基于特征的涡轮叶片精铸模具加工工艺规程设计方法

1、工艺# 装备5 电加工与模具6 2010 年第 2 期基于特征的涡轮叶片精铸模具加工工艺规程设计方法贾丽萍, 汪文虎, 周桐, 杨俊臣, 李兴海( 西北工业大学, 陕西西安 710072 )摘要: 在分析涡轮叶片精铸模具结构特征和制造工艺的基础上, 结合精铸模具加工工艺规程设计经验, 利用知识工程技术, 开展了精铸模具加工工艺规程智能设计方法研究。主要内容包括零件特征信息模型建立、工艺知识库构建及基于特征的产生式规则推理机制研究。通过系统开发, 最终实现了涡轮叶片精铸模具加工工艺规程的智能生成。关键词: 精铸模具; 工艺规程设计; 信息模型; 特征中图分类号: TG76文献标识码:A文章编号:

2、 1009- 279X( 2010) 02- 0063- 04Feature2Based Design Method of Process Specification of Turbo Blade DieJia Liping, Wang Wenhu, Zhou Tong, Yang Junchen, Li Xinghai ( Northwestern Polytechnical U niversity, Xi. an 710072, China )Abstr act: Based on the structure feature and manufacture process analysis

3、 of investment casting die for turbine blade, the intelligent design method for manufacture processing was studied in this paper in use of knowledge engineering. T he main research focus on three aspects list as following: The part in2 formation modeling, process knowledge library development and fe

4、ature2based ruling method, and an intelligent process design system for investment casting die was developed at last.Key words: investment casting die; design of process specification; information model; feature复杂空心涡轮叶片是高推重比航空发动机的核心部件, 被航空发动机行业誉为/ 皇冠上的明珠0 1 , 其制造工艺更是航空发动机制造中的核心技术。涡轮叶片精铸净成形模具作为空心涡轮叶片

5、生产中最重要的工装, 具有结构复杂, 设计周期长、制造难度大等特点。目前, 空心涡轮叶片精铸净成形模具制造定型已成为制约我国航空发动机行业发展的/ 瓶颈0之一 1 2 。调研发现, 针对结构复杂的涡轮叶片精铸模具加工工艺规程设计流程, 目前通用 CAPP 系统还无法达到高质高效的应用。据统计, 传统的工艺人员只有 15% 的时间用于技术决策, 而剩下的时间都用收稿日期: 2009- 11- 03基金项目: 国家 863 高技术研究发展计划资助项目( 2006AA04Z144);/ 十一五0 国家科技支撑计划资助项目( 2006BAF04B02) 第一作者简介: 贾丽萍, 女, 1985 年生,

6、 硕士研究生。在搜集和计算数据及准备文档资料 3 。因此, 为了缩短精铸模具制造周期, 降低精铸模具制造工艺人员劳动强度和模具制造成本, 减少人为出错率, 本文提出了基于特征的精铸模具加工工艺规程设计方法 , 并系统实现了精铸模具加工工艺规程设计结果的自动生成。实践证明, 此方法具有一定的理论价值和实践意义。1 加工工艺规程设计总体技术方案1. 1 加工工艺规程设计内容在生产过程中 4 , 工艺是连接设计和制造的桥梁 , 是实现产品信息集成与管理的关键。涡轮叶片精铸模具( 以下简称精铸模具) 的结构和模具活块零件的形状较复杂, 其制造工艺规程设计的主要内容见表 1。)63)5 电加工与模具62

7、010 年第 2 期工艺# 装备表 1工艺规程设计内容序号名称内容1工艺分析分析模具活块零件的结构、形状、技术要求和材料, 特别是零件型面、重要技术要求的保证方法等, 掌握制造过程中的关键工艺。2确定毛坯根据图纸规定和工艺要求, 确定毛坯制造方法, 并提出技术要求3工艺路线设计 选择各表面的最后加工方法及该方法的准确工序; 依据过程的阶段和工序分散等原则进行工序组合; 设计工艺基准系统, 确定工序顺序安排; 确定热处理工序; 安排辅助工序。4 工序详细设计 选择加工设备; 安排工步内容及其顺序; 确定加工余量; 计算尺寸及其偏差; 填写工艺卡片。1. 2 基于特征的加工工艺规程的实现据 5 ,

