基于數字化模型的轉子工藝自動設計

孫治豐 ，陳曉峰 ，付少龍，王紅艷

（1.哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046；2.哈爾濱工業大學 機電工程學院，哈爾濱 150001）

1 引言

產品數字化定義技術，又稱基于模型的數字化定義技術［1］（MBD，Model Based Definition），是一種使用三維CAD 軟件中的三維數字化數據來提供產品及其零部件的信息的技術［2-3］。它改變了傳統模式下的用三維實體模型描述幾何形狀信息，而用二維圖紙來定義產品的尺寸與公差以及工藝信息的定義方法，數字化模型也取代了傳統的二維圖紙成為設計制造中的唯一數據來源。總體來講，產品數字化定義經歷了從二維到三維的發展過程［4］。

2 數字化模型的的數據內容

產品的數字化定義模型數據內容主要有模型基準、模型坐標系統、實體模型、尺寸公差標注、注釋信息以及其它定義數據。產品數字化定義模型數據集內容構成如圖1所示。

3 轉子模型中特征加工方法的選擇

由產品數字化定義模型的組成結構可知，任何一個產品或零部件都可以分解為若干個待加工的特征。在確定了其各個特征的加工方法以后，產品整體的加工方法也就隨之確定了。因此，產品工藝設計中加工方法的選擇過程實質上是各個組成特征的加工方法確定過程。特征加工方法的選擇主要考慮加工表面的尺寸精度和表面粗糙度值、零件材料性能、零件熱處理狀況等因素。

圖1 產品數字化模型的內容組成

工件加工表面的尺寸精度和粗糙度在很大程度上決定了加工方案的選擇，如果尺寸精度較高、粗糙度值較低，則需經過多次加工工序才能達到所要求的精度，如對于精度要求較低的外圓柱面，一次粗車加工即可，而對于高精度的外圓面則需采用粗車→精車→磨削的加工方案。零件材料的韌性、脆性、導熱率等性能對切削加工方法的影響較大。對于強度和硬度較低、塑性較小且導熱率較高的材料切削性能較好，一般的加工方法均可加工，而對于合金類材料則需選擇特定的加工方法。此外，零件熱處理后對于材料性能改變較大，熱處理前后的加工方式有較大改變。熱處理工藝的工序安排也是工藝規劃中一項重要的內容。

汽輪機轉子屬于典型的回轉類零件，圖2所示為某中高壓整體鍛制轉輪型轉子整體結構圖，由其形狀結構特點可知，轉子的加工主要是圓柱特征外圓表面以及孔特征內表面的加工，為了選擇合理的加工方式，首先需要分析轉子的精度要求以及各種加工方式所能達到的精度范圍。外圓表面各種加工方式所能達到的精度等級如圖3所示；孔的各種加工方式及所能達到的精度等級如圖4所示。

圖2 某型號轉子的三維整體結構示意圖

圖3 外圓面加工鏈網絡圖

圖4 孔加工鏈網絡圖

轉子外表面中主要表面的粗糙度要求為Ra0.4 至Ra0.8，其余表面為Ra3.2。由圖3 可知轉子外圓表面采用粗車-半精車-精車-精細車的加工方式即可達到精度要求?？椎谋砻娲植诙纫鬄镽a1.6 至Ra6.3。由圖4 可知采用鉆-粗鏜-半精鏜的加工方式即可達到精度要求。

4 產品模型中特征加工順序安排

加工順序是指產品加工工序的先后排列次序，它直接決定了加工質量的好壞、生產效率的高低以及產品的整體經濟性。加工順序的編制是一個比較復雜的問題，需要考慮很多相關因素，遇到的實際情況也千差萬別。因此，加工順序的編制沒有統一的方法可循。一般來講，主要考慮以下幾方面的問題。

（1）特征的加工順序。一般而言，應首先加工零件中主特征的加工面，后加工附加特征的加工面；先加工圓柱、圓錐等特征的外表面，然后加工光孔、螺紋孔等特征的內表面。對于某一具體特征加工面而言，應先安排其粗加工工序，后安排精加工工序。

（2）加工基準面的選擇。對于產品的加工工藝而言，主要考慮的基準是定位基準。選擇定位基準要遵循以下幾項原則：定義基準與設計基準重合的原則；精基準首先加工的原則；粗基準一般只能使用一次的原則；安裝面與導向面時應選擇尺寸較大的面的原則。

（3）特征中加工面的加工順序。產品的主要特征加工面一般是指比較重要的特征表面或者是精度和表面質量都要求比較高的特征表面。這種表面直接影響到整個產品的整體質量。由于精度高、加工過程復雜，工序較多，因此應首先安排主要特征表面的加工順序，次要表面的加工可適當的安排在其中即可。

