孫啟超，張志強(qiáng)，曾令玉

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所 渦輪研究室，沈陽 110015)

隨著數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的飛速發(fā)展，MBD(Model Based Definition，基于模型的產(chǎn)品定義)技術(shù)即已經(jīng)成為CAD 技術(shù)的新趨勢[1-2]。MBD 技術(shù)以全三維數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，用集成的三維實(shí)體模型完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息，賦予產(chǎn)品定義信息相應(yīng)的工程語義，MBD 模型既包括產(chǎn)品的形狀、尺寸信息，同時也包括制造、檢驗(yàn)等所需的信息，是一個真正完整的產(chǎn)品定義三維模型。因此，MBD 技術(shù)將設(shè)計信息和制造信息共同定義到產(chǎn)品模型中，實(shí)現(xiàn)了面向制造的設(shè)計，既保證了數(shù)據(jù)的完整性，又使三維實(shí)體模型作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)。

針對航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片類零件(典型結(jié)構(gòu)如圖1所示)，其三維彎扭的內(nèi)、外葉型，加上大量復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性，只通過二維圖無法表達(dá)全部信息。慣常的做法是由設(shè)計員完成二維設(shè)計圖，生產(chǎn)廠工藝員依據(jù)二維圖紙生成三維工藝模型[3-7]，采用插值的方法補(bǔ)全二維圖到三維模型不足數(shù)據(jù)，并以近似串行的模式完成工裝設(shè)計、鑄造、機(jī)加等流程環(huán)節(jié)，極易造成信息遺漏和數(shù)據(jù)失真，并最終導(dǎo)致了葉片產(chǎn)品質(zhì)量一致性差、合格率低、研制周期長、成本高等一系列問題。資料顯示，即使是航空技術(shù)先進(jìn)的歐美國家，資深如Howmet和PCC這樣的渦輪葉片生產(chǎn)廠家，也曾因高渦轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)腔工藝孔設(shè)定不同，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致B737-800飛機(jī)在起飛過程中因發(fā)動機(jī)渦輪葉片斷裂而停車(如圖2所示)，這也從另一方面說明了由制造工藝差別導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問題的普遍性和嚴(yán)重性。

圖1 渦輪葉片典型結(jié)構(gòu)示意

圖2 國外葉片產(chǎn)品內(nèi)腔工藝孔差異

在渦輪葉片的研制中采用以全三維數(shù)字化模型為基礎(chǔ)的MBD技術(shù)[8-10]，使MBD 數(shù)字化模型貫穿于整個葉片產(chǎn)品生命周期的數(shù)字化制造過程中。建立基于MBD 模型的數(shù)字化設(shè)計制造一體化集成應(yīng)用體系[11-13]，達(dá)到無二維圖、無紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計的渦輪葉片MBD模型信息的高度重用，避免生成的工藝模型與設(shè)計偏離，減少工藝制造流程中各環(huán)節(jié)的串行和反復(fù)，是縮短渦輪葉片研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品研制節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵所在[14-15]。

本文以某型發(fā)動機(jī)高渦轉(zhuǎn)子葉片研制為載體，完成了基于三維模型“單一數(shù)據(jù)源”的渦輪葉片MBD技術(shù)工程應(yīng)用研究，系統(tǒng)地論述了渦輪葉片在實(shí)現(xiàn)MBD技術(shù)中各個環(huán)節(jié)中需解決的關(guān)鍵問題、解決辦法及應(yīng)用效果。

