基于MBD技術的飛機結構件三維工藝規程卡定義

王虓， 王細洋

（南昌航空大學 航空制造工程學院，南昌330063）

1 引 言

隨著計算機輔助工藝設計技術的廣泛應用，尤其是在飛機制造領域，給工藝設計工作帶來了很大的便利。然而，即使在計算機技術廣泛應用的今天，某些與生產關系密切的工序卡片卻仍然保持老式的2D 狀態，并未因為新技術的應用而發生改變。一個主要的原因是主要的研究都是集中在計算機輔助自動工藝決策上，而對于新型的工序卡的設計卻常常被忽視。因此，本文目標是利用現有的三維CAPP 技術對飛機結構件的工序卡片進行定義，更加直觀、系統地表現出零件的各種加工特性，有助于工人的理解，提高生產效率。工序卡片的主要內容為工藝信息，擬作為工藝注釋，依附于三維MBD（ModelBasedDefinition）模型中。

工藝規程［1］是表格化的零件機械加工工藝過程，是工藝數據的格式化載體。工藝規程也是計算機輔助零件工藝過程設計系統的主要生成結果。目前的工藝規程是以二維形式表達的，存在如下問題：（1）不能及時、無縫地處理三維零件信息。CAD 系統輸出的是三維零件模型，為了轉換成二維工藝卡，需要人工輸入工藝信息。在內容表達上，工藝與設計信息是分開的。工序簡圖脫離了三維產品模型，工藝設計過程中，工序簡圖往往需要重新繪制，工序簡圖與產品模型無法實現全相關，一旦產品模型發生變化，工序簡圖不能關聯改變。（2）直觀性不夠。作為指導零件機械加工的法規性文件，內容定義和二維圖形表達不夠清晰直觀。

有關三維工藝規程定義，在三維CAPP 的研究中關注者很少，雖然有學者［3］研究了三維工序模型，對于工藝規程的表現，卻仍然沿用老式的二維工序卡模式，即將加工信息和加工特征相互分離。

基于模型的工程定義MBD 技術將轉變以往的利用三維實體模型來表述幾何信息，而利用二維工程圖紙來標注尺寸、公差和工藝信息的產品數字化定義方法。此外，MBD 將改變以往的以工程圖紙為中心，三維實體模型輔助的制造方法，它將三維實體模型作為唯一依據應用在生產制造過程中。

本文試圖基于MBD 技術，對飛機結構件三維工藝規程的內容和表達方式作出定義。

2 MBD 技術簡介

MBD 技術利用集成的三維實體模型來對產品定義信息進行完整的表達，因此比較詳細地規定了三維實體模型中的非幾何信息的表述：標注規則（尺寸，公差）和工藝信息。

MBD 產品數據模型是零件信息完整表述的數據集合。涵蓋了產品結構的幾何形狀信息，原先定義在二維工程圖中的尺寸、公差、工藝信息等MBD 模型信息內容如圖1 所示，零件模型信息可以概括的分為三類：（1）幾何形狀信息：描述了產品的外形、尺寸信息；（2）零件屬性信息：表達了產品的原料規范、分析數據等產品輔助信息；（3）零件標注信息：包含了產品尺寸與公差范圍、制造工藝和精度要求等制造過程中必須的工藝信息。此外，MBD 零件模型中還可以包含零件裝配信息，可由裝配零件模型加以符號文字方式表達的標注組成。

在MBD 技術的應用方面，國內還處在探索階段。主要表現為基于MBD 技術的產品定義尚不完善，以MBD為核心的數字化工藝設計和產品制造模式尚不成熟，MBD 的設計、制造和管理規范還有待完善。部分航空制造企業探索應用了MBD 技術，例如，梟龍戰機以及ARJ21 飛機機頭的研制中，成飛公司沿著數字化制造技術的發展方向，其傳統的以數字量為主、模擬量為輔的協調工作法開始被全數字量傳遞所代替，已經取得了一定的成果［8］。然而，在大部分型號項目中，仍處于以二維圖為中心、三維模型為輔的管理方式，沒有形成以MBD 為核心的制造模式，這種方式造成數據傳遞過程中管理復雜、效率低下、成本高昂、信息利用率低。

圖1 MBD 零件模型結構

3 飛機結構件

3.1 飛機結構件特征

飛機結構件是構成飛機機體骨架和氣動外形的主要部件，品種繁多，功能重要。從結構類型看，飛機結構件包括框、梁、肋、接頭等幾類典型零件。為了降低重量，增加強度，往往在結構件包含了各種復雜型腔、筋。飛機結構件的典型加工特征，可以歸納為腔槽、筋和輪廓3 大類，每種主要特征又包含相應的子特征。

與一般機械零件相比，飛機結構件具有形狀復雜、空穴多、壁板薄等特點，零件對形位精度要求高，重量控制和使用壽命要求很高。機械加工難度大，易變形，效率低。

在飛機結構件中，整體結構件的比例越來越大。整體結構件不是由零件簡單組合而成，而是利用整塊毛坯加工而成。因此整體結構件的要求外形精準，結構剛性好，比強度高，重量輕，氣密性良好。整體結構件可以減少零件和連接件的數量，減少裝配變形，降低了制造成本。同時大部分結構件的特征類型可以歸納為如圖2 的幾個特征。

