基于模型的航空零件工艺研究与应用

邓小棒 龚双会

摘 要：本文简述了我国航空国防行业的特点及现状，针对航空产品研制过程中数据源不统一、数据重用率低、无法事先模拟仿真等问题，提出应用MBD技术打通数据重用通道，开展基于模型的结构化工艺设计模式的研究和探讨，以期从根本上提高效率、提升产品质量。

关键词：MBD；三维工艺；数字化制造；快速编程

1 行业特点及现状

航空国防行业是制造业的重要组成部分，因其技术上的高、精、尖，在相当程度上体现了一个国家的科技发展水平。改革开放以来，我国航空国防取得了举世瞩目的成就，随着市场竞争和需求的压力不断增加，我国航空国防行业普遍面临着效率、产能、创新方面的挑战，与以往相比呈现出协作规模更大、系统综合性更强、研发周期更短、性能要求更高等特点。

2 业务挑战

工艺设计作为连接产品设计和制造的桥梁，所产生的数据是产品全生命周期中最重要的数据之一，同时也是生产单位进行计划排产、物资采购、生产调度的重要数据。当前我国航空制造业多数成员单位编制工艺规程时主要仍采用二维工程图加注释的方法描述工序内容，包括：加工内容、技术要求、工艺准备、计量和检验要求等。

3 基于模型的航空零件工艺解决方案

3.1 系统方案

基于模型的航空零件工艺解决方案包括协同设计、设计数据获取、工艺分工、工艺设计、工装设计、数控编程及仿真、工艺卡片与报表生成、MES/ERP集成、知识及资源管理等核心功能，实现从产品设计到工艺、制造的业务集成。Teamcenter Manufacturing（简称TCM）是基于模型的工艺解决方案中的主要功能模块，它提供了工艺数据标准发布流程与变更流程，并贯通设计、工艺变更的全流程管理。TCM将工艺路线以结构树的方式进行管理，使数据的表达、重组、扩展、汇总变得更加方便，可以更有效地指导生产，同时为MES、ERP等系统的数据准确性及可用性提供了保障。TC集成了NX CAD/CAE/CAM，可以在统一平台下实现零件设计、工装设计及数控编程与验证等功能。

3.2 系统功能

3.2.1设计数据的接收和下发

建立航空企业产品数字化定义的成熟度评价标准，设计成熟度等级和详细准则，通过多级成熟度审批流程发放设计数据。工艺部门依据预发放的三维设计模型进行工艺分析，检查结构设计的合理性，并反馈工艺审查意见。

3.2.2工艺设计

构建工序模型前必须明确工艺路线，在方案阶段进行细致考虑和优化，避免后期频繁更改。工序模型可正向以毛坯为起点，通过参数化或者具体模型操作实现，也可逆向以设计模型为起点倒推。

具体建模时，通过NX WAVE Link功能引用设计模型或其他工序模型，运用同步建模对模型进行修改，如增减加工余量、删除或添加孔、槽等特征，方便快捷地建立关联的工序模型。在构建工序模型时应注意以下基本原则：（1）为避免使用工序模型进行编程、仿真时出现偏差，尽量不要用设计模型替代中间工序模型；（2）按最大实体状态1：1构建工序模型几何体素的形状尺寸，也可按中差建模，但主要考虑标注与现行工程标注的衔接性；（3）为了更清晰地表达工艺过程，工序模型的非加工特征及待加工特征可采用不同着色区分，着色方式也可以用来表述定位和装夹部位，但同一模型上不宜出现过多颜色，故建议用文字引出方式表述定位和夹紧，以免造成混淆。

为各工序创建工序卡时，可在NX中选择工序卡模板，工序卡的内容自动继承零件及工序属性表。在工序编辑界面直接调用资源库中设备、工装，并保存关联关系，在图形区插入3D工序模型、2D投影图，或直接绘制工序图。通过PMI功能进行3D制造信息标注，如工序尺寸公差、加工区域标识、操作说明、检验要求等。在标注时，标注内容与被标注几何体素应当正确关联。如果模型复杂，无法通过一个视图完整清晰地表达所有内容，可定义多个视图，进行分视图标注，同时应灵活运用文字注释和标注分层功能。

钣焊、装配、锻铸、热表及探伤等工艺以非结构化的方式管理，即无需细化到工序，但应支持未来进行结构化改造。完成整套工艺后，进行审批、发放，审批者可方便地进行浏览和圈阅。

3.2.3工装的设计及管理

航空制造业工艺装备具有以下特点：（1）研制周期长：占飞机研制周期的1/3～1/2；（2）品种多；（3）精度高：高于飞机产品精度；（4）技术学科多；（5）协调关系多；（6）技术要求高。其研制水平和能力是飞机制造成功与否的关键因素之一。基于模型的工装设计将标准及规范引入工装设计应用系统，采用模块化设计理念，形成工装设计知识和经验的积累和重用。通过TC对与工装设计相关数据进行统一管理，如典型工装模板数据、典型设计形状数据、工装产品数据等。针对模具工装，NX提供了专业的功能模块，包括注塑模设计、级进模设计、冲压模设计、电极设计等。

3.2.4编程及仿真

在基于模型的工艺解决方案的基础上，梳理数控加工流程，创建控制系统、机床模型、刀具、加工参数等各类资源库。在系统中设置多角色并赋予相应数据操作权限，工艺人员直接利用设计或关联的工序模型进行数控编程，在Vericut中仿真数控加工过程，检查过切、欠切，防止机床碰撞及超行程等异常，分析、优化NC程序代码，减少实际运行风险，提高加工效率和精度。仿真完成后将加工仿真包导入TC系统，同时，也可直接将系统中的仿真项目包导出进行加工过程的仿真。

3.2.5检测

产品生产的检测包括检测工艺规划和检测执行。基于模型的检测技术将检测信息集成在三维模型中，进行工序检测工艺的规划，实现了三维模型数据在工艺设计与检测环节的重用。这些数据包括由工序尺寸、公差、几何精度等组成的设计信息以及由检测工艺符号和检测技术要求等组成的检测工艺信息。检测的执行是根据检测工艺规定的内容进行实测，并反馈测量结果。实际操作时可通过常用测量仪器（如游标卡尺、千分尺等）、三坐标测量仪、影像测量设备及特殊测量设备（如粗糙度测量仪）等获得检测结果。

4 结束语

基于MBD的工艺是信息化技术在制造领域的应用成果，其研究对于航空制造业开展全三维设计模型重用、合理规划工艺、关联更新工序模型、快捷开展工装设计及科学管理结构化工艺等有重大意义。制定有效可行的工艺设计路线，全面实施基于MBD的数字化协同设计、制造技术将成为航空制造企业提升整体研发水平、缩短研发周期、降低研发成本、提升产品质量的有效途径。

在贯通MBD技术的全三维设计应用后，我们还需建立并不断完善标准零件、切削参数、设备、工装、刀量具等资源库，总结先进数字化制造、检测及编程仿真经验，更大限度地发挥MBD在制造过程中的优势。

参考文献

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[2] 冯潼能，王铮阳，等.MBD技术在数字化协同制造中的应用与展望.南京航空航天大学学报，2012，44（z1）.

[3] 姜雨，李立军，丁明.工作台回转式五轴数控机床虚拟样机建模与数控仿真.机床与液压，2012，40（23）.