基于MBD三维模型的工艺制造试验

焦晓艳，罗 锡，姜红明

(1.中国航空工业计算技术研究所总师办，陕西西安 710119;2.中国航空工业计算技术研究所1车间，陕西西安 710119;3.中国航空工业计算技术研究所4室，陕西西安 710119)

MBD(Model Based Definition)是一种用产品定义数据集来完整表达产品信息的方法。产品定义数据集是一个或几个计算机文件的集合，它以直接或间接的方式，利用图形或文字，或两者结合的方式，表达出一个项目或零部件的物理和功能要求。产品定义数据集的具体内容包括模型(Model)、修订版历史(Revision History)、部分或全部图纸(Drawing Partial or Complete)、零部件表(Part List)、物料(Materials)、表面状态(Finishes)、技术说明(Processes)、注解(Note)、分析数据(Analytical Data)和测试要求(Test Requirements)等［1］。

MBD技术体系使CAD系统与产品数据管理系统高度集成，使产品数据集和它相应的零件表的管理融为一体，因此，MBD技术体系无论从产品定义内容上到数据组织管理与控制上都有着质的飞跃。MBD覆盖了从设计到生产制造的整个环节，涉及到相应的设计部门、工艺部门、生产部门和检验部门［2］。各相关部门工作项流程如图1所示。

图1 MBD各相关部门工作项流程图

1 基于MBD三维模型的工艺制造

基于MBD三维模型的工艺制造流程如图2所示。

图2 基于MBD三维模型的工艺制造流程图

1.1 三维模型的工艺性分析

设计部门提供基于CATIA V5R20版的前面板三维模型，如图3所示。

采用同样版本的三维软件读入模型，并进行工艺性分析:首先，熟悉零件结构特征。该零件为一壳体零件，零件内部凹槽分为两层，底部开两个长方窗，孔在零件顶面、底面和中部台阶面均有分布，外部轮廓有一台阶;其次，确定下料尺寸。通过软件自带的测量功能，测量出零件的外形尺寸。该零件外形尺寸为388.4 mm×197.6 mm×11.3 mm，零件长度尺寸较大，虎钳无法装夹，必须通过多个压板对零件装夹，才能牢固铣削。所以零件在下料时需要在宽度方向留压板装夹余量，确定该零件的下料尺寸为397 mm×225 mm×12.7 mm，材料采用6061－T651。再次，安排数控加工工艺。该零件的数控加工可以通过对毛坯件盘铣一基准面，铣削出所有轮廓特征［3］。

图3 三维模型图

图4 数控铣削所有轮廓特征的顺序

1.2 零件的数控编程

通过三维软件自带的测量功能，测量内腔深度，圆角、台阶等尺寸，基于测量零件的凹槽深度和圆角大小，确定使用刀具的大小、切削刃的最短长度等刀具参数［4］。

CATIA软件三维加工功能的编程步骤:

(1)依据已有三维定义零件操作。包括选择机床和设置机床参数，设定加工坐标系，加载加工目标模型，选择目标加工零件，选择毛坯零件，设定安全平面等加工基本参数，具体操作如图5所示。

(2)按前述分析的数控加工工艺，逐步定义加工几何参数。包括加工区域的选择、刀具参数定义、进给率定义、刀具走刀方式定义和进刀/退刀路径定义等，最终生成刀具路径。各层刀具路径如图6～图9所示。

(3)刀路仿真。各刀具路径定义完成后，对刀具路径进行刀路仿真，检测其合理性，进行加工余量分析、过切分析和刀具碰撞分析等，不合理则需要重新生成刀具路径，再进行刀路仿真［5］。各步刀具仿真如图10～图12所示。

(4)后处理。将加工刀路转换为数控机床可以识别的数控程序(NC代码)，生成的代码需经过适当的修改，以满足不同系统的数控机床，使机床能完全识别和运行程序。生成代码和编辑代码如图13和图14所示。

(5)编制机械加工工艺过程卡。依据三维模型数据和零件的加工过程，编制完整的加工过程卡，编制过程卡如图15所示。

图15 三维模型试验件工艺流程卡

1.3 三维模型零件数控加工

按照制定好的工艺，对三维模型零件进行数控加工:(1)将编制好的数控程序调入数控机床，并进行模拟演示，观察演示情况，分析有无错误。(2)按程序准备夹具和刀具。(3)将铣削好外形尺寸的零件装夹与机床上，按程序进行数控铣削加工，并按需求进行装夹和更换刀具，进行整个零件的铣削。加工主要过程及结果如图16～图18所示。

图18 数控加工完成零件图

2 结束语

通过基于MBD三维模型的工艺制造试验，初步形成了三维设计与工艺制造流程，进一步研究明确了三维模型的可制造性设计要求，对MBD的信息化建设发展并最终实现无纸化生产具有一定意义。

［1］范玉青.现代飞机制造技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2001.

［2］周秋忠，范玉青.MBD技术在飞机制造中的应用［J］.航空维修与工程，2008(3):55－57.

［3］梅中义.基于MBD的飞机数字化装配技术［J］.航空制造技术，2010(18):42－45.

［4］鲁康.强化标准关注体系推进MBD深入应用［J］.航空制造技术，2010(20):54－57.

［5］王娇艳，康凤举，刘眀皓.模型组件化建模技术研究［J］.计算机仿真，2009，26(10):252－255.