1 組建專家系統(tǒng)，統(tǒng)一數(shù)字平臺

1.1 專家系統(tǒng)需求分析

渦輪葉片研制流程中為實(shí)現(xiàn)設(shè)計信息的高度重復(fù)使用，MBD模型應(yīng)當(dāng)是葉片產(chǎn)品工程制造全部信息的完整集成，需要設(shè)計、制造部門深入和廣泛的參與，為此組建了跨部門的產(chǎn)品全生命周期集成開發(fā)的綜合項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，分設(shè)計、工藝、工裝、質(zhì)量、檢驗(yàn)等小組。各組包含研制各領(lǐng)域一線專家，葉片設(shè)計過程中，專家從不同專業(yè)角度提出葉片結(jié)構(gòu)改進(jìn)意見，使設(shè)計出來的葉片產(chǎn)品在滿足性能要求的前提下，具有更好的可生產(chǎn)性、可裝配性、可檢測性，提高設(shè)計(模型)技術(shù)水平。但項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中各專家存在跨地域、跨專業(yè)、跨部門的特點(diǎn)，需要解決由此帶來的信息共享、交流及協(xié)作等問題。

1.2 建立團(tuán)隊(duì)統(tǒng)一工作平臺

針對協(xié)同設(shè)計需求，將團(tuán)隊(duì)中多個單位的PDM(Product Data Management產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)系統(tǒng)之間相連，建立統(tǒng)一的信息化平臺。針對協(xié)同團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)的具體葉片項(xiàng)目，在各單位內(nèi)部PDM服務(wù)器建立專家團(tuán)隊(duì)共享區(qū)及統(tǒng)一的文件夾架構(gòu)，供專家迅速獲取各階段模型信息并反饋工藝等協(xié)同問題，由設(shè)計者將問題及協(xié)同紀(jì)要統(tǒng)一記錄。團(tuán)隊(duì)成員根據(jù)職責(zé)得到葉片設(shè)計及制造過程所需的模型、協(xié)同問題及處理方案等，形成可確保全部信息保真?zhèn)鬟f和完整共享的集成信息化平臺，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，加快研制進(jìn)度。

2 創(chuàng)建并行流程，縮短研制周期

2.1 并行工作可行性分析

目前渦輪葉片設(shè)計、制造工作流程如圖3所示，圖中串行開展的模式明顯拖延了研制進(jìn)程。利用MBD技術(shù)，單一數(shù)據(jù)源模型省略了二維圖紙與工藝三維造型間的尺寸轉(zhuǎn)化步驟，可直接用于鑄件模具設(shè)計等工序，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計、制造多道工序并行，如模型設(shè)計與材料準(zhǔn)備并行、尺寸標(biāo)注與工藝準(zhǔn)備并行等創(chuàng)造了條件，可有效提高研制效率，縮短葉片研制周期。

由于渦輪葉片研制各工序存在復(fù)雜的接口關(guān)系，如建立的并行工作流程處理不好，各工序上下游接口輸入/輸出信息的充分性、確定性及唯一性等問題會導(dǎo)致葉片研制過程的執(zhí)行更為混亂。

圖3 現(xiàn)行的渦輪葉片串行研制流程

2.2 設(shè)計制造并行流程建立

在利用MBD技術(shù)建立渦輪葉片“單一數(shù)據(jù)源”基礎(chǔ)上，制定的葉片廠所并行研制工作方案如圖4所示。分為M1、M2、A版3個階段，確定了各階段廠所工作內(nèi)容及完成標(biāo)志。

M1階段為設(shè)計完成葉片的初步模型，包含葉片材料、基本輪廓、預(yù)估重量等信息，生產(chǎn)廠據(jù)此編制葉片研制的材料種類和預(yù)期的消耗定額等；

M2階段為廠所協(xié)同設(shè)計階段，生產(chǎn)廠針對M1階段模型與設(shè)計共同協(xié)商完善葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定主要工藝技術(shù)方案。本階段需要廠所快速反應(yīng)，進(jìn)行多輪的協(xié)同設(shè)計，M2階段完成后的葉片模型包含結(jié)構(gòu)確定的外型、內(nèi)腔及鑄造工藝所需的技術(shù)要求，供生產(chǎn)廠開展工裝、鑄件模具設(shè)計等工作；

