(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路由于空間布局復(fù)雜、形狀大小各異、零組件種類(lèi)繁多，導(dǎo)致其制造難度大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)。目前，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路制造已基本實(shí)現(xiàn)基于三維數(shù)字模型的數(shù)控折彎，但受限于折彎回彈補(bǔ)償尚不成熟、不能準(zhǔn)確切端和確定導(dǎo)管接頭的空間位置，仍采用先取樣后生產(chǎn)的模式，即在發(fā)動(dòng)機(jī)金屬樣機(jī)上排管試裝來(lái)確定最終管形，制造過(guò)程中的環(huán)境、人為因素常導(dǎo)致管路的制造質(zhì)量不穩(wěn)定。同時(shí)，由于取樣通常還需外部樣機(jī)資源，給管路的生產(chǎn)管理也帶來(lái)極大的不便。特別是在新機(jī)研制階段，管路在設(shè)計(jì)初期改動(dòng)頻繁，如果仍按照傳統(tǒng)模式進(jìn)行加工，不僅周期長(zhǎng)，而且成本高。

20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)外先進(jìn)航空制造企業(yè)逐步將管路數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造技術(shù)用于飛機(jī)的研制中。如美國(guó)波音公司在1986 年開(kāi)始采用三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并成功將管路數(shù)字化制造應(yīng)用到波音777飛機(jī)項(xiàng)目中[1]。目前，國(guó)外先進(jìn)航空制造企業(yè)在管路制造中廣泛采用管路CAD/CAM一體化制造技術(shù)，以CATIA三維設(shè)計(jì)軟件為平臺(tái)，結(jié)合虛擬裝配和數(shù)控彎管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管制造全過(guò)程的數(shù)字量傳遞，并逐步取代管路取樣這一傳統(tǒng)方式[2]。在國(guó)外飛機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的帶動(dòng)下，國(guó)內(nèi)各飛機(jī)制造企業(yè)通過(guò)引進(jìn)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控測(cè)量?jī)x等先進(jìn)設(shè)備，使得我國(guó)的管路數(shù)字化制造技術(shù)得到迅速發(fā)展。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)管路數(shù)字化制造中的諸如工裝數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)控折彎回彈補(bǔ)償?shù)葐雾?xiàng)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究[3-5]，同時(shí)在航天和飛機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行了管路數(shù)字化制造的嘗試[6-11]，但針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路的相關(guān)研究報(bào)道較少。

本文根據(jù)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路制造需求，立足于制造企業(yè)現(xiàn)有資源和技術(shù)基礎(chǔ)，以Teamcenter 系統(tǒng)為平臺(tái)，利用NX 三維設(shè)計(jì)軟件、數(shù)控折彎設(shè)備、三坐標(biāo)檢測(cè)儀等工具，以數(shù)控折彎補(bǔ)償技術(shù)和柔性組合夾具數(shù)字化拼裝技術(shù)為核心，梳理并建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路數(shù)字化制造流程，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路制造全過(guò)程的數(shù)字化傳遞。研究結(jié)果可為改變航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路先取樣后生產(chǎn)的制造模式，以及實(shí)現(xiàn)外部管路數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和參考。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路數(shù)字化制造流程設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路數(shù)字化制造流程相對(duì)于傳統(tǒng)制造方法，取消了取樣環(huán)節(jié)，將整個(gè)制造、檢驗(yàn)過(guò)程數(shù)字化，使外部管路制造可以和整機(jī)零、部件制造并行開(kāi)展，縮短制造周期，同時(shí)提高管路制造的快速反應(yīng)能力。以某制造企業(yè)現(xiàn)有資源和實(shí)際生產(chǎn)條件為基礎(chǔ)，梳理并建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路數(shù)字化制造流程(圖1)，主要包括：

(1)根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)模型，提取需加工的物料清單及三維數(shù)模。每個(gè)管路組件的加工分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的步驟，一是管路組件中導(dǎo)管的數(shù)控折彎，二是管路組件的柔性組合夾具拼裝，兩個(gè)步驟可以同步進(jìn)行。

