航空發動機零部件制造過程一直是新技術、新工藝應用的重點領域，同時也是對技術更新有迫切要求的行業。航空發動機零部件數字化制造技術涉及CAD/CAM技術、數控設備、產品數據管理、信息集成等諸多技術內容，其核心是產品數據的數字化表達、存儲和交換，基本平臺是計算機網絡、數字化設備，基本方式是協同、并行和集成。數字化工藝設計、數控加工技術、虛擬制造技術、智能控制技術以及企業資源數據管理技術等構成了產品研制協同設計制造過程中的基礎支撐技術。
近年來，CAD/CAM/CAE技術、高性能數控機床及控制系統應用的不斷深入，推動了航空發動機產品數字化制造技術的發展，從根本上改變了傳統的工藝設計和制造模式，數字化制造已經成為提高航空發動機制造企業制造能力和研制能力的重要手段之一。
基于MBD技術的數字化工藝及其應用
MBD(Model Based Definition)，即基于模型的工程定義，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法體，它詳細規定了三維實體模型中產品尺寸、公差的標注規則和工藝信息的表達方法。MBD改變了由三維實體模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的分步產品數字化定義方法。同時，MBD使三維實體模型作為生產制造過程中的唯一依據，改變了傳統以工程圖紙為主、以三維實體模型為輔的制造方式。
1 MBD技術的應用現狀
產品三維模型雖然包含了二維圖紙所不具備的詳細幾何形狀信息，但是不包括幾何公差、尺寸公差、表面粗糙度、表面處理方法、熱處理方法、材質、結合形式、間隙的設置、連接范圍、潤滑油涂刷范圍和顏色、要求符合的規格與標準等非幾何形狀信息。基于這一情況，美國機械工程師協會與波音公司共同制訂了“數字化產品定義數據規程”(ASMEY14.41)標準體系，其主導思想不只是簡單地將二維圖紙的信息反映到三維模型中去，而要充分利用三維模型所具備的表現力，去探索便于用戶理解、更具效率的設計信息表達方式。
國內航空企業在MBD技術應用方面與國外發達航空企業仍然存在很大的差距，主要表現在：
(1)基于MBD技術的產品定義工作尚處于探索階段；
(2)以MBD為核心的數字化工藝設計和產品制造模式尚不成熟；
(3)三維數模并沒有貫穿于整個產品數字化制造過程中；
(4)MBD的設計、制造和管理規范還有待完善；
(5)三維數字化設計制造一體化集成應用體系尚未貫通。
2 MBD工藝數據轉化
基于MBD的三維數據需要將設計意圖添加到三維模型中去，不僅包含精確的幾何模型，還包含尺寸、公差、基準、屬性等數據信息。MBD技術應用的首要條件是以工藝為牽引，形成在三維模型中進行三維標注的標準和規范，以完整準確地表達產品零部件本身的幾何屬性、工藝屬性、質量檢測屬性以及管理屬性等信息，滿足工藝設計、制造過程各個階段對數據的需求。
2.1 MBD設計數據及構成
基于模型的數字化定義核心內容是產品的幾何模型，所有相關的工藝描述信息、屬性信息、管理信息（包括零件表）等都附著在產品的三維模型中。MBD設計數據主要包括幾何模型、注釋和屬性3部分。具體分解為零件的幾何模型、零件的尺寸和公差標注、零件結構樹幾何定義部分、零件結構樹標注定義部分、關鍵特征的標注、零件的注釋說明、零件加工工藝過程所必須提供的產品描述性定義信息和裝配連接定義。
2.2 MBD工藝數據轉化相關技術