在A版階段，設(shè)計依據(jù)MBD三維標(biāo)注原則及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范完成對葉片模型的標(biāo)注，形成完整規(guī)范的單一數(shù)據(jù)源模型，包含結(jié)構(gòu)尺寸、公差、輪廓度、粗糙度等全部信息和加工、檢測技術(shù)要求，供生產(chǎn)廠生產(chǎn)使用。

2.3 并行流程應(yīng)用效果

某型發(fā)動機(jī)高壓渦輪工作葉片使用廠所并行工作方案完成研制，相對于原來的串行模式，承制廠在設(shè)計完成最終發(fā)圖之前現(xiàn)行開展并完成了多道工序，避免了圖紙工藝會簽反復(fù)，省略了二維圖紙與三維模型間的尺寸轉(zhuǎn)化步驟，也保證了研制各工序上下游數(shù)據(jù)明確唯一，從實(shí)際效果上來看，葉片研制周期縮短約30%。

圖4 渦輪葉片并行協(xié)同研制流程

3 優(yōu)化工藝方法，規(guī)范過程控制

3.1 通過協(xié)同模式優(yōu)化設(shè)計

在廠所并行研制工作方案M2階段，協(xié)同設(shè)計團(tuán)隊(duì)利用信息化平臺開展渦輪葉片MBD模型廠所協(xié)同設(shè)計。由于制造部門的介入，設(shè)計調(diào)整葉片細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，葉片生產(chǎn)的工藝方法得到了優(yōu)化。葉片MBD模型除原有尺寸信息外，還包含了未注倒角、拔模斜度、工藝孔設(shè)定等工藝信息，原本有差異的各生產(chǎn)廠工藝、工裝方案得到了統(tǒng)一，避免了因工藝不同造成的葉片結(jié)構(gòu)偏差，有效提升了葉片產(chǎn)品的質(zhì)量一致性。

通過設(shè)計制造間的協(xié)同，進(jìn)一步明確了葉片的定位方式和全尺寸檢驗(yàn)要求，并且在MBD模型中落實(shí)了葉片整個生產(chǎn)過程中的全部工藝規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)范各生產(chǎn)廠熔模材料、釬焊、氣膜孔、涂層、噴丸等工藝,使葉片產(chǎn)品的最終質(zhì)量得到了有效保證。

3.2 協(xié)同設(shè)計優(yōu)化具體應(yīng)用

以葉片前腔工藝孔(圖5)為例，由原設(shè)計二維圖對工藝方法控制不嚴(yán)，僅僅粗略表達(dá)了位置信息，導(dǎo)致三家工廠生產(chǎn)的葉片產(chǎn)品對應(yīng)位置造型各異。通過協(xié)同設(shè)計統(tǒng)一調(diào)整葉片型芯及裝配堵頭結(jié)構(gòu)，并使用MBD模型直接控制鑄件模具生產(chǎn)，保證了對應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善了葉片組件的裝配工藝，實(shí)現(xiàn)了葉片多流水生產(chǎn)的質(zhì)量和一致性的有效提升。

圖5 協(xié)同設(shè)計統(tǒng)一各廠內(nèi)腔工藝孔結(jié)構(gòu)

4 保留二維識圖習(xí)慣，發(fā)揮三維標(biāo)注優(yōu)勢

4.1 渦輪葉片MBD模型標(biāo)注要求

MBD是基于模型的產(chǎn)品定義，要求在三維模型上包含產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)、制造和檢驗(yàn)等完整信息。由于渦輪葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸多，工序長、工藝復(fù)雜，MBD三維模型所包含的信息量十分巨大，全部標(biāo)注將導(dǎo)致尺寸嚴(yán)重重疊，增加識圖困難。因此對渦輪葉片MBD模型的標(biāo)注除信息完整外，還應(yīng)具有顯示清晰、尺寸簡潔、利于更改、方便使用人員識圖解讀的特點(diǎn)。

