航空发动机叶片CAD、CAPP、CAM的思考

航空发动机叶片CAD/CAPP/CAM的思考郭文有1航空技术的发展需要CAD/CAPP/CAM叶片CAD/CAPP/CAM是一个统一完整的系统，在叶片设计和制造过程中，计算机辅助完成叶片设计(CAD)、毛坯制造和机械加工工艺文件的编制(CAPP)、工装设计(CAD)、工装和叶片的数控加工(CAM)等一系列工作。当今世界航空技术飞速发展，先进的新机种不断出现，其研制周期由将近10年缩短为不到3年，技术寿命也由过去的几十年缩短为十几年甚至更短。其中一个重要因素是得益于计算机技术的不断发展和应用，特别是CAD/CAPP/CAM的应用，大大提高了飞机设计和制造水平，缩短了研制和生产周期，降低了制造费用，从而加快了航空技术的发展。发动机是飞机的关键，叶片是发动机的关键零件之一，其特点是结构复杂，品种、数量多，对发动机性能影响大，设计制造周期长，制造工作量约占整台发动机的三分之一。因此，发动机叶片的设计、制造技术水平对提高发动机性能、缩短研制周期和降低制造费用起着重要的作用。我国航空发动机叶片的设计、制造至今还没有采用CAD/CAPP/CAM技术。叶片的研制周期长，水平低，质量差，且经常更改设计，重新制造，拖延了发动机试制周期。积极开发和应用叶片CAD/CAPP/CAM技术对加速我国航空技术的发展有着十分重要的意义。图1叶片CAD/CAPP/CAM的主要工作Fig.1MainworkofCAD/CAPP/CAMforblade2叶片CAD/CAPP/CAM的主要工作结合我国实际情况，叶片CAD/CAPP/CAM技术开发的初始阶段，应当把由计算机完成叶片设计和制造技术文件编制的主要工作作为首选目标(见图1)，对管理和一些非主要工作可暂不考虑。2.1叶片CAD叶片CAD最终要设计出完整的叶片几何形状，提供制造用的图纸和计算机文件(软盘、联网数据资料等)，以便在制造中直接查阅和供CAPP/CAM直接使用CAD数据。叶片由叶型和基体两部分组成，计算机初步设计后，经反复进行气动性能和强度计算，并进行修订，最终确定叶型和基体的形状和尺寸。2.2毛坯制造CAPP/CAM毛坯制造CAPP的主要工作是：按照设计图和工艺要求设计毛坯图，制定毛坯制造工艺流程，编制工序图表(含工序图、技术条件、加工参数)，确定工装并编制工装目录。采用CAD技术设计毛坯工装，特别是设计模具，可以大大缩短设计周期。2.3机械加工CAPP/CAM机械加工的技术准备，面对大量信息，包括设计资料、工艺条、加工数据等因素及其错综复杂的相互关系，必须进行周密的分析和准确的处理，最终完成各种工艺文件。其工作量很大，人工编制一个叶片的机加工艺文件一般需要2～3个月。叶片机械加工CAPP要完成的主要工作有制定工艺流程，编制工序图表，确定工装并编制工装目录等。随着我国叶片制造技术的不断发展，将会越来越多地采用数控加工。因此，数控编程和数控加工也是CAPP/CAM要完成的主要内容。2.4模具及工装CAD由于叶片品种多，叶型、榫头形状复杂，其模具、测具等工装复杂，数量多，采用CAD会收到很好的效果。2.5模具及工装CAM现在基本都采用数控机床加工叶片模具、样板等复杂形状的工装。直接采用工装CAD数据文件传送和数控加工编程，会取得提高精度、缩短工装制造周期的效果。3叶片CAD/CAPP/CAM的技术难点3.1叶片设计设计一种叶片要考虑的因素很多，包括叶片要达到的性能、叶片材料、基体形状、叶型构造等。在对各种因素综合分析的基础上确定初步方案，再经多次计算和修改，才能最终完成叶片设计。