基于特征的渦輪葉片精鑄模具加工工藝規(guī)程設計方法

1、工藝#裝備5電加工與模具62010年第2期基于特征的渦輪葉片精鑄模具加工工藝規(guī)程設計方法賈麗萍,汪文虎,周 桐,楊俊臣,李興海(西北工業(yè)大學,陜西西安710072)摘要:在分析渦輪葉片精鑄模具結(jié)構(gòu)特征和制造工藝的基礎上,結(jié)合精鑄模具加工工藝規(guī)程設計經(jīng)驗,利用知識工程技術,開展了精鑄模具加工工藝規(guī)程智能設計方法研究。主要內(nèi)容包括零件特征信息模型建立、工藝知識庫構(gòu)建及基于特征的產(chǎn)生式規(guī)則推理機制研究。通過系統(tǒng)開發(fā),最終實現(xiàn)了渦輪葉片精鑄模具加工工藝規(guī)程的智能生成。關鍵詞:精鑄模具;工藝規(guī)程設計;信息模型;特征中圖分類號:TG76 文獻標識碼:A 文章編號:1009-279X(2010)02-006

2、3-04Feature2BasedDesignMethodofProcessSpecificationofTurboBladeDieJiaLiping,WangWenhu,ZhouTong,YangJunchen,LiXinghai(NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi.an710072,China)Abstract:Basedonthestructurefeatureandmanufactureprocessanalysisofinvestmentcastingdieforturbineblade,theintelligentdesignmethodf

3、ormanufactureprocessingwasstudiedinthispaperinuseofknowledgeengineering.Themainresearchfocusonthreeaspectslistasfollowing:Thepartin2formationmodeling,processknowledgelibrarydevelopmentandfeature2basedrulingmethod,andanintelligentprocessdesignsystemforinvestmentcastingdiewasdevelopedatlast.Keywords:i

4、nvestmentcastingdie;designofprocessspecification;informationmodel;feature復雜空心渦輪葉片是高推重比航空發(fā)動機的核心部件,被航空發(fā)動機行業(yè)譽為/皇冠上的明珠0,其制造工藝更是航空發(fā)動機制造中的核心技術。渦輪葉片精鑄凈成形模具作為空心渦輪葉片生產(chǎn)中最重要的工裝,具有結(jié)構(gòu)復雜,設計周期長、制造難度大等特點。目前,空心渦輪葉片精鑄凈成形模具制造定型已成為制約我國航空發(fā)動機行業(yè)發(fā)展的/瓶頸0之一121在搜集和計算數(shù)據(jù)及準備文檔資料。因此,為了縮短精鑄模具制造周期,降低精鑄模具制造工藝人員勞動強度和模具制造成本,減少人為出錯率,本文

5、提出了基于特征的精鑄模具加工工藝規(guī)程設計方法,并系統(tǒng)實現(xiàn)了精鑄模具加工工藝規(guī)程設計結(jié)果的自動生成。實踐證明,此方法具有一定的理論價值和實踐意義。3。調(diào)研發(fā)現(xiàn),針對結(jié)構(gòu)復雜的渦輪葉片精鑄模具加工工藝規(guī)程設計流程,目前通用CAPP系統(tǒng)還無法達到高質(zhì)高效的應用。據(jù)統(tǒng)計,傳統(tǒng)的工藝人員只有15%的時間用于技術決策,而剩下的時間都用收稿日期:2009-11-03基金項目:國家863高技術研究發(fā)展計劃資助項目(2006AA04Z144);/十一五0國家科技支撐計劃資助項目(2006BAF04B02)第一作者簡介:賈麗萍,女,1985年生,碩士研究生。1 加工工藝規(guī)程設計總體技術方案1.1 加工工藝規(guī)程設計

