(jié)構(gòu)和形狀都具有復(fù)雜性，具體表現(xiàn)為外形復(fù)雜，壁薄易變形、材料難加工和尺寸精度高等典型特征[1]。所以，航空發(fā)動機機匣零件的加工質(zhì)量和加工效率直接制約著航空發(fā)動機的研發(fā)周期?，F(xiàn)有機匣制造工藝體系依賴具體工程技術(shù)人員的個人能力，存在質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低、適應(yīng)性差、加工時間長等問題。由于現(xiàn)有機匣制造工藝體系存在諸多問題，近幾年，利用數(shù)控加工實現(xiàn)自動化加工機匣已經(jīng)全面融入生產(chǎn)實際中。數(shù)控加工不僅能保證航空發(fā)動機機匣的尺寸正確，質(zhì)量穩(wěn)定，同時加工時間短，極大地提高了機匣的生產(chǎn)效率，有效節(jié)約了生產(chǎn)成本。數(shù)控加工航空器機匣有其自身的優(yōu)勢，但是編程難度大，技術(shù)人員培養(yǎng)周期長、靈活度低的問題也不容忽視[2]。

隨著航空發(fā)動機的發(fā)展，機匣零件也日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的數(shù)控編程手段已不能很好地滿足加工要求?，F(xiàn)階段，航空發(fā)動機領(lǐng)域還沒有解決機匣零件自動編程加工的問題，基于此，該文提出一種基于KBE的機匣數(shù)控編程系統(tǒng)。

1 機匣結(jié)構(gòu)分析

航空發(fā)動機機匣是航空發(fā)動機的基本組成部件，對零件的強度、剛度、可靠性都有極高的要求。機匣的完整結(jié)構(gòu)包含機匣本體和葉片。不同種類的發(fā)動機機匣結(jié)構(gòu)不同，同一種類的發(fā)動機的不同部位，機匣結(jié)構(gòu)也不相同。但是一般情況下，機匣本體是類似圓柱或者圓錐的薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，主要作用是承擔(dān)發(fā)動機內(nèi)部的受力以及包容發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)。航空發(fā)動機機匣的空間形狀非常復(fù)雜，而且對機匣零件的表面加工質(zhì)量精度要求很高。機匣工作表面主要分為內(nèi)部和外部兩個部分，其外部不僅需要連接冷卻、油路以及管路等附件系統(tǒng)，還和飛機連接，故此形狀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且對位置精度和尺寸精度的要求很高[3]。其機匣內(nèi)部的主要功能是承載發(fā)動機壓氣機的渦輪葉片，其中的動、靜力葉片都是其最重要的動力輸出部分，同樣需要機匣有非常高的制造精度。

航空發(fā)動機是飛機的動力來源，而機匣又是航空發(fā)動機主要的受力部件，所以機匣的質(zhì)量直接影響著航空發(fā)動機性能的好壞。機匣加工過程中存在諸多難點，給機械加工過程帶來極大挑戰(zhàn)。機匣加工的最大難點在于加工余量大、零件易變形、材料難加工和刀具要求高幾個方面。[4]

（1）加工余量大。由于航空發(fā)動機機匣是薄筒結(jié)構(gòu)且非常薄，所以機匣的材料去除率很高，整個機匣的切削率達到70%以上。制定工藝過程中必須找到一個平衡點充分協(xié)調(diào)好銑削質(zhì)量、成本和生產(chǎn)率等三方面的關(guān)系。

（2）零件易變形。機匣零件作為航空發(fā)動機的承力和支撐結(jié)構(gòu)，其加工變形問題尤其突出。相對于整個機匣來講，機匣壁很薄，在機匣加工的各個環(huán)節(jié)中都會產(chǎn)生加工變形誤差。因此，在加工的過程中，機匣的變形增加了工藝設(shè)計的難度。如果沒有妥善地糾正機匣加工的變形誤差，則在使用過程中很有可能出現(xiàn)發(fā)動機葉片頻繁顫振的問題，增加發(fā)生安全隱患的概率，更嚴重的可能會出現(xiàn)機匣加工完成以后無法正常使用的問題[5]。