(2)采用數(shù)控折彎設(shè)備，進(jìn)行貫徹折彎回彈的導(dǎo)管折彎。將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中的空間xyz坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)控折彎?rùn)C(jī)的增量彎管數(shù)據(jù)LRA。其中，L表示管子送進(jìn)量，R表示管子旋轉(zhuǎn)角，A表示管子折彎角。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，利用工藝知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，將導(dǎo)管貫徹回彈補(bǔ)償值后折彎，折彎好的導(dǎo)管通過(guò)激光掃描儀矢量測(cè)量是否符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)于測(cè)量不合格的折彎導(dǎo)管，需進(jìn)行折彎修正。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路數(shù)字化制造流程圖Fig.1 Aero-engine pipeline digital manufacturing process

(3) 柔性組合夾具采用基于Teamcenter系統(tǒng)的數(shù)字化拼裝技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在制造企業(yè)現(xiàn)有組合夾具實(shí)物資源基礎(chǔ)上，通過(guò)Teamcenter 系統(tǒng)，以NX 軟件為工具進(jìn)行參數(shù)化建模設(shè)計(jì)，建立柔性組合夾具三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)庫(kù)。以設(shè)計(jì)輸入的每個(gè)管路組件為目標(biāo)，進(jìn)行組合夾具數(shù)字化拼裝設(shè)計(jì)，加工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)拼裝完成的三維模型結(jié)合設(shè)計(jì)要求進(jìn)行實(shí)物拼裝，拼裝好的實(shí)物利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢驗(yàn)，并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

(4)將折彎合格的導(dǎo)管以及管路組件的其他零件，在檢測(cè)合格的組合夾具上連接定位，點(diǎn)焊固定管接頭與導(dǎo)管形成初步的管路組件，并進(jìn)行焊接。由于存在焊接變形，焊接好的管路組件需進(jìn)行管形和關(guān)鍵點(diǎn)的復(fù)檢，復(fù)檢合格后的管路組件再進(jìn)行X 光檢測(cè)、打壓試驗(yàn)等后續(xù)工作。對(duì)于復(fù)檢不合格的管路組件，需要進(jìn)行微調(diào)。

(5)管路組件在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行總裝。對(duì)于不能滿(mǎn)足裝配需要的管路組件，可按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行管路校形。校形后仍不能滿(mǎn)足要求的，需提交設(shè)計(jì)部門(mén)核實(shí)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的可靠性，重復(fù)上述步驟，直至合格。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路數(shù)字化制造關(guān)鍵技術(shù)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路數(shù)字化制造流程中，基于數(shù)據(jù)庫(kù)的導(dǎo)管折彎回彈補(bǔ)償、柔性組合夾具數(shù)字化拼裝是關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)導(dǎo)管的數(shù)控折彎，保證管形的空間走向，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的折彎回彈數(shù)據(jù)庫(kù)是折彎回彈預(yù)測(cè)的前提。柔性組合夾具數(shù)字化拼裝技術(shù)是根據(jù)管路三維數(shù)模，快速、精確實(shí)現(xiàn)空間管形限位，用于保證管路組件中管接頭、三通等關(guān)鍵位置的空間定位。

3.1 基于數(shù)據(jù)庫(kù)的導(dǎo)管折彎回彈補(bǔ)償技術(shù)

結(jié)合某型發(fā)動(dòng)機(jī)管路制造生產(chǎn)實(shí)際，開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路常用不銹鋼導(dǎo)管回彈量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，形成導(dǎo)管折彎回彈補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù)。首先，在此發(fā)動(dòng)機(jī)管路制造初期，采用一個(gè)管路組件使用兩套導(dǎo)管進(jìn)行折彎加工，得到折彎回彈數(shù)據(jù)，以此建立導(dǎo)管折彎數(shù)據(jù)庫(kù)，然后利用初步建立的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行導(dǎo)管折彎回彈預(yù)測(cè)，并在后續(xù)的制造過(guò)程中不斷修正、完善。導(dǎo)管數(shù)控折彎及數(shù)據(jù)庫(kù)初步構(gòu)建如圖2 所示，具體流程為：

(1)折彎1#導(dǎo)管。導(dǎo)管根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)模的空間坐標(biāo)(x,y,z)轉(zhuǎn)換為增量折彎坐標(biāo)(L,R,A)，并在數(shù)控折彎?rùn)C(jī)上進(jìn)行導(dǎo)管折彎。