叶片CAD的困难在于如何实现计算机自动设计一个叶片空间几何体，即给定气动参数、工作条件和安装参数，计算机自动选定叶片材料，设计出叶型和基体，经过计算和修改设计出叶片。叶片CAD需要有叶型设计软件和基体造型软件，另外还要建立含有大量信息的数据库。3.2毛坯制造和机械加工工艺流程生成工艺流程是由多种因素决定的，如叶片形状、毛坯种类、材料、产量以及技术装备等方面的差异，都使得叶片的毛坯制造和机械加工所采用的工艺方法和编排次序不同。如何使计算机能够分析各种因素，自动编制出工艺流程，是CAPP的一个难点。3.3工序图生成工序图实质上是从原材料图到毛坯图、再从毛坯图到成品图逐渐衍变的过程。使计算机自动生成工序图，确定加工面，确定和标注基准面，标注尺寸等是一个难点。2叶片CAD/CAPP/CAM的主要工作结合我国实际情况，叶片CAD/CAPP/CAM技术开发的初始阶段，应当把由计算机完成叶片设计和制造技术文件编制的主要工作作为首选目标(见图1)，对管理和一些非主要工作可暂不考虑。2.1叶片CAD叶片CAD最终要设计出完整的叶片几何形状，提供制造用的图纸和计算机文件(软盘、联网数据资料等)，以便在制造中直接查阅和供CAPP/CAM直接使用CAD数据。叶片由叶型和基体两部分组成，计算机初步设计后，经反复进行气动性能和强度计算，并进行修订，最终确定叶型和基体的形状和尺寸。2.2毛坯制造CAPP/CAM毛坯制造CAPP的主要工作是：按照设计图和工艺要求设计毛坯图，制定毛坯制造工艺流程，编制工序图表(含工序图、技术条件、加工参数)，确定工装并编制工装目录。采用CAD技术设计毛坯工装，特别是设计模具，可以大大缩短设计周期。2.3机械加工CAPP/CAM机械加工的技术准备，面对大量信息，包括设计资料、工艺条、加工数据等因素及其错综复杂的相互关系，必须进行周密的分析和准确的处理，最终完成各种工艺文件。其工作量很大，人工编制一个叶片的机加工艺文件一般需要2～3个月。叶片机械加工CAPP要完成的主要工作有制定工艺流程，编制工序图表，确定工装并编制工装目录等。随着我国叶片制造技术的不断发展，将会越来越多地采用数控加工。因此，数控编程和数控加工也是CAPP/CAM要完成的主要内容。2.4模具及工装CAD由于叶片品种多，叶型、榫头形状复杂，其模具、测具等工装复杂，数量多，采用CAD会收到很好的效果。2.5模具及工装CAM现在基本都采用数控机床加工叶片模具、样板等复杂形状的工装。直接采用工装CAD数据文件传送和数控加工编程，会取得提高精度、缩短工装制造周期的效果。3叶片CAD/CAPP/CAM的技术难点3.1叶片设计设计一种叶片要考虑的因素很多，包括叶片要达到的性能、叶片材料、基体形状、叶型构造等。在对各种因素综合分析的基础上确定初步方案，再经多次计算和修改，才能最终完成叶片设计。叶片CAD的困难在于如何实现计算机自动设计一个叶片空间几何体，即给定气动参数、工作条件和安装参数，计算机自动选定叶片材料，设计出叶型和基体，经过计算和修改设计出叶片。叶片CAD需要有叶型设计软件和基体造型软件，另外还要建立含有大量信息的数据库。3.2毛坯制造和机械加工工艺流程生成工艺流程是由多种因素决定的，如叶片形状、毛坯种类、材料、产量以及技术装备等方面的差异，都使得叶片的毛坯制造和机械加工所采用的工艺方法和编排次序不同。如何使计算机能够分析各种因素，自动编制出工艺流程，是CAPP的一个难点。3.3工序图生成工序图实质上是从原材料图到毛坯图、再从毛坯图到成品图逐渐衍变的过程。