8、 包括零件的总体信息和零件各待加工表面的由本文所设计的方法生成的精铸模具加工工艺几何信息和工艺信息。根据工艺人员的习惯, 本文规程, 作为引导和辅助后续工艺设计师进行工艺规采用了基于零件特征的方位元素描述法来建立零件程详细设计的依据, 其总体技术路线图见图 1。工的信息模型。基于零件特征的方位元素描述法是从艺规程设计所需的领域知识由知识工程师向领域专以下两个方面来描述零件的, 一是明确各组成表面家提取并汇总, 通过知识获取系统输入知识库; 推理间相互位置关系与连接次序的拓扑信息; 二是描述系统应用一定的控制策略根据输入的零件信息进行零件各组成表面本身的形状特征和精度特征。推理运用, 输出用户可

9、交互修改的工艺规程结果。精铸模具活块零件特征可分为管理、形状、精度、材料热处理和技术 5 类特征。为了处理信息的简便, 将零件的管理特征、技术特征、材料特征一起组成零件的总体特征。由于精度特征对形状特征的依附关系, 精度特征将随着它所作用的形状特征来一同描述零件信息。因此可知精铸模具活块零件信息包含 3 个方面的信息: 总体信息、几何信息、精度信息。精铸模具活块零件信息树结构如图 2 所示。图 1技术路线图基于上述工作流程和分级规划的思想, 可将精铸模具加工工艺规程设计系统划分为零件信息输入模块、工艺知识存贮模块、工艺规程设计模块。将工艺规程设计内容分解为工艺路线决策、加工方案选择、制造资源选

10、择、工艺尺寸确定和工艺文件输出 5 个子模块任务, 其中零件信息输入模块是利用基于零件特征的方位元素描述法来实现零件信息的描述和输入; 工艺知识存贮模块采用基于产生式规则的方法来对知识进行表达和存贮; 工艺规程设计模块则对应于知识表达方式, 采用基于特征的产生式规则( IF X THEN Y) 推理方法实现工艺规程结果) ) ) 工艺卡片的自动生成。2 关键技术研究2. 1 零件信息建模技术零件信息是进行工艺规程设计的数据源和依)64)图 2零件信息树文中采用交互输入方式将零件信息存贮到零件信息库中, 并采用对象及类的概念来实现对精铸模具活块零件信息的计算机语言描述。在程序中定义了相应的零件类

11、和特征类, 分别对零件及其所包含的特征进行信息存储及执行其他操作。如对零件总体特征类用以下程序进行描述:class CPartInfopublic:CString p_code PP零件代号CString p_name PP零件名称CString p_date PP生产日期工艺# 装备5 电加工与模具6 2010 年第 2 期CString p_designer PP设计者,float p_LMax PP最大长度float p_DMax PP最大直径float p_UMchamfer PP 未注倒角2. 2 基于特征的推理技术零件特征加工方法链作为基于特征推理中最重要的概念之一, 本文做出如下

12、定义: 根据零件各形状特征之间的邻接关系( 主特征之间的关系) 和从属关系( 主特征与辅特征之间或辅助特征之间的关系) , 做出零件形状特征关系图, 并将其转化为二叉树 6 , 调用知识库中相关特征加工方法选择规则, 确定各形状特征的加工方法链, 并将其置于二叉树中对应特征节点之上, 便形成了零件特征加工方法链。在推理技术上采用了基于特征的产生式规则推理, 以数据驱动的正向推理方式为控制策略。其基本思想是: 首先对零件所包含的特征对象循环, 依次推理出各自的加工方法链并存入加工链表; 然后由零件的工艺排序推理函数对所有特征加工链表包含的加工方法推理, 生成相应的工序号连同相关特征参数;最后存入

13、工艺排序表, 便生成了零件的工艺路线。在推理完成并自动生成了加工方案、制造资源、工艺尺寸等工艺规程子任务后, 经过必要的编辑修改, 便得到了零件的初步加工工艺规程结果) ) ) 工艺卡片。根据上述推理原理, 以精铸模具加工中特征/ 平面0的加工方案选择为例, 阐述基于特征的产生式规则推理方法。表 2 给出了精铸模具加工平面加工方案的专家经验知识, 由此设计出如图 3 和图 4 所示的加工方案, 选择规则条件数据表和平面加工方案规则结论数据表。图 3加工方案规则条件数据表3 系统运行实例表 2平面加工方案适用范围序号精度等级表面粗糙度工件材料加工方案( IT)RaPLm111 以下50 12.

