实用型涡轮叶片精铸模具CAPP系统

  涡轮叶片作为航空发动机的关键部件之一.其设计结构和制造质量是影响发动机整体性能的重要因素。为使涡轮叶片能承受更高的温度。现代航空发动机采用全新的结构设计和超高温合金。使用先进的冷却技术,通过涡轮叶片内许多精细而复杂的冷却通孔对叶片进行对流、冲击和局部气膜冷却。这种设计必然导致涡轮叶片具有复杂的内型和外型。将大大增加其制造难度,延长其制造周期。如何提高航空发动机涡轮叶片的制造工艺水平,缩短制造周期,不仅是影响我国新机研制水平的核心问题;同时对于批量生产而言,也是影响我国航空工业的发展和国防安全建设的一个关键问题。目前,航空发动机涡轮叶片主要采用无余量熔模精密铸造辅以机械加工的工艺来完成。常规流程首先必须通过模具成型的方式获取精密铸造所使用的精确蜡型和陶瓷型芯.然后通过蜡模匹配压型、制壳等直至完成这些航空产品的精密铸造。在这一系列工艺过程中蜡型和陶瓷型芯精铸模具的设计和生产是其"瓶颈",是整个工艺过程中最复杂、周期最长的工艺。本文对CAPP(Computer Aided Process Planning)技术在涡轮叶片精铸模具的设计和制造技术中的发展和应用作一介绍。

  1 CAPP技术在模具制造中的作用

  涡轮叶片等航空产品精铸模具,是一种高科技产品。又是一种技术密集型产品,加之各国为了国防安全进行严密的技术封锁,因此现有涡轮叶片精铸模具的设计和生产水平已成为影响我国航空发动机乃至现代航空工业发展的因素之一。

  随着工业的迅速发展。对模具工业的要求是:面对工业产品的快速更新换代。模具业应做出敏捷的反应。并能快速、高质、低价提供所需的各类模具,来完成产品的制造。显然,传统的模具设计与制造模式是难以达到这种要求的。业已证明,要达到这样的要求,唯一的出路是进行模具工业的技术改造。用信息技术带动和提升模具工业的设计与制造技术水平,是推动模具工业技术进步的关键环节。

  CAPP是运用计算机技术协助工艺设计人员进行工艺设计的一种技术。是以计算机技术为支撑的信息时代环境下的产物。与传统的工艺设计相比,它在设计方法、设计过程、设计质量和效率等各方面都发生.了质的变化。其主要优点在于,CAPP可以使工艺设计人员摆脱大量、繁琐的重复劳动;缩短工艺设计周期,保证工艺设计质量,提高产品的市场竞争能力:提高产品工艺的重用性,最大限度地利用现有资源,降低生产成本;使没有丰富经验的工艺师设计出高质量的工艺规程,以缓解当前制造业工艺设计任务繁重但缺少有经验工艺设计人员的矛盾;有助于推动企业工艺设计的标准化和工艺管理的科学化。目前.我国在采用CAPP技术设计和制造模具方面。无论是从应用的广泛性还是技术水平上来看。都与发达工业国家存在较大的差距。尤其是在应用CAPP技术进行工艺过程设计方面,效果很不理想,需要进行大量的标准化基础工作。

  目前,某些数控技术实验室对结构复杂盼涡轮叶片在UG二次开发的基础上完成了精铸模具3D设计及装配干涉仿真.制造过程主要采用数控加工及特种加工的方式,但工艺过程设计现仍采用传统的手工编制的方式。致使设计与制造完全脱离。手工编制工艺的主要瓶颈表现在:要求设计人员具有丰富的生产经验、设计过程任务过于繁琐、工艺数据的准确性难以保证以及信息集成度低等方面。涡轮叶片精铸模具的结构和活块零件的形状较复杂.工艺设计易受到诸如企业生产环境、制造资源、生产批量、工艺习惯、工艺方法、工艺设计人员工艺水平等因素的影响:随着信息技术、计算机水平的不断发展.现行通用CAPP系统在对涡轮叶片精铸模具的工艺设计过程中无法针对具体产品、具体制造环境做到高质高效的应用。因此,针对数控技术实验室的资源环境和工艺人员的使用需求,开发实用型涡轮叶片精铸模具CAPP系统具有重要意义。

  2 实用型涡轮叶片精铸模具CAPP系统的主要内容

  工艺设计就是为被加工零件规定合理的工艺过程、工艺操作规程、工艺装备和工艺参数等,它是一项经验性很强且随着制造环境的变化而多变的决策过程,是连接产品设计与产品制造的桥梁,它的质量和效率直接影响企业制造资源的配置与优化、产品质量、生产组织效率、产品成本与制造周期等方方面面。当前,科学技术飞速发展。产品更新换代频繁,多品种、小批量的生产模式已占主导地位,传统的工艺设计方法已不能适应制造业的发展需要。其主要表现在于采用人工设计方式。设计任务繁琐、重复工作量大、工作效率低:设计周期长,难以满足产品开发周期越来越短的需求:受工艺人员的经验和技术水平限制,工艺设计质量难以保证;设计手段落后,难以实现工艺设计的重用性、规范性、标准化和科学化。显然。传统工艺,设计方式已不能满足现代制造业的要求。

  针对在PDM、网络和并行工程环境下中小型航空发动机关键零件设计制造中遇到的难题.深入研究航空产品精密模具先进设计和制造方法.以及现有设计体系中的专业软件、工程数据等资源的信息集成的相关技术是实现"涡轮叶片精铸模具CAPP系统"的重要内容。