MBD設計數據是建立在能夠準確表達設計理念的基礎之上的，一方面，能夠直接獲取的數據信息包括模型、注釋和屬性信息，這些數據信息必須建立在相關標準體系完善的前提下，才能夠被工藝設計直接引用；另一方面，工藝設計需要完整的數據信息，由于MBD數據有大量的未注幾何信息，需要定義或制定相應規則加以約束，這樣才能保證MBD數據的唯一性，而這些數據只能通過提取、分析、查詢等技術手段間接獲取。
因此，必須在準確把握設計思想的基礎上，尋找將MBD設計數據轉化為工藝數據的解決方案。涉及的主要技術如下：
●三維模型尺寸和公差標注技術；
●多視圖生成技術；
●加工要求標注技術：
●特征視圖捕獲創建與管理技術；
●附加標準依據信息技術；
●采用零件模型進行三維裝配模型的標注技術。
3 基于MBD技術的數字化工藝準備
數字化工藝準備的技術環節包含從獲取設計數據到最終產品交付的全過程，包括設計數據解析、三維機加工藝設計、工藝文件管理、數控加工工藝準備、數據傳輸、制造數據瀏覽等技術環節�；贛BD技術的三維機加工藝設計系統包括MBD設計數據轉化系統、三維機加工藝設計系統和并行工藝準備環境3個部分。
3.1 三維設計數據轉換
(1)協同設計制造環境。
基于PDM系統，建立三維設計數據和三維機加工藝數據的管理結構。
(2)基于MBD技術應用相關標準。
通過直接參與相關標準制定，設計制造協同工作，結合典型零件MBD技術應用驗證，滿足工藝設計的需要。
(3)MBD應用技術。
三維設計數據識別、工藝數據轉化技術，技術標準。
(4)三維工藝數據獲取。
由三維模型、注釋、屬性構成的三維設計數據向三維工藝數據的轉換，分別建立三維工藝數據的模型、注釋、屬性數據集。
3.2 工藝設計
工藝設計系統工具包括三維機加工藝設計工具、三維機加工藝設計包、初始化環境、交互編輯器組成，具體內容如下。
(1)在三維環境下設計工藝，建立以二維為主、三維為輔的MBD工藝。
(2)結合結構化工藝系統，完成工藝設計工作。
(3)工藝主模型直接利用三維設計模型，保證工序模型與主工藝模型完全或間接關聯，在NX環境下完成工藝設計。
(4)工藝設計過程文件和工藝文件由PDM系統統一管理。通過工藝審批流程，鎖定工藝，三維工序模型提供下游（編程、工裝設計）使用。
3.3 并行工藝準備
(1)數控程序的生成包括數控刀軌文件和NC代碼兩部分。
●數控刀軌文件。
數控刀軌文件就是通常的NXCAM部分，這部分內容包含工序模型、毛坯模型、加工刀具、刀位軌跡等信息。
●NC代碼。
NC代碼文件為后置處理后的文件，選擇分類選擇的后置處理文件，生成NC代碼文件，NC代碼文件提交PDM進行管理。數控程序仿真也是不可或缺的一個環節，仿真驗證后確保數控程序的準確性，自動生成仿真報告。
(2)工裝設計。
工裝設計可直接調用工序模型，通過PDM系統發起工裝設計申請流程，工裝設計部門接到任務后，利用三維工序模型設計工裝，設計完成后，結束工裝設計申請流程。
(3)工藝文件發放。
工藝規程在PDM發布后，可以在現場工控機上瀏覽二維的工序圖表。NC程序、測量程序需要通過網絡DNC傳遞到現場數控機床，經過首件驗證合格后，數控程序仿真審批流程加狀態歸檔。
數字化加工技術及其應用
CAD/CAM技術是數字化制造中的核心技術之一，該技術發展初期主要以適應航空產品零件品種多、批量小、形狀復雜、精度高等特點為目標，是實現高效率自動化生產的必由之路，并逐漸成為航空發動機產品制造的主要技術手段之一。
1 基于特征的快速編程技術