14、5未淬硬钢,粗车28 96. 3 3. 2铸铁、有色粗车) 半精车,金属、钢,57 96. 31. 6粗刨(粗铣) ) 精刨( 精铣)67未淬粗铣) 半精铣) 精铣3. 21. 6硬平面77 8粗刨) 半精刨) 精刨86 90. 8 0. 2未淬硬平面粗铣) 拉,图 4平面加工方案规则结论数据表加工方案选择是为零件上各个待加工特征确定其加工方法链, 它的实现是建立在特征加工链基础上的。选择各个待加工特征加工方法序列, 就是以 X 1 X 5 ( 表 3) 为已知条件, 调用工艺规则库中的相关规则, 找到与该条件匹配的加工方法序列即可。制造资源包括机床、刀具、夹具、车间布局等一切与资源环境相关的

15、因素, 本文方法主要以机床选择为例进行说明。机床的选择受所加工零件的表面形状、尺寸精度及生产类型等因素影响。制造资源选择的流程与加工方案选择的流程类似, 也是以 Y1 Y5 ( 表 3) 作为已知条件, 调用工艺规则库中的规则 , 找到与该条件匹配的机床设备即可。表 3 所示为工艺路线、加工方案及制造资源等工艺规程子任务的实施方案。工艺尺寸包括加工余量的选择、工序间尺寸和公差的确定。加工余量的选择因为受多因素的制约, 目前的计算方法、统计法以及经验估算法都存在许多难以解决的问题 7 , 所以本文知识库中加工余量来源于查阅相关手册获得。对工序间尺寸的推理采用/ 由后向前0的算法。即先按零件图纸的

16、要求,3. 1 工艺规程方案实施,推理出最终工序的尺寸及公差 再按选定的加工余) 65 )5 电加工与模具62010 年第 2 期工艺# 装备量推算出前一道工序的尺寸, 公差则按本道工序加工方法的精度给出。表 3工艺规程实施方案工艺路线加工方案制造资源基于零件原始 F X, X, X3,F Y, Y , Y,推理条件特征加工链12123X4 , X5 Y4, Y5基于操作的排序推理结论MNP先基于特征做X1 : 加工特征Y1 : 加工方案X2: 零件材料Y2: 加工特征备 注初步决策, 再基X3: 尺寸精度Y3: 加工精度图 5工艺卡片生成流程于操作做二次X4: 表面粗糙度Y4: 可控轴数4结

17、束语修正X5: 尺寸特征Y5: 最大尺寸精铸模具中回转体零件的毛坯是棒料; 非回转体零件的毛坯类型有锻件和板料两种类型。毛坯尺寸确定方案见表 4。表 4毛坯尺寸确定方案零件类型毛坯类型毛 坯尺 寸回转体零件棒料毛坯M ( d , l) = Mc( d +10, l + 10)非回转锻件毛坯M( a, b, h) = Mc( a+ 10, b+10, h + 10)体零件板料毛坯M ( a , b, h ) = Mc( a+ 2, b+2, h + 2)其中: M 代表待加工零件, Mc代表待加工件毛坯, d , l 代表工件直径和长度尺寸, a , b, h 代表工件的三维尺寸。3. 2 工艺

18、规程结果输出基于对工艺卡片结构和功能的分析, 工艺文件生成的具体步骤为: 首先从卡片模板库中提取相应的卡片类型; 其次从表头信息库中提取零件信息, 并填充到卡片中; 然后从工艺数据库中提取工艺规程设计结果, 并填充到卡片中; 接着从脚注信息库中提取脚注信息, 并填充到卡片中; 最后, 对所生成的工艺卡片进行校核与编辑, 并保存结果或根据用户需要将其打印输出。其流程见图 5。本文提出了基于特征的涡轮叶片精铸模具加工工艺规程设计方法, 建立了以特征和规则为基础的精铸模具零件加工工艺规程设计原型系统, 实现了精铸模具加工工艺规程的自动生成, 为深入开发精铸模具 CAPP 系统及全面实现信息化制造打下了良好的基础。参考文献: 1 蒋睿嵩, 张定华, 汪文虎, 等. 航空发动机涡轮叶片精铸模具集成设计系统 J . 铸造, 2008( 4) : 363- 366. 2 汪文虎, 张西涛, 杨丽娜, 等. 涡轮叶片精铸模具 CAD 系统实例库的设计与研究 J . 西北工业大学学报, 2006 ( 4) : 255 - 258. 3 花广如, 周雄辉, 阮雪榆. 模具 CAPP 专家系统与