6、內(nèi)容在生產(chǎn)過程中,工藝是連接設計和制造的橋梁,是實現(xiàn)產(chǎn)品信息集成與管理的關鍵。渦輪葉片精鑄模具(以下簡稱精鑄模具)的結(jié)構(gòu)和模具活塊零件的形狀較復雜,其制造工藝規(guī)程設計的主要內(nèi)容見表1。45電加工與模具62010年第2期工藝#裝備表1 工藝規(guī)程設計內(nèi)容序號1234名稱工藝分析確定毛坯工藝路線設計工序詳細設計內(nèi) 容分析模具活塊零件的結(jié)構(gòu)、形狀、技術要求和材料,特別是零件型面、重要技術要求的保證方法等,掌握制造過程中的關鍵工藝。根據(jù)圖紙規(guī)定和工藝要求,確定毛坯制造方法,并提出技術要求¹選擇各表面的最后加工方法及該方法的準確工序;º依據(jù)過程的階段和工序分散等原則進行工序組合;

7、87;設計工藝基準系統(tǒng),確定工序順序安排;¼確定熱處理工序;½安排輔助工序。¹選擇加工設備;º安排工步內(nèi)容及其順序;»確定加工余量;¼計算尺寸及其偏差;½填寫工藝卡片。1.2 基于特征的加工工藝規(guī)程的實現(xiàn)由本文所設計的方法生成的精鑄模具加工工藝規(guī)程,作為引導和輔助后續(xù)工藝設計師進行工藝規(guī)程詳細設計的依據(jù),其總體技術路線圖見圖1。工藝規(guī)程設計所需的領域知識由知識工程師向領域?qū)＜姨崛〔R總,通過知識獲取系統(tǒng)輸入知識庫;推理系統(tǒng)應用一定的控制策略根據(jù)輸入的零件信息進行推理運用,輸出用戶可交互修改的工藝規(guī)程結(jié)果。據(jù)5,包括零件的總體

8、信息和零件各待加工表面的幾何信息和工藝信息。根據(jù)工藝人員的習慣,本文采用了基于零件特征的方位元素描述法來建立零件的信息模型?；诹慵卣鞯姆轿辉孛枋龇ㄊ菑囊韵聝蓚€方面來描述零件的,一是明確各組成表面間相互位置關系與連接次序的拓撲信息;二是描述零件各組成表面本身的形狀特征和精度特征。精鑄模具活塊零件特征可分為管理、形狀、精度、材料熱處理和技術5類特征。為了處理信息的簡便,將零件的管理特征、技術特征、材料特征一起組成零件的總體特征。由于精度特征對形狀特征的依附關系,精度特征將隨著它所作用的形狀特征來一同描述零件信息。因此可知精鑄模具活塊零件信息包含3個方面的信息:總體信息、幾何信息、精度信息。精

9、鑄模具活塊零件信息樹結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖1 技術路線圖基于上述工作流程和分級規(guī)劃的思想,可將精鑄模具加工工藝規(guī)程設計系統(tǒng)劃分為零件信息輸入模塊、工藝知識存貯模塊、工藝規(guī)程設計模塊。將工藝規(guī)程設計內(nèi)容分解為工藝路線決策、加工方案選擇、制造資源選擇、工藝尺寸確定和工藝文件輸出5個子模塊任務,其中零件信息輸入模塊是利用基于零件特征的方位元素描述法來實現(xiàn)零件信息的描述和輸入;工藝知識存貯模塊采用基于產(chǎn)生式規(guī)則的方法來對知識進行表達和存貯;工藝規(guī)程設計模塊則對應于知識表達方式,采用基于特征的產(chǎn)生式規(guī)則(IFXTHENY)推理方法實現(xiàn)工藝規(guī)程結(jié)果)工藝卡片的自動生成。圖2 零件信息樹文中采用交互輸入方式將零

10、件信息存貯到零件信息庫中,并采用對象及類的概念來實現(xiàn)對精鑄模具活塊零件信息的計算機語言描述。在程序中定義了相應的零件類和特征類,分別對零件及其所包含的特征進行信息存儲及執(zhí)行其他操作。如對零件總體特征類用以下程序進行描述:classCPartInfopublic:CStringp_codePP零件代號CStringp_namePP零件名稱CStringp_datePP生產(chǎn)日期2 關鍵技術研究2.1 零件信息建模技術零件信息是進行工藝規(guī)程設計的數(shù)據(jù)源和依工藝#裝備CStringp_designerPP設計者,floatp_LMaxPP最大長度floatp_DMaxPP最大直徑floatp_UMch