通用編程軟件NX-CAM適用范圍廣，但不是針對特定產品的，編程效率不高。根據航空發動機零部件的結構特點，在典型工藝研究的基礎上，開發基于加工特征的快速編程系統。該系統采用基于標準操作的加工知識庫，為每個特征創建加工過程模板，實現加工特征的自動識別、刀軌自動定義、刀具參數自動選擇、工藝規程自動輸出等功能，主要包括零件分類及工藝分析、毛坯生成、夾具生成、應力分析及變形控制、工藝資源與知識庫管理、自動編程、前后置處理和工藝文件生成等功能。
2 基于精度指標的快速程編技術
基于特征的編程技術能夠識別加工特征，但不是針對零部件加工精度指標的，只是解決了一個方法的問題，適應范圍相對有限。為此，利用NX CAM基于特征的加工及FBM最新技術建立的編程自動化系統，將分析來自任何CAD系統的三維幾何體，并檢測其中的特征及類型，通過在NX CAM特征導航器中或直接在部件上瀏覽并檢驗這種特征，識別特征的關鍵屬性如位置、尺寸、公差等，然后自動確定每個特征最佳或優選的加工方式。
3 快速數控加工準備技術
數控加工準備工作通常包括借/還刀、裝/卸刀、換刀、借夾具、調整工裝（拉直找正）、領料（或半成品）、裝夾零件、設置X/Y原點、對刀（Z原點）、領取工藝文件、傳輸數控程序、試運行、倒壓板等�？焖贉蕚浼夹g就是要把上述準備工作區分機內準備（是指機床必須停機才能做的準備工作）和機外準備（是指機床不需停機就可以做的準備工作），機外準備由專人來完成（解放機床操作工），如刀具、工裝、毛料配送等，同時采取措施提高機內準備效率，如快速換裝定位技術、自動躲刀技術等。
4 加工防錯技術
在加工過程中，由于操作者的工作疏忽或操作方法不當等造成產品質量事故，因此應針對常見的錯誤，采取一定的技術手段，來達到防錯的效果，把錯誤消除在萌芽階段。例如應用加工仿真技術，驗證刀軌是否編排合理，檢查機床、刀具、夾具和工件系統是否發生碰撞。來避免刀具軌跡錯誤，超程、干涉/碰撞、切傷零件等質量事故的發生。
5 刀具失效分析技術
在實際加工過程中，刀具的磨損量是決定加工尺寸精度、加工表面質量以及零件加工變形的主要因素，目前急需從機理上解析并建立刀具磨損量與加工過程之間的關系模型，以刀具失效管理為核心有效控制加工過程，為工藝優化提供技術決策。
6 管路系統數字化制造技術
航空發動機管路系統數字化制造是在計算機軟件硬件環境支撐下，工程設計人員基于工藝知識庫采用數字化設計技術協同地完成各類制造信息的分析、描述與定義，如圖1所示，對各類信息以數字形式表達并進行統一的管理，以數字信息驅動并完成管路系統的設計制造。
圖1 管路系統全三維設計和空間布局
航空發動機管路系統數字化制造包括三維管路系統設計、空間布局規劃、管路工藝設計和數控彎管成形等技術環節，能夠解決航空發動機管路系統的三維空間布局和數控彎管最優成形問題和彎管成形裂紋、外壁過薄、皺褶和表面拉傷等一系列技術難點，目前已廣泛應用于型號批產中。
數字仿真技術及其應用
目前，航空發動機產品的制造過程主要面臨兩方面的問題：一是如何用技術手段來保證數控程序的正確性，二是如何保證加工結果的準確性。目前，數字仿真技術應用局限在數控加工幾何仿真、導管彎曲仿真、鈑金沖壓仿真等領域，還存在著范圍不大、程度不深等問題。能否準確預測產品的加工過程和產品質量，為優化工藝路線和工藝參數提供可靠的依據，核心在于如何選擇適合的技術手段。
1 集成數控加工仿真技術