（3）材料難加工。近年來，隨著航空發(fā)動機性能的不斷改進和提高，與之相對的，對機匣零件的材料也提出了更高要求。為了滿足工作環(huán)境的要求，機匣零件不僅具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征，而且使用的材料大多數(shù)都難以進行加工。機匣材料大多采用鎳基合金，該材料雖然能良好適應(yīng)航空發(fā)動機運行時產(chǎn)生的高溫環(huán)境，但其缺點是難以進行加工，很容易造成刀具的崩刃，極容易損毀刀尖[6]。

（4）刀具要求高。加工過程中涉及粗加工、精加工的轉(zhuǎn)換，加工結(jié)構(gòu)的變化等等，都需要不同的切削方式，這就需要為其配備一整套刀具。而且機匣的加工余量大，在加工過程中會產(chǎn)生較大的切削力，同時伴隨大量切削熱的產(chǎn)生，造成刀具的磨損和變形，影響切削加工的性能。所以，在加工過程中，刀具的質(zhì)量能夠保證加工表面的質(zhì)量，也就保證了零件的質(zhì)量，因此，為了保證一些關(guān)鍵位置的精度，必須保證刀具的質(zhì)量。

2 加工知識庫設(shè)計

機匣數(shù)控加工知識庫由如下部分組成：

（1）數(shù)控編程實用案例庫，用于存儲并管理已有且成熟的機匣數(shù)控編程實例。

（2）數(shù)控編程工藝知識庫，依據(jù)對機匣的數(shù)控工藝分析，歸納總結(jié)機匣中各類數(shù)控編程的工藝規(guī)則，通過定義成數(shù)控編程模板或KF 規(guī)則的方式，形成數(shù)控編程工藝知識庫。

（3）數(shù)控加工刀具庫，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實際中數(shù)控加工刀具的使用現(xiàn)狀，結(jié)合NX CAM 中刀具的結(jié)構(gòu)形式，建立數(shù)控加工刀具庫。

（4）切削參數(shù)庫，主要包含用于計算主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的數(shù)據(jù)，根據(jù)機匣材料、刀具材料、加工方法、切削深度自動生成主軸轉(zhuǎn)速和進給速度。

（5）后置處理器庫，通過NX/Open 從NX CAM 系統(tǒng)中獲取所有后置處理器數(shù)據(jù)，存放到后置處理器庫中。

（6）數(shù)控機床庫：機床庫包含機床配置的有關(guān)信息，這些信息用于后置處理或加工仿真。

3 機匣數(shù)控編程系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)以MBD 思想為指導(dǎo)，基于KBE 技術(shù)，實現(xiàn)機匣零件數(shù)控自動編程的開發(fā)，其包含NX CAM 與PLM資源庫集成、切削參數(shù)優(yōu)選推薦、數(shù)控編程、數(shù)控程序管理、生產(chǎn)經(jīng)驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入、流程審批與管理等功能[7]。

3.1.1 應(yīng)用層

所有人機界面，功能模塊都在應(yīng)用層中體現(xiàn)，主要有讀取NC 特征、建立NC 工藝樹、NC 工藝規(guī)程管理、數(shù)控工藝設(shè)計、NC 加工仿真、NC 工藝輸出以及NC 工藝與普通工藝關(guān)聯(lián)等功能。

3.1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層模塊是系統(tǒng)的核心，由典型機匣工藝路線庫、制造特征庫、制造特征工藝庫、NC 工藝模板庫、刀具庫、切削參數(shù)庫、機床仿真庫、工藝資源庫、工藝樹參數(shù)配置庫、機匣工藝知識庫等組成。

3.1.3 支撐層

支撐層由Teamcenter與NX組成，通過軟件二次開發(fā)，實現(xiàn)該系統(tǒng)包含的所有功能。

3.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

（1）從工藝數(shù)據(jù)模型中讀取數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)數(shù)控加工圖表或用戶定義分類屬性信息，進行零件分類屬性定義。

（3）根據(jù)工藝編程方式選擇現(xiàn)有工藝模板或讀取通用編程模板。通用編程模板從通用模板庫中讀取。

（4）NX 工序操作設(shè)置，通過加工特征識別方式，自動定義被加工零件幾何體、加工區(qū)域等相關(guān)信息，從刀具庫中調(diào)用刀具。

（5）切削參數(shù)賦值，在加工模板中配置好默認切削參數(shù)。在應(yīng)用時，根據(jù)加工信息檢索數(shù)控工藝知識庫與切削參數(shù)庫，對切削數(shù)據(jù)進行優(yōu)選，將優(yōu)選后的切削參數(shù)賦予NX CAM 中。