（4）特征中輔助工序的安排。輔助工序一般是指熱處理及鉗工修理等工序。對于熱處理工序而言，一般可以分為四類，即改善切削性能的熱處理、改善力學特性的熱處理、消除加工導致的內應力的熱處理以及增加表面性能的熱處理。根據其目的的不同即可推斷合理的加工工序安排。一般而言，改善切削性能的熱處理應放置在切削加工工序之前；改善力學特征的熱處理以及消除加工導致的內應力的熱處理應放置在粗加工工序與精加工工序之間進行；增加表面性能的熱處理則應放置在最后進行。對于鉗工修理、去毛刺、打蠟等工藝，則應按照工藝的要求適當的安排在不同的工序之間或整體加工完成之后進行。

5 基于產品特征的轉子加工工序生成

產品的工藝設計過程就是根據產品的特征外形面選擇合適的加工方法和制造資源的過程。將每個外形面選擇合適的加工方法和加工設備之后，按照一定的規則組合排序即可完成整個工藝的設計。

本文采用基于AOS 樹的方式生成產品的加工工序。AOS 樹是一種用來表示產品的工藝特征元結構的樹型結構圖。AOS 樹由一個根節點，若干個關系節點和若干個數據節點組成。數據節點表示工藝特征元，關系節點用來表達數據節點之間的關系，有A（And）型節點、O（Or）型節點以及S（Sequence）型節點、φ（空）型節點四種類型，分別代表四種基本關系。

（1）A 型節點：A 型節點表示“與”關系，此類型節點下的數據節點為并列關系，且所有的數據均要使用，但順序可以是任意的，如圖5 中（a）所示。

（2）S 型節點：S 型節點表示“順序”關系，此類型節點下的數據須按照固定的順序執行，即001→002→…→00n，如圖5 中（b）所示。

（3）O 型節點：O 型節點表示“或”關系，此關系節點下的數據具有互斥關系，在選擇時只能選擇其中之一，如圖5 中（c）所示。

（4）φ 型節點：φ 型節點表示此節點下的數據可以選擇，也可以不選，在選擇時按照A 型節點的方式進行。如圖5 中（d）所示。

圖5 AOS 樹中關系示意圖

圖6 汽輪機轉子調端軸頸段結構圖

在分析完AOS 樹的表達方法之后，以調端軸頸為例，調端軸頸結構圖如圖6所示，建立其對應的AOS 樹。調端軸頸段的主特征為基體圓柱，其它輔助特征包括軸肩、倒圓角、頂針孔、空刀槽以及螺紋孔。按照加工工序的排列準則，應先加工左端面的頂針孔，然后加工外圓柱面，接下來是端面、軸肩、倒圓角、空刀槽以及螺紋孔的加工。調端軸頸段詳細的AOS 樹如圖7所示。

圖7 轉子調端軸頸段的AOS 樹

在建立產品的AOS 樹之后，通過對所建立的AOS樹進行遍歷即可生成對應的加工工藝。AOS 樹的遍歷規則如下：從AOS 樹的根節點出發，不同的節點類型采用不同的遍歷方法，當遇到S 型節點時，則按照順序遍歷其中所有數據即可得到工藝路徑；遇到O 型節點是，則其中任意一項數據產生一種工藝路徑；當遇到A型節點時，則按任意順序遍歷其中所有數據即可得到一種工藝路徑。對圖6所示的AOS 樹進行遍歷可得到以下加工工藝：鉆頂針孔→鏜頂針孔→鉆頂針孔底孔→攻絲，粗車軸頸外圓面→精車軸頸外圓面→拋光軸頸外圓面，銑左端面→精車左端面，銑空刀槽→精車空刀槽，鉆螺紋孔→攻絲螺紋孔，粗車軸肩1→精車軸肩1→拋光軸肩1，粗車倒圓角1→精車倒圓角1，粗車倒圓角2→精車倒圓角2，粗車軸肩2→精車軸肩2→拋光軸肩2。

6 結論

本文主要研究產品數字化定義模型及其相關應用技術，確定產品數字化定義模型的數據內容。從產品數字化定義模型的基礎理論及功能要求出發，確定模型中應包含的產品數據信息內容，并以某型號轉子的調端軸徑為例，給出了外圓面和孔加工方法選擇的原則和加工工序安排，最后根據產品的特征構成采用AOS 樹的方法生成了加工工序。

［1］Scott Knoche.Model Based Definition ［J］.Aerospace Special Section，2006（6）：2-7.

［2］QiuZhong Zhou,QingChun Fan.MBD Driven Digital Product Collaborative Definition Technology［C］//2010 Third International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems,2010：661-664.

［3］馮廷廷.基于MBD的飛機裝配工藝規劃與仿真［D］.南京：南京航空航天大學，2011：7-11.

［4］簡建幫.基于MBD的飛機結構件協同設計制造技術的研究與實現［D］.南京：南京航空航天大學，2010：2-5.