數控加工幾何仿真的主要目的是驗證刀位軌跡的準確性、完整性，對欠切過切量、運動干涉碰撞現象預先分析，如果想要知道數控代碼是否正確，就必須把數控代碼和虛擬控制器集成在一個虛擬環境里做真實的模擬與仿真，最直觀地反映設備、工裝、工具和零件之間的運動關系。目前行業內尚處于單項技術和局部應用階段，暴露出仿真過程完整性和仿真結果真實性無法控制的問題，也無法從真正意義上實現虛擬加工與實際加工的“無縫連接”。
具體解決方案如下：
(1)將PDM系統擔當一個公共平臺的角色，提供統一的工藝信息、唯一的源數據（資源數據、功能性數據和關聯數據），實現流程的電子化、結構化數據管理，以及過程數據的存儲、分發、控制等功能。
(2)建立企業數字仿真資源數據庫，實現資源數據的共享。
(3)將NX、VERICUT等功能性軟件集成到PDM系統上，NX軟件對零件進行建模與程序后處理，VERICUT軟件對數控程序進行仿真。仿真報告、數控工步卡等數控文件以數據集的形式自動掛載在零件工序樹下。程序以mpf、nc、iso、ptp等格式用于現場生產，在加工結束后，優化的數控程序還可回饋到PDM系統中升版存儲。為確保仿真結果的真實性，開發定制了VERICUT仿真報告，所有數控程序仿真后能夠自動生成仿真結果文件。
2 均衡載荷工藝參數優化技術
基于均衡載荷理論的工藝參數優化技術與加工幾何仿真技術的融合，實現了基于工況條件的NC程序切削參數優化，帶來了從常規的高效率、低成本加工向高穩定性、高質量加工的技術轉變。
2.1 車加工工藝參數優化
常規的車加工為等余量均勻加工方式，對單一方向插補加工如X方向（圓柱面）或Z方向（端面）切削，切削力或切削載荷是均勻的；而對拐點變化部位如角度轉接處、圓弧過渡部位，由于切削方向的變化需要選擇復合插補方式，實際加工中切削力或切削載荷發生了急劇變化，成為加工過程不穩定、加工質量降低的技術難題，通常不得不采取保守的降低主軸轉速或進給速度的解決方式�；诰廨d荷原則的車加工工藝參數優化方法根據材料的去除量調整工藝參數，保證了整個切削過程切削力基本均衡，優化后加工效率可提高40%以上。
2.2 銑加工工藝參數優化
銑加工是一個最大限度去除材料的過程，通常分為粗加工、半精加工和精加工等多個階段，一個突出的問題是各個階段的加工余量變化異常不均勻，帶來了后續加工切削載荷不均衡的加工難題。而基于均衡載荷原則的銑加工工藝參數優化方法可根據材料的去除量調整工藝參數，保證整個切削過程切削載荷基本均衡，能夠達到工藝參數優化、切削過程穩定、加工效率提高的多重目標。
3 鈑金成形仿真技術
主要包括鈑金成形仿真軟件的智能化工具的實際應用，如圖2所示，一方面通過仿真，真實再現鈑金的成形過程和板料成形過程中的裂紋、起皺、減薄、回彈等加工缺陷；另一方面，通過分析板料成形過程中的厚度變化云層圖、FLC成形極限圖、應力變化云圖及截面厚度變化曲線，快速查找出產生缺陷的原因。
圖2 鈑金成形仿真
鈑金成形仿真能夠在實際生產之前，通過模擬成形過程，預先評估板材成形性能和技術方案可行性，讓工藝技術人員在方案設計階段輕松地去除錯誤的選擇，在虛擬環境中進行反復的修改以優化設計參數。
結束語
航空發動機零部件數字化技術中的關鍵是數字化制造技術，這一環節是使數字化裝備發揮應有作用、保證產品質量、降低制造成本、縮短在制品周期的關鍵。目前航空制造企業正處于技術快速提升階段，應從數字化制造技術入手，通過建立設計制造協同機制和以研制為主體的數字化工程環境，達到促進航空制造企業數字化制造技術快速發展的目的。
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