（6）生成刀路軌跡。

（7）調(diào)用后置處理庫，對刀軌進行后置處理。

（8）將后置處理后生成的NC 文件保存在工序活動下，并執(zhí)行數(shù)控程序?qū)徟鞒獭?/p>

（9）對切削經(jīng)驗數(shù)據(jù)，執(zhí)行切削經(jīng)驗數(shù)據(jù)入庫審批流程，更新基于典型零件機匣的數(shù)控編程知識庫。

系統(tǒng)流程圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)流程圖

3.3 系統(tǒng)功能模塊

3.3.1 NC 工藝設(shè)計

NC 工藝樹的主要功能是將NC 工藝以樹形結(jié)構(gòu)的方式顯示，并實現(xiàn)對產(chǎn)品NC 工藝中的工序、工步管理和維護。通過NC 工藝樹，可以實現(xiàn)對NC 工藝規(guī)程、工序、工步、NC 特征文件的編輯、添加、刪除、保存等功能。

NC 特征識別與提取主要是對產(chǎn)品制造模型中的NC特征進行識別并提取出來用于NC 工藝的設(shè)計工作。其實現(xiàn)過程：首先需要獲取產(chǎn)品制造模型的信息，然后獲取制造模型中所有的特征信息，最后在所有特征信息中遍歷出NC 特征信息并將其單獨提取出來作為NC 工藝設(shè)計的參考信息。采用基面先行、先粗后精、先主后次、先面后孔等原則，自動完成包括數(shù)控機床選擇、主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定、切削速度設(shè)定、進給量設(shè)定、數(shù)控刀具參數(shù)設(shè)定、NC 加工方法設(shè)定等NC 工序的設(shè)計。通過NC 工藝加工過程仿真，增加數(shù)控工藝設(shè)計人員對NC 加工過程的深入了解，同時提高了NC 工藝設(shè)計效率，增強了NC 工藝設(shè)計的可靠性，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

3.3.2 NC 工藝資源管理

NC 工藝資源管理模塊主要是對NC 工藝資源文件和NC 特征數(shù)據(jù)進行管理，實現(xiàn)NC 工藝信息與機加工藝信息間的關(guān)聯(lián)，并對NC 特征和NC 仿真文件以及NC 加工所用數(shù)控機床的配置參數(shù)進行了關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了資源管理的優(yōu)化。

3.3.3 NC 工藝信息發(fā)布

定義數(shù)控編程管理審批流程、后置文件管理流程和基于典型零件機匣的數(shù)控編程數(shù)據(jù)標(biāo)準錄入業(yè)務(wù)流程，對其建立標(biāo)準化的數(shù)據(jù)審核業(yè)務(wù)流程和資源數(shù)據(jù)管理方法。

基于典型零件機匣的數(shù)控編程和后置程序庫，工藝人員經(jīng)過整理總結(jié)，形成加工經(jīng)驗數(shù)據(jù)，通過審核流程經(jīng)過專人校對和領(lǐng)導(dǎo)批準后，數(shù)據(jù)發(fā)布，狀態(tài)凍結(jié)。

3.3.4 NC 工藝文件管理

系統(tǒng)的數(shù)控工藝文檔就是從Part 文件中提取對加工車間有用的CAM 的文本和圖形信息。生成包含刀具、操作和加工方法清單等數(shù)據(jù)的車間工藝文檔。

4 結(jié)語

系統(tǒng)結(jié)合航空發(fā)動機機匣類零部件的實際加工情況，研究其工藝設(shè)計過程、數(shù)控編程以及優(yōu)化仿真等問題，通過定義機匣零件不同特征和不同加工技術(shù)指標(biāo)的匹配規(guī)則，開發(fā)基于KBE 的數(shù)控自動編程系統(tǒng)，提升了機匣的數(shù)控編程效率和程序切削參數(shù)的精準性，提高了企業(yè)數(shù)控加工效率及其產(chǎn)品加工質(zhì)量，使機匣數(shù)控加工真正朝著“高質(zhì)、高效、低耗”發(fā)展。