(2)檢驗(yàn)1#導(dǎo)管的折彎數(shù)據(jù)。通過(guò)激光測(cè)量?jī)x測(cè)量得到1#折彎導(dǎo)管的折彎數(shù)據(jù)(L1,R1,A1)，并根據(jù)理論角度和折彎實(shí)際角度的差值得到導(dǎo)管折彎回彈補(bǔ)償量Δ，即Δ=A-A1。

(3)貫徹回彈補(bǔ)償量，折彎2#導(dǎo)管。將折彎回彈量貫徹到2#導(dǎo)管的折彎數(shù)據(jù)中，此時(shí)的增量折彎坐標(biāo)為(L,R,A+Δ)。通過(guò)激光測(cè)量?jī)x測(cè)量得到2#折彎導(dǎo)管的折彎數(shù)據(jù)(L2,R2,A2)，并與理論數(shù)據(jù)(L,R,A)對(duì)比，分析誤差，確定折彎導(dǎo)管是否可用。

(4)對(duì)于未貫徹回彈補(bǔ)償?shù)?#導(dǎo)管，待2#導(dǎo)管折彎并檢驗(yàn)合格后，以此為樣件將1#導(dǎo)管校形，滿(mǎn)足要求后可用。

圖2 導(dǎo)管數(shù)控折彎及數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建Fig.2 Pipeline NC bending and database construction

圖3 基于數(shù)據(jù)庫(kù)的折彎回彈補(bǔ)償流程Fig.3 Database-based bending springback prediction process

利用建立的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行導(dǎo)管折彎回彈預(yù)測(cè)，具體如圖3 所示。對(duì)于某一導(dǎo)管，通過(guò)制造坐標(biāo)的增量折彎數(shù)據(jù)與所建立的導(dǎo)管折彎數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的對(duì)比，得到是否有與之匹配的補(bǔ)償數(shù)據(jù)。如有，則直接得到回彈補(bǔ)償值，貫徹回彈補(bǔ)償后進(jìn)行折彎；如沒(méi)有，則可通過(guò)線(xiàn)性插值求得回彈補(bǔ)償值，貫徹這一回彈補(bǔ)償后再進(jìn)行折彎。折彎后的導(dǎo)管采用激光掃描儀快速測(cè)量導(dǎo)管管形，并與理論管形進(jìn)行對(duì)比，不合格的通過(guò)校形修正，直至合格。每完成一次上述流程，即可更新既有的數(shù)據(jù)庫(kù)，以此不斷完善和豐富導(dǎo)管折彎回彈預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

按上述流程，經(jīng)過(guò)前期該型發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)臺(tái)份的管路制造，獲得了大量的制造數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)考慮了實(shí)際加工中管材、管徑、折彎半徑、折彎角度、折彎速度、折彎方法等因素對(duì)折彎回彈的影響。同時(shí)，將其他型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)管路制造的數(shù)據(jù)完善豐富到所建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中，不斷提高折彎回彈預(yù)測(cè)的精度。

表1列舉了某導(dǎo)管的折彎數(shù)據(jù)，表2對(duì)該折彎數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差分析。結(jié)果表明：實(shí)際加工中，導(dǎo)管折彎送進(jìn)量和旋轉(zhuǎn)角相對(duì)理論管形的誤差很小，工程應(yīng)用中可忽略；導(dǎo)管折彎角誤差由無(wú)回彈補(bǔ)償?shù)淖畲?5.27%降低到折彎回彈補(bǔ)償后的不到1.20%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。需注意，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)6的導(dǎo)管送進(jìn)量的誤差主要由導(dǎo)管兩端預(yù)留的加工余量造成。

3.2 柔性組合夾具數(shù)字化拼裝技術(shù)

根據(jù)傳統(tǒng)方法，新管路加工前需根據(jù)管路的標(biāo)準(zhǔn)樣件來(lái)進(jìn)行組合夾具的拼裝，然后交由管路制造人員進(jìn)行管路焊接，待管路加工完成后拆卸組合夾具用作其他零組件的工裝拼裝使用。這一方法的前提是具備管路的標(biāo)準(zhǔn)樣件，在只有管路三維數(shù)模而沒(méi)有實(shí)物的情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)，且拼裝好的組合夾具數(shù)據(jù)難以有效保存和復(fù)制。為解決上述問(wèn)題，提出了基于Teamcenter系統(tǒng)的柔性組合夾具數(shù)字化拼裝流程，見(jiàn)圖4。

