基于特征的航空發動機典型機匣類零件車加工快速編程技術研究

馬明陽等

隨著三維設計軟件和數控機床的廣泛使用，工業生產對數控編程的規范性和高效性要求越來越高，傳統的手工編程方式已經不能夠滿足工業生產的需求。本文提出一種基于特征的車加工快速編程方法，以特征為基本加工單元，建立一種從加工特征識別、切削區域化分、切削參數加載到刀具軌跡生成半自動化的快速編程機制，并以 NX軟件為平臺，開發了一套車加工快速編程工具，提高了車加工數控程序的質量和編程效率。

一、引言

隨著航空領域對航空發動機性能要求的逐漸提高和數控加工技術的廣泛應用，航空發動機零件逐漸向高性能、高精度的方向發展，采用傳統編程方式造成的加工周期長、效率低及加工質量差等成為制約航空發動機零件研制的主要因素。究其根源，主要有以下幾方面原因：（1）編程質量的好壞主要取決于編程人員的經驗和專業水平，導致程序質量參差不齊；（2）系統只能通過交互方式點取產品幾何信息，且缺乏數控編程資源庫支持，無法自動獲取加工區域信息、自動選取刀具和切削參數，自動化程度低；（3）編制的程序可移植性差，刀具軌跡的生成完全依賴于實際加工模型，即使非常相似的兩個零件，也需要重新建立加工坐標系、幾何體、選擇切削參數等，編程效率較低，編程人員的重復勞動較大。研究和開發一套適用于航空發動機零件的快速編程系統，提高數控程序自動化編制水平已經成為當務之急。針對以上問題，本文提出了一種基于特征的車加工快速編程技術，采用向導指引的方式，以特征為基本加工單元，建立一種從加工特征識別、切削區域化分、切削參數加載到刀具軌跡生成半自動化快速編程機制，有效地提高車加工數控程序編制的效率和質量。

二、特征定義與識別技術

1.特征定義

“特征”一詞在工業領域中最早出現在 1978年美國麻省理工學院 Gossard DC教授指導的一篇學士學位論文“CAD中基于特征的零件表示”中。不同的專業領域對特征有不同的定義，至今仍未有一個嚴格、完整的定義。在機械加工領域，特征是指在一定加工要求下，能夠用相同或相類似加工手段加工出來的具有一定形狀特征的零件部位。由此可以看出，加工特征不僅包含了零件的幾何信息，還包括了加工方法和切削參數等制造信息，是 CAD/CAPP/CAM信息的集成（圖 1）。

2.機匣零件車加工典型特征分類

航空發動機機匣是發動機中的殼體、框架類零件，是飛機發動機的重要承力部件，屬于靜子部件，主要作用是承載發動機零組件重量、承受軸向和徑向力的作用。航空發動機機匣類零件種類繁多，結構復雜，按設計結構可以分為兩大類，即環形機匣和箱體機匣。

本文主要針對環形機匣進行研究探討，主要車加工區域為機匣內腔。通過對幾類典型環形機匣進行全面分析，將內腔的加工特征分為以下 3類：內圓面、T形槽端部和 T形槽底部，每類加工特征根據具體細節的不同可繼續細分，如內圓特征可分為直面內圓和斜面內圓兩種，本系統研究的機匣類零件典型特征分類如圖 2所示。為了便于特征的檢索和特征庫資源的管理，對每種加工特征賦予一個指定的編碼，通過對特征編碼進行檢索可以快速定位待識別特征以及對特征庫的系統管理。

3.特征識別技術

特征識別技術的作用是從零件的設計模型中提取具有特定結構和特定工藝屬性的幾何形狀的一種手段，具體識別流程如圖 3所示。目前，常用的特征識別方法主要有兩種，一種是基于邊界匹配的特征識別方法，另一種是基于立體分解的特征識別方法。

基于邊界匹配的特征識別方法是通過對零件的邊界進行識別，來匹配預定義的特征。具體步驟如下：（1）拾取特征的邊界信息對特征進行定義；（2）搜索待識別零件的邊界表示，將其與定義的特征進行匹配；（3）確定識別的特征參數，構造完整的特征幾何模型。這種方法的關鍵是對特征邊界模式的定義和特征搜索策略的確定。

基于體分解的特征識別方法基本步驟如下：（1）首先對零件模型進行分解，將其分解為凸體的集合；（2）通過對分解的凸體進行重新組合，產生對應于特征的體元；（3）對特征體元進行分類，確定特征的類型，建立特征的體表示。

基于體分解的特征識別方法與基于邊界匹配的特征識別相比，對識別相交特征和曲面特征有相對優勢，但是總體上效率較低。因此，本系統采用基于邊界匹配的特征識別技術，并將其應用到 NX軟件的 MKE模塊實現特征識別。

