面向航空機載產品基于特征的可制造性研究及應用

石曉飛,丁東旭,王永鵬,張永紅,徐 偉

(慶安集團有限公司,陜西 西安 710077)

1 可制造性需求分析

近年來,隨著航空機載產品高度集成,零組件結構趨于復雜化、復合化、精密化,在設計開發與工藝設計階段缺乏有效的基于能力的可制造性評估,導致試制階段制造難度逐級遞增,同時在新品轉批產后制造成本不斷增加,基于能力的可制造性設計可以降低制造成本,提高試制效率。可制造性設計(DFM)全稱為Design for Manufacturing,即面向制造的設計,可制造性設計和并行工程已被證明是適用于任何規模公司的設計方法。成本確定階段如圖1所示,當產品被設計好之后,80%的成本已被確定。當產品投入生產之后,95%的成本已被確定,所以很難在生產后期降低成本。圖2所示顯示了成本與公差等級的關系,公差太嚴將導致產品成本過高,失去競爭力。通過制造能力的顯性化描述,能夠輔助設計師在工程設計階段實現零件良好的制造性[1]。

圖1 成本確定階段

2 航空機載研發及可制造性的現狀

航空機載產品特點為典型的多品種、小批量、變狀態、高離散的新品與批產混線的制造模式,研發流程一直采用串行模式:圖樣設計→工藝審查→圖樣更改→圖樣發放。在設計階段,設計員由于缺乏工程實踐,多依賴于自身經驗和借鑒繼承產品進行工程設計,在設計過程中的工藝性考慮不足,導致零件工藝性差,制造成本高。面向產品全生產周期的并行工程的需求,要求設計、工藝、工裝的高度協同,在研發時就需要考慮產品生命周期的所有要素,可制造性就是其中一個關鍵要素[2-6]。

1)設計迭代頻繁。

在設計開發階段,新產品技術成熟度低,以制造實物迭代為主,且迭代頻次高,以某型號產品為例,研制過程最高迭代12次,50%以上的部件及產品迭代9次以上。

2)工藝變更頻發。

工藝設計環節的質量依賴工藝人員的經驗,典型工藝重用度低,在生產現場應用的工藝文件質量參差不齊,制造過程中產生大量工藝變更。統計某機械加工單位發出的1萬余份工藝變更文件,按照批產與科研新品分類比例為1∶9,因工藝完善原因占比為79%,大部分工藝變更均會造成現場加工停滯等待。

3 基于特征的可制造性提升整體思路

基于零件的典型特征進行制造能力定義和評價,形成基于特征的制造能力基線,將制造能力基線嵌入設計開發階段以及工藝審查階段,在方案評審及工藝審查時應用,提升設計圖樣的工藝性,降低制造階段難度;基于零件的相似特征實現典型工藝推送,提高成組零件工藝的重用度,從而提升工藝設計過程的可制造性。基于特征的制造能力模型如圖3所示。

圖3 基于特征的制造能力模型

3.1 典型特征的定義與識別

特征識別是指從CAD三維幾何模型中提取特征的幾何信息,與預定義的制造特征相比較,識別出產品及零件制造特征的過程[7]。設計特征應用于設計階段,主要體現在零件結構,是構成零件幾何形狀的抽象元素;制造特征應用于制造階段,主要用于工藝設計階段,不局限于簡單的幾何形狀,而是包含了工藝約束條件及工程含義的確切加工形狀[8]。

本文涉及典型特征的對象主要是以制造特征為主,兼顧設計特征,對零件典型特征進行結構化解析再組合,特征解析的原則基于統一的加工刀具、加工方法及加工參數,例如針對活塞桿零件,將特征解析為精密外圓、密封槽、深孔等典型特征。這些特征定義是按照三統一的原則制定,基于這些定義的特征可以制定制造能力基線、典型工藝知識庫等。零件特征庫如圖4所示。