11、amferPP未注倒角2.2 基于特征的推理技術零件特征加工方法鏈作為基于特征推理中最重要的概念之一,本文做出如下定義:根據(jù)零件各形狀特征之間的鄰接關系(主特征之間的關系)和從屬關系(主特征與輔特征之間或輔助特征之間的關系),做出零件形狀特征關系圖,并將其轉(zhuǎn)化為二叉樹65電加工與模具62010年第2期表2 平面加工方案適用范圍序號12,5678,精度等級(IT)11以下89,7977869,3.21.60.80.2,表面粗糙度RaPLm5012.56.33.2,6.31.6未淬硬平面工件材料加工方案粗車粗車)半精車,粗刨(粗銑)精刨(精銑)粗銑)半精銑)精銑粗刨)半精刨)精刨未淬硬平面,粗銑)

12、拉,未淬硬鋼,鑄鐵、有色金屬、鋼,調(diào)用知識庫中相關特征加工方法選擇規(guī)則,確定各形狀特征的加工方法鏈,并將其置于二叉樹中對應特征節(jié)點之上,便形成了零件特征加工方法鏈。在推理技術上采用了基于特征的產(chǎn)生式規(guī)則推理,以數(shù)據(jù)驅(qū)動的正向推理方式為控制策略。其基本思想是:首先對零件所包含的特征對象循環(huán),依次推理出各自的加工方法鏈并存入加工鏈表;然后由零件的工藝排序推理函數(shù)對所有特征加工鏈表包含的加工方法推理,生成相應的工序號連同相關特征參數(shù);最后存入工藝排序表,便生成了零件的工藝路線。在推理完成并自動生成了加工方案、制造資源、工藝尺寸等工藝規(guī)程子任務后,經(jīng)過必要的編輯修改,便得到了零件的初步加工工藝規(guī)程結(jié)果

13、)工藝卡片。根據(jù)上述推理原理,以精鑄模具加工中特征/平面0的加工方案選擇為例,闡述基于特征的產(chǎn)生式規(guī)則推理方法。表2給出了精鑄模具加工平面加工方案的專家經(jīng)驗知識,由此設計出如圖3和圖4所示的加工方案,選擇規(guī)則條件數(shù)據(jù)表和平面加工方案規(guī)則結(jié)論數(shù)據(jù)表。圖4 平面加工方案規(guī)則結(jié)論數(shù)據(jù)表加工方案選擇是為零件上各個待加工特征確定其加工方法鏈,它的實現(xiàn)是建立在特征加工鏈基礎上的。選擇各個待加工特征加工方法序列,就是以X1X5(表3)為已知條件,調(diào)用工藝規(guī)則庫中的相關規(guī)則,找到與該條件匹配的加工方法序列即可。制造資源包括機床、刀具、夾具、車間布局等一切與資源環(huán)境相關的因素,本文方法主要以機床選擇為例進行說明

14、。機床的選擇受所加工零件的表面形狀、尺寸精度及生產(chǎn)類型等因素影響。制造資源選擇的流程與加工方案選擇的流程類似,也是以Y1Y5(表3)作為已知條件,調(diào)用工藝規(guī)則庫中的規(guī)則,找到與該條件匹配的機床設備即可。表3所示為工藝路線、加工方案及制造資源等工藝規(guī)程子任務的實施方案。工藝尺寸包括加工余量的選擇、工序間尺寸和公差的確定。加工余量的選擇因為受多因素的制約,目前的計算方法、統(tǒng)計法以及經(jīng)驗估算法都存在圖3 加工方案規(guī)則條件數(shù)據(jù)表3 系統(tǒng)運行實例3.1 工藝規(guī)程方案實施許多難以解決的問題,所以本文知識庫中加工余量來源于查閱相關手冊獲得。對工序間尺寸的推理采用/由后向前0的算法。即先按零件圖紙的要求,推理