三、基于特征的車加工快速編程系統框架

為適應航空發動機零件數控編程自動化和智能化的要求，本文在 NX平臺的 CAM模塊中，將智能編程的思路引入到系統中，集成加工特征識別、切削參數加載和工藝資源知識庫，建立了基于特征的車加工快速編程系統，系統框架如圖 4所示。

步驟 1：模型預處理工作，在 NX軟件中將設計模型和毛坯模型按照設計要求裝配在一個部件文件中，并對模型的典型特征進行確定，完成后臺典型特征的特征識和加工規則程序的編制。

步驟 2：調用車加工快速編程系統，識別零件的典型加工特征。

步驟3：調用加工規則程序，選取特征所屬的加工模塊，實現切削區域的自動化分、切削刀具的自動調用和切削參數的自動加載，并生成刀具軌跡。

步驟 4：對步驟 3中生成的刀具軌跡按照實際加工需要進行排序。

步驟 5：對刀軌程序進行后置處理和仿真優化，優化后的程序即可用于實際生產加工中。

1.加工向導定制

本系統采用 NX中的加工向導構造器模塊（ProcessStudio Author），創建車加工向導。在加工向導構造器模塊把典型零件加工的編程過程定制成向導模板，形成標準的流程，用戶根據向導的指引可以快速完成坐標系的創建、刀具、加工方法的選取等操作，極大地縮減了重復性的工作。用戶還可以根據實際需求定制加工向導，實現較為復雜的工作。對于經驗不足的編程人員可以直接選取合適的加工向導，根據指引完成加工程序的編制，既保證了程序的質量，又縮短了程序編制周期。本系統設計的車加工向導如圖 5所示。

2.輔助工具

在 NX軟件的加工模塊中無法實現建模功能，在機匣類零件編程過程中通常需要創建輔助線或輔助面才能夠實現一些程序的編制，這就需要編程人員在建模模塊和加工模塊不停的切換，給編程人員的工作帶來了極大的不便。本系統采用在 NX加工模塊嵌入簡單建模功能解決了上述問題。圖6所示為在建模環境下調用拉伸命令。

3.數據庫文件

航空發動機機匣類零件結構復雜，加工特征種類較多，為了能夠實現零件數控程序的快速準確編制，需要豐富的數據庫作為支持，將成熟的加工經驗和典型加工方法固化下來，作為特征識別和程序編制的依據。數據庫主要由以下幾部分組成。

（1）加工特征庫：存儲各類零件的典型加工特征，作為特征識別模塊的基礎特征（圖 7）。

（2）加工刀具庫：存儲刀具的主要參數，包括刀具的類型、形狀和主要參數，便于編程時準確快速的調用所需的刀具。

（3）加工規則庫：存儲各個典型特征各加工程序所需要的加工策略，使用 NX中的 MKE（加工知識編輯器，Machining Knowledge Editor）模塊實現對加工規則的編制，通過對加工規則的調用可以實現數控程序的自動生成。

（4）加工向導庫：存儲定制的向導模版，用戶可以根據具體的加工需求從庫選擇合適加工向導進行數控程序的編制。

在實際編程過程中，編程人員根據具體需求從數據庫中選擇合適的模板文件進行程序編制，即可以提高編程效率，又能夠保證編程質量。同時，編程人員還可以將常用的具有代表性的特征按照工作需求添加到數據庫中，對數據庫進行不斷的豐富和完善，使編制出的加工向導和加工規則在更大的范圍內發揮作用。

四、典型機匣類零件車加工快速編程實例

基于以上研究分析，本文應用航空發動機機匣零件（圖3）對車加工快速編程工具進行驗證。

首先，根據該機匣件的結構特征，將內腔提取為 3個典型特征，進入快速編程工具車加工向導模塊（圖 8a），完成坐標系和車加工幾何體的創建。其次，對典型特征進行識別，完成加工特征模板的調用（圖 8b）。再次，調用加工規則程序，完成加工程序的創建（圖 8c）。最后，根據實際加工需求，對生成的加工程序進行合理的排序，即完成該機匣件內腔車加工程序的創建。

五、結語

本文針對航空發動機機匣類零件結構復雜，編程效率較低等問題，提出了基于加工特征的機匣類零件快速編程方法。該方法通過對典型特征的歸類、定義，能夠實現機匣類零件數控編程過程中切削區域的自動劃分、切削參數的自動加載以及刀具的自動選取和調用，極大地提高了編程的效率和準確性，為航空發動機復雜結構零件的快速編程技術提供了新思路。