  工艺规程设计是CAPP最基本和最核心的功能。针对数控技术实验室的制造环境,深入研究工艺规程设计理论并开发实用型涡轮叶片精铸模具工艺规程设计原型系统,整合重复性工作,寻找工艺规划规律,规范工艺规划过程,提高信息集成度,对于降低设计人员的工作强度,缩短工艺规划周期,增强产品的经济时效性具有重要意义。同时。可以为深入开发涡轮叶片精铸模具CAPP系统及数控技术实验室全面实施信息化制造打下良好的基础。

  3 CAPP发展历史回顾

  CAPP在制造领域内,工艺设计自动化是发展最迟的一部分。早在1952年美国麻省理工学院就已研制成功NC机床.在1963年又发表了CAD的研究成果。而且NC技术、CAD技术很快就在生产实践中得到了应用,自动化、柔性化的程度越来越高。而由于工艺过程设计涉及的因素非常的广泛.随机性大,很难用简单的数学模型进行理论分析,所以工艺设计长期处于手工操作和凭借经验的状态。以至于效率低下。世界上最早进行工艺设计自动化研究的国家是挪威。他们从1966年开始研制。到1969年正式发表了世界上第一个CAPP系统--AUTOPROS系统。它是根据成组技术原理.利用零件的相似性去检索和修改标准工艺来制定相应零件的工艺规程。AUTOPROS系统的出现,引起了世界各国的普遍关注。接着,美国的CAM-I公司也研制出了在CAPP史上具有里程碑意义的CAPP系统。它的工作原理也是基于将零件按成组技术分类系统进行编码,形成零件族,再建立零件族的标准工艺,并通过对标准工艺文件的检索和编辑产生零件的工艺规程。在随后的30多年时间里,CAPP一直处于研究的高潮。并研制出了许多的CAPP系统。比较著名的有美国1976年开发的APPAS系统(适用于所有零件);美国工艺研究中 (UTRC)1971年开发的CPPP系统(适用于回转零件);阿亨工业大学1980年研制的回转体或板状零件的CAAP系统-AUTAP;还有美国切削研究协会(Met cut)研制的AUTOPLAN系统等等。各国CAPP系统主要集中用于回转体零件,其次为棱柱形零件和板块类零件,其它非回转类零件应用较少。我国由于计算机技术发展起步较晚等原因。对CAPP的研究始于上世纪80年代初期,但与世界先进水平相距不远。特别是在国家863/CIMS计划的支助和推动下。近年来CAPP技术已取得很大的成绩。国内最早开发的CAPP系统是同济大学的修订式TOJICAP系统和西北工业大学的创成式CAOS系统.完成时间都在上世纪80年代初;最早开展CAD/CAPP/CAM智能集成化研究与原型系统开发的是清华大学(用于国家CIMS实验工程的箱体类零件,1987~1993年)和西北工业大学(用于国家CIMS实验工程的回转体零件,1987~1993年);第一个有重要实用价值、并取得突出社会和经济效益的智能集成化FA-CAD/CAPP/CAM系统是由西北工业大学、航空部625所在成都飞机工业公司开发的(1991~1994年),其中由西北工业大学开发的FA.CAPP分系统在工艺过程设计上是完全自动决策的创成式专家系统(1999-2000年)。

  从上世纪80年代开始,人们探索将人工智能、专家系统等技术应用于工艺过程设计的研究中,研制成功了所谓基于知识的创成式CAPP系统或CAPP专家系统。近10年来.开始将人工神经网络、模糊推理以及基于实例的推理等技术用于工艺设计之中,并进行了卓有成效的实践。同时将传统派生法、传统创成法与人工智能结合在一起,综合它们的优点,构造了所谓的混合式CAPP系统。但是,由于工艺过程设计是一门经验性很强的科学,这使CAPP开发存在许多难题。所开发的系统,多数都是原型系统,知识数量少,功能有限,难以满足实用化要求。其应用的广度和深度与企业的实际需要相差甚远,得到实际应用的系统仅为极少数。

  4 CAPP的应用现状及发展趋势

  (1)发展缓慢。迄今为止,尽管在研究和开发工作中进行了各种努力,并开发了许多CAPP系统,但远远跟不上CAD、CAM发展的步伐。

  (2)应用情况不尽人意。到目前为止,应用于工厂的CAPP系统大多只能完成用计算机代替手工操作的作用.大多数功能还得依靠人机交互或手工来完成,其完成的功能有限.难以在生产过程中发挥其应有的作用。

  (3)CAPP的开发和应用处于孤岛状态。目前,仍有85%以上的工艺规程还是手工编制的。即使采用了CAPP系统的企业.其CAPP系统与产品设计、生产计划、工时定额、材料定额等活动是隔绝的,这种孤立的CAPP没有充分考虑到制造资源的实际情况。难以适应环境的变化,这大大的限制了其柔性和应用的推广。

  总之,CAPP的发展仍处于探索阶段.尚存在许多问题需要解决。目前,CAPP技术的研究和发展有两种趋势:一是技术化趋势,即在原有CAPP的开发模式、体系结构框架内。结合现代计算机、信息等相关技术的进展,采用新的决策算法、发展新的功能,并已在并行、智能、分布、面向对象等方面进行着有益的尝试。二是实用化趋势。即跳出几十年来延续下来的CAPP传统模式,面向具体生产环境,面向实际应用,面向最基本的需求.利用成熟的技术,建立各种计算机辅助功能模块。帮助工艺人员高质高效地完成工艺任务,通过广泛、实际的应用促进其发展。


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