表1 導(dǎo)管折彎數(shù)據(jù)表Table 1 Pipeline bending data

表2 導(dǎo)管折彎數(shù)據(jù)誤差分析Table 2 Pipeline bending data error analysis

圖4 柔性組合夾具數(shù)字化拼裝流程Fig.4 Flexible fixture digital assembly process

柔性組合夾具數(shù)字化拼裝，首先以Teamcenter數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為平臺(tái)將組合夾具工裝實(shí)物數(shù)字化。開(kāi)發(fā)了全三維數(shù)字化工裝模式，將參數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)的理念應(yīng)用到工裝設(shè)計(jì)中，構(gòu)建工裝數(shù)據(jù)庫(kù)，搭建工裝數(shù)字化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)工裝設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累、重用與共享。隨后，工藝員在得到設(shè)計(jì)輸入的管路三維數(shù)模后，利用NX 軟件進(jìn)行工裝的三維模擬裝配，并生成組合夾具的件號(hào)物料清單。數(shù)字化拼裝時(shí)，可以將管路組件上的外套螺母、堵頭等影響定位的零件做隱藏處理。為了減少夾具的使用，應(yīng)合理選取拼裝基點(diǎn)，盡量降低夾具基礎(chǔ)塊與管路組件之間的高度。圖5給出了某一管路組件組合夾具數(shù)字化拼裝實(shí)例。最后，將拼裝好的三維模型圖和件號(hào)物料清單傳遞給拼裝和工裝檢驗(yàn)人員。拼裝人員按照物料清單選取相應(yīng)元件，根據(jù)三維模型圖和技術(shù)要求進(jìn)行拼裝。對(duì)于因資源問(wèn)題造成的所需元件無(wú)實(shí)物的，可利用其他尺寸的元件替換。夾具拼裝時(shí)的空間復(fù)雜問(wèn)題，也可以在三維模型上進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。檢驗(yàn)人員根據(jù)三維模型圖和相關(guān)的技術(shù)要求對(duì)拼裝完成后的工裝進(jìn)行檢測(cè)(圖6)，合格后提交給使用單位。實(shí)際拼裝結(jié)果表明：基于數(shù)字化仿真技術(shù)的新型柔性組合夾具的拼裝精度達(dá)到了0.5 mm 以?xún)?nèi)，相對(duì)傳統(tǒng)方法，其拼裝精度和一次拼裝合格率均提高了約一倍。

圖5 組合夾具數(shù)字化拼裝實(shí)例Fig.5 Flexible fixture digital assembly example

4 應(yīng)用實(shí)例

在某發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)批次的管路制造中，應(yīng)用所提出的管路數(shù)字化制造流程后，數(shù)字化制造率和一次裝機(jī)合格率不斷提高，同時(shí)縮短了近一半的制造周期，具體如表3 所示。試制的管路隨整機(jī)經(jīng)過(guò)多次分解裝配及長(zhǎng)時(shí)間試車(chē)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)管路狀態(tài)良好，未出現(xiàn)管路變形、漏油、管接頭磨損等現(xiàn)象。

圖6 組合夾具實(shí)物及檢驗(yàn)Fig.6 Flexible fixture physical object and test

表3 某型發(fā)動(dòng)機(jī)管路數(shù)字化制造效果對(duì)比Table 3 Aero-engine pipeline digital manufacturing effect contrast

5 結(jié)論

(1)立足于航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)現(xiàn)有資源，設(shè)計(jì)確定了管路數(shù)字化制造流程，試制的管路在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝合格率達(dá)到了96%，并隨整機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，管路狀態(tài)良好。表明該制造流程具有可實(shí)現(xiàn)性和可操作性，且能夠快速反應(yīng)，并行制造。

(2)實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)庫(kù)的導(dǎo)管折彎回彈補(bǔ)償預(yù)測(cè)及形變控制，構(gòu)建的導(dǎo)管折彎回彈補(bǔ)償流程及數(shù)據(jù)庫(kù)使導(dǎo)管折彎誤差降低到1.2%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(3)基于Teamcenter 平臺(tái)，提出了管路三維數(shù)字化模型的柔性組合夾具數(shù)字化拼裝技術(shù)。相對(duì)傳統(tǒng)方法，其拼裝精度和一次拼裝合格率均提高了約一倍。