圖4 零件特征庫

圍繞典型零件的材料、特征、熱處理方式等3個維度進行分類編碼,對于各專業典型零件的特征進行定義,零件編碼由零件類型代碼(1位)、零件結構代碼(2位)、材料/熱處理方式代碼(3位)、零件特征代碼(7位)4部分組成,其中,零件類型、零件結構、材料/熱處理方式屬于分類碼,零件特征編碼方式為流水碼,構成形式如圖5所示。

a) 編碼規則

b) 編碼結構圖5 編碼規則與編碼結構

3.2 基于典型特征制造能力的梳理

制造能力基礎是工藝知識的管理與應用,同時將設備能力與現場專家技能結合的知識顯性化。結合本公司的制造專業特點,根據承制的零件類型按照成組的思路將通用特征完成拆分和定義后,將加工該特征的設備、刀具、工藝方法等組合進行能力評估,再通過以往的加工數據進行回歸分析,最終采用專家打分的方法形成基于特征的制造能力基線,以某幾類典型特征進行示例,具體方法如圖6所示。

圖6 能力梳理方法示例

按照上述方法進行評估打分,形成各專業特征能力基線,以殼體軸承孔特征為例完成結構特征與制造能力梳理,殼體軸承孔特征分別按照孔徑尺寸、公差以及位置要求等3個特性進行定義和梳理(見圖7)。

a) 與孔基準相關軸承孔特征

將梳理后特征作為對象,分別從設備能力、工藝方法和材料等3個維度進行能力統計和現場數據回歸,形成殼體軸承孔的加工能力基線,具體見表1。

表1 殼體軸承孔能力基線

3.3 基于特征的制造能力應用

通過對機械加工專業8條生產線典型零件的特征進行歸類和定義,完成105種典型特征的制造能力基線梳理,這些制造能力基線作為知識歸集到設計工藝協同平臺中,同時作為能力知識進行發布,目前應用在設計開發過程以及工藝審查過程中,設計人員在進行工程設計時通過設計工藝平臺中調用制造能力基線手冊,按照手冊中的約束信息進行公差選用與標注,基于特征的制造能力的研究與應用解決了設計圖樣的工藝性差的問題,提高了設計圖樣的制造性。制造能力基線應用如圖8所示。

圖8 制造能力基線應用

3.4 基于特征的工藝設計開發

將不同的特征組合關系形成的零件進行編碼,通過編碼將目標零件與歷史零件進行相似度計算,找到與目標零件相似的零件,然后優先從典型工藝庫中選取與之相似的工藝,從而實現標準工藝流程的推送,實現快速工藝設計。應用層次分析方法(AHP)、逼近理想解的排序法的基本原理,并結合實際,研究出適應基于零件特征編碼推理相似工藝的應用方法,自主開發B/S架構的專家打分系統,通過專家打分的方式確定各種結構、材料之間的局部相似度值,部署準則層(結構、材料、特征)、特征層權重后,通過輸入目標實例零件編碼計算與庫實例所有零件的相似度比較結果,實現快速推送與新研產品流程相似的典型工藝[9-10]。基于零件特征編碼的實例推理如圖9所示。

圖9 基于零件特征編碼的實例推理

基于特征的工藝設計開發提高在工藝設計環節的知識重用度,提高工藝流程成組化、標準化,形成若干工藝CBB(共用基礎模塊),實現工藝設計環節的可制造性設計。

4 實施效果

基于特征的能力基線在工藝審查環節中應用,從不同專業維度提出產品/零件基于能力可制造性的更改和完善建議,圖10所示為某產品在審查環節共提出2 000余條可制造性問題及意見,經評審納入設計更改1 900余條,可制造性能力基線的應用在制造階段提升了圖樣的質量,促進了新品在試制階段的產出效率。

圖10 可制造性能力基線應用

5 結語

面向可制造性研究與應用提升了設計開發與工藝設計階段質量,從而縮短了航空機載產品在試制階段的迭代周期。基于零件特征的制造能力基線的制定與應用減少了因制造性問題導致的生產停工現象,后續將可制造能力基線通過軟件開發嵌入至工程設計模塊,提升了制造能力調用的便捷性;基于零件特征的相似工藝推送研究與應用減少了因工藝重用差導致現場的工藝變更現象,同時降低了工藝人員的重復工作,提升了工藝效率。未來將結合設計工藝協同平臺的開發,工藝設計平臺等信息化工具升級,將知識共用、重用技術深入嵌入設計開發與工藝開發過程,不斷促進新品的高質量試制和快速迭代。