15、出最終工序的尺寸及公差,再按選定的加工余75電加工與模具62010年第2期工藝#裝備量推算出前一道工序的尺寸,公差則按本道工序加工方法的精度給出。表3 工藝規(guī)程實施方案工藝路線基于零件原始特征加工鏈基于操作的排序推理結(jié)論M先基于特征做初步?jīng)Q策,再基于操作做二次修正加工方案FX1,X2,X3,X4,X5NX1:加工特征 X2:零件材料 X3:尺寸精度 X4:表面粗糙度X5:尺寸特征制造資源FY1,Y2,Y3,Y4,Y5PY1:加工方案Y2:加工特征Y3:加工精度Y4:可控軸數(shù)Y5:最大尺寸推理條件備 注圖5 工藝卡片生成流程4 結(jié)束語本文提出了基于特征的渦輪葉片精鑄模具加工工藝規(guī)程設計方法,建立

16、了以特征和規(guī)則為基礎的精鑄模具零件加工工藝規(guī)程設計原型系統(tǒng),實現(xiàn)了精鑄模具加工工藝規(guī)程的自動生成,為深入開發(fā)精鑄模具CAPP系統(tǒng)及全面實現(xiàn)信息化制造打下了良好的基礎。參考文獻:1 蔣睿嵩,張定華,汪文虎,等.航空發(fā)動機渦輪葉片精鑄模具集成設計系統(tǒng)J.鑄造,2008(4):363-366.2 汪文虎,張西濤,楊麗娜,等.渦輪葉片精鑄模具CAD系統(tǒng)實例庫的設計與研究J.西北工業(yè)大學學報,2006(4):255-258.3 花廣如,周雄輝,阮雪榆.模具CAPP專家系統(tǒng)與加工過程仿真的模型研究J.計算機工程,2005(2):201-203.4 路春光,孟麗麗.基于工作流和集成化物料清單樹的CAPP系統(tǒng)

17、J.計算機集成制造系統(tǒng),2005(11):1593-1598.5 張明芝,吳明.基于數(shù)據(jù)庫技術的CAPP系統(tǒng)研究J.石油化工高等學校學報,2005(3):77-79.6 肖偉躍.CAPP中工藝規(guī)程主干生成的約束匹配算法J.計算機輔助設計與圖形學學報,2001(1):40-43.7 李淑娟,李言,袁啟龍,等.鑄件機械加工余量及尺寸公差快速確定方法的研究J.鑄造技術,2005(1):10-13.精鑄模具中回轉(zhuǎn)體零件的毛坯是棒料;非回轉(zhuǎn)體零件的毛坯類型有鍛件和板料兩種類型。毛坯尺寸確定方案見表4。表4 毛坯尺寸確定方案零件類型毛坯類型毛 坯 尺 寸M(d,l)=Mc(d+10,l+10)M(a,b,h)=Mc(a+10,b+10,h+10)M(a,b,h)=Mc(a+2,b+2,h+2)回轉(zhuǎn)體零件棒料毛坯非回轉(zhuǎn)體零件鍛件毛坯板料毛坯其中:M代表待加工零件,Mc代表待加工件毛坯,d,l代表工件直徑和長度尺寸,a,b,h代表工件的三維尺寸。3.2 工藝規(guī)程結(jié)果輸出基于對工藝卡片結(jié)構(gòu)和功能的分析,工藝文件生成的具體步驟為:首先從卡片模板庫中提取相應的卡片類型;其次從表頭信息庫中提取零件信息,并填充到卡片中;然后從工藝數(shù)據(jù)庫中提取工藝規(guī)程設計結(jié)果,并填充到卡片中;接著從腳注信息庫中提取腳注信息,并填充到卡片中;最后,對所生成的工藝卡片進行校核與編輯,并保存結(jié)果或根據(jù)用戶需要將其