圖2 飛機結構件特征分類

3.2 飛機結構件機械加工工藝

飛機結構件的總體發展趨勢決定了其工藝特點［2］：結構復雜，加工難度大。從機械加工工藝角度來講，要合理分配粗、半精、精加工的加工余量，以達到對零件加工變形的控制。而對于某些雙面零件來說，對其加工要有一定的時效工序而且在總體面上要均勻加工。為了保證零件表面加工質量，滿足設計需求，是要多種刀具進行切削加工的。而閉斜角部位，先是通用刀具加工，然后鉗工修磨。對于有外形要求的薄壁件最好一次性加工完成。例如，考慮到最近幾年大量的數控機床應用到制造企業中，加工框類零件，一般的加工步驟為，先將板材毛坯經過數控加工出零件，然后由鉗工修磨以達到設計要求。

4 基于MBD 技術的飛機結構件三維工藝規程定義

4.1 二維工藝規程

機械加工工藝規程包括工藝路線卡和機床工序卡，機械加工工藝規程的一般設計原則為：（1）確保加工質量，可靠地達到產品圖樣所提出的全部技術條件。（2）提高生產率，保證按期完成生產任務。（3）減少人力和物力的消耗，降低生產成本。（4）盡量降低工人的勞動強度，使操作工人有安全良好的工作條件。

雖然航空企業一直以來使用老式二維工序卡，但是隨著技術的進步，二維工序卡片的不足也越顯突出。例如，不能將設計要求良好地表達到加工工序中，尤其是航空企業中，越來越多的大型復雜的結構件，其大量的加工特征是二維工序卡難以完整表達的。而且二維工序卡片中，零件的幾何信息和非幾何信息的結合問題，一般都是在零件圖標注，將加工工步填寫到表格中，對于小型簡單的零件而言問題沒有那么顯著，而對于大型復雜零件，工作量大，效率下降，而且容易造成輸入錯誤。

4.2 MBD 模型在三維規程中的體現

在三維工序圖中的MBD 模型中含有大量的幾何信息和非幾何信息。幾何信息包括零件實體特征造型；非幾何信息至少應該包括：（1）零件說明：零件的制造工藝要求，幾何公差要求，精度要求，技工技術和表面處理要求；（2）標注說明：傳達零件結構特征的加工工藝需求，如刀具選擇，進刀量等；（3）材料描述，該說明應該在零件的設計圖中展示出來，因此在工藝卡片中可以不另行說明；（4）工序的工步順序說明：由于目前加工大型飛機結構件主要依靠數控機床一次走刀自動完成，因此這種情況下，此類信息可以省略；（5）尺寸標注集：加工零件的完整尺寸信息。

4.3 三維工序卡的內容

（1）在使用MBD 技術下，對應加工部位只顯示對應的尺寸信息。因為飛機結構件MBD 模型的信息量大，如果全部顯示則因繁雜不方便閱讀，因此需要對標注進行必要的隱藏和顯示，每個工步只顯示與加工步驟相應的零件非幾何信息。

（2）在三維工序卡中，應當顯示零件的加工過程，零件加工部位需要不同的顏色加以展示，以方便工人閱讀。不同的加工精度也可以利用顏色直接顯示在數模上（如用橙、綠、藍、黃色分別表示粗、半精加工和精加工、超精加工）。

（3）工藝語言的輸入［5，6］。因為大部分飛機結構件的加工都是由數控機床來完成，加工一次走刀完成，所以在三維工序卡片中的工藝語言的輸入并不需要和以往的二維工序卡片一樣遵循著輸入格式問題，可以利用注解信息來說明，或者直接將工步信息寫在尺寸標注之上，將文字說明和幾何信息相互結合。此外，語言輸入上要力求簡潔和直觀。如工步信息粗銑槽、加工余量1mm，刀具：通用銑刀φ10，主軸轉速1200r/min，切削速度400m/min。進給量0.5mm/r，進給深 度 1mm。 可 表 示 為： 粗 細 槽 余 量 1（TX10 1200X400X0.5X1）

4.4 實例

如圖3 所示為某飛機結構件零件的設計模型，包含了三維的零件模型和標注信息，技術要求等。

圖4 為粗銑零件的凹槽。因為是粗加工，故用橙黃色來顯示該槽的加工表面。此外將加工余量選為1mm，刀具選擇為通用銑刀φ10，主軸轉速1200r/min、切削速度400m/min、進給量0.5mm/r、進給深度1mm。

圖5 為加工孔的工序卡，因為孔的加工尺寸要求高，為精加工，故最后加工。加工表面用藍色顯示出來。將工步內容直接標注在孔尺寸之前，這樣閱讀起來更為方便。

5 結 語

本文設計一個新型的三維工序卡片，將最新的MBD技術融合其中。三維零件模型比二維圖紙更能直觀地表達零件的設計模型、各種加工特征。而MBD 技術的標注，可以將機械加工工藝與零件模型相互結合，集中表現出零件的幾何信息和非幾何信息，在今后的飛機結構件零件加工生產中，提高了工人閱讀工藝內容的速度，提高了生產率。

圖4 工序卡1（粗銑槽）

圖5 工序卡2（精鏜孔）

［1］ 王細洋.計算機輔助零件工藝過程設計原理［M］.北京：航空工業出版社，2003.

［2］ 韓雄，湯立民.大型航空結構件數控加工裝備與先進加工技術［J］.航空制造技術，2009（1）：44-47.

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［4］ 簡建幫.基于MBD 和特征的飛機結構件數控加工方法［J］.機械科學與技術，2011，30（5）：757-759.

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［6］ 馮固，等.基于模型定義的數據組織與系統實現［J］.航空制造技術，2011（9）：31-33.

（編輯 啟 迪）