4.2 渦輪葉片三維標(biāo)注方法建立

UG NX 的 PMI(UG 3D標(biāo)注產(chǎn)品制造信息)模塊提供了一個較全面的三維注釋環(huán)境，用于將尺寸、文本和注釋等信息標(biāo)注在零件上[16]。本文依據(jù)PMI模塊特點(diǎn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定制了渦輪葉片類零件的三維標(biāo)注流程(圖6)，并且為實(shí)現(xiàn)上述對渦輪葉片MBD模型三維標(biāo)注的要求，采取了如下措施。

首先，為協(xié)助和引導(dǎo)三維模型識圖，建立了葉片主/分視圖設(shè)定及預(yù)覽功能，由各個分視圖(圖7右上)顯示原本復(fù)雜晦澀的主觀圖(圖7左上)中包含的全部標(biāo)注信息；建立了葉片視圖命名規(guī)則(圖7下)及PMI索引視圖，提升了三維標(biāo)注的可讀性;

其次，在三維模型上標(biāo)注尺寸時，各分視圖保留了傳統(tǒng)二維圖分區(qū)、分類、局部放大的標(biāo)注習(xí)慣，方便借助二維看圖習(xí)慣理解三維標(biāo)注;

最后，經(jīng)充分交流，設(shè)計與工藝人員達(dá)成共識，借助三維模型蘊(yùn)含完整結(jié)構(gòu)信息優(yōu)勢，模型上不再標(biāo)注渦輪葉片內(nèi)腔大量自由公差尺寸，這大大減少了模型上需標(biāo)注的尺寸數(shù)量，在減少工作量的同時，也有效提高了三維標(biāo)注視圖的易讀性。

圖6 渦輪葉片類零件三維標(biāo)注流程

綜上所述，通過工藝與設(shè)計廣泛深入的協(xié)同工作，完成了渦輪葉片MBD模型的三維標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)了基于葉片三維模型的完整產(chǎn)品定義，有效保證了三維標(biāo)注視圖的可讀性。

5 技術(shù)具體應(yīng)用情況

以某型發(fā)動機(jī)高渦轉(zhuǎn)子葉片為載體，開展了基于三維模型“單一數(shù)據(jù)源”渦輪葉片MBD技術(shù)工程應(yīng)用研究。經(jīng)與3個葉片生產(chǎn)廠家協(xié)同，完成MBD葉片建模和標(biāo)注，3個廠家以此作為“單一數(shù)據(jù)源”，分別完成了一臺份成品葉片的生產(chǎn)，葉片鑄造合格率從原來的45%提升到約60%。統(tǒng)計各廠應(yīng)用MBD模型前后生產(chǎn)葉片水流量(G1、G3)、重量、頻率的中位數(shù)偏差(圖8)，這些關(guān)鍵參數(shù)分散度大幅減小，葉片制造質(zhì)量一致性明顯提升。葉片均一次性通過振動疲勞試驗(yàn)考核，混裝了3個廠家葉片的發(fā)動機(jī)通過了持久試車考核，葉片表現(xiàn)良好，實(shí)現(xiàn)了本文協(xié)同設(shè)計的研究目標(biāo)。

圖7 渦輪葉片主視圖及分視圖設(shè)定及分視圖命名規(guī)則

圖8 3個廠家應(yīng)用MBD模型前后葉片質(zhì)量參數(shù)偏差

6 結(jié)論

本文通過工程實(shí)踐研究，完成了基于MBD技術(shù)的復(fù)雜渦輪葉片單一數(shù)據(jù)源模型協(xié)同設(shè)計技術(shù)建立，使用本技術(shù)設(shè)計、制造的葉片質(zhì)量一致性、合格率明顯提高，縮短了復(fù)雜產(chǎn)品研制周期，葉片通過試驗(yàn)和發(fā)動機(jī)長試考核。驗(yàn)證了在渦輪葉片研制中應(yīng)用MBD技術(shù)的可行性和優(yōu)勢，提升了我國航空技術(shù)數(shù)字化水平。