使计算机自动生成工序图，确定加工面，确定和标注基准面，标注尺寸等是一个难点。2叶片CAD/CAPP/CAM的主要工作结合我国实际情况，叶片CAD/CAPP/CAM技术开发的初始阶段，应当把由计算机完成叶片设计和制造技术文件编制的主要工作作为首选目标(见图1)，对管理和一些非主要工作可暂不考虑。2.1叶片CAD叶片CAD最终要设计出完整的叶片几何形状，提供制造用的图纸和计算机文件(软盘、联网数据资料等)，以便在制造中直接查阅和供CAPP/CAM直接使用CAD数据。叶片由叶型和基体两部分组成，计算机初步设计后，经反复进行气动性能和强度计算，并进行修订，最终确定叶型和基体的形状和尺寸。2.2毛坯制造CAPP/CAM毛坯制造CAPP的主要工作是：按照设计图和工艺要求设计毛坯图，制定毛坯制造工艺流程，编制工序图表(含工序图、技术条件、加工参数)，确定工装并编制工装目录。采用CAD技术设计毛坯工装，特别是设计模具，可以大大缩短设计周期。2.3机械加工CAPP/CAM机械加工的技术准备，面对大量信息，包括设计资料、工艺条、加工数据等因素及其错综复杂的相互关系，必须进行周密的分析和准确的处理，最终完成各种工艺文件。其工作量很大，人工编制一个叶片的机加工艺文件一般需要2～3个月。叶片机械加工CAPP要完成的主要工作有制定工艺流程，编制工序图表，确定工装并编制工装目录等。随着我国叶片制造技术的不断发展，将会越来越多地采用数控加工。因此，数控编程和数控加工也是CAPP/CAM要完成的主要内容。2.4模具及工装CAD由于叶片品种多，叶型、榫头形状复杂，其模具、测具等工装复杂，数量多，采用CAD会收到很好的效果。2.5模具及工装CAM现在基本都采用数控机床加工叶片模具、样板等复杂形状的工装。直接采用工装CAD数据文件传送和数控加工编程，会取得提高精度、缩短工装制造周期的效果。3叶片CAD/CAPP/CAM的技术难点3.1叶片设计设计一种叶片要考虑的因素很多，包括叶片要达到的性能、叶片材料、基体形状、叶型构造等。在对各种因素综合分析的基础上确定初步方案，再经多次计算和修改，才能最终完成叶片设计。叶片CAD的困难在于如何实现计算机自动设计一个叶片空间几何体，即给定气动参数、工作条件和安装参数，计算机自动选定叶片材料，设计出叶型和基体，经过计算和修改设计出叶片。叶片CAD需要有叶型设计软件和基体造型软件，另外还要建立含有大量信息的数据库。3.2毛坯制造和机械加工工艺流程生成工艺流程是由多种因素决定的，如叶片形状、毛坯种类、材料、产量以及技术装备等方面的差异，都使得叶片的毛坯制造和机械加工所采用的工艺方法和编排次序不同。如何使计算机能够分析各种因素，自动编制出工艺流程，是CAPP的一个难点。3.3工序图生成工序图实质上是从原材料图到毛坯图、再从毛坯图到成品图逐渐衍变的过程。使计算机自动生成工序图，确定加工面，确定和标注基准面，标注尺寸等是一个难点。3.4工装选用为了节约费用，产品制造中要尽量选用已有的夹具、测具和刀具，包括后面工序选用前面工序的工装。在选不到的情况下，才设计制造新的工装，而且要尽可能地使其能在多道工序中使用。如何确定参数，建立工装数据库，使计算机自动选定工序使用的工装，不仅工作量大，技术上也有难度。3.5建立数据库和选定工艺参数叶片材料、加工设备、加工方法、刀具材料等许多因素都会影响工艺参数。要实现计算机自动确定工艺参数，主要困难是建立数据库。一方面工作量很大，另一方面很多数据还没有现成的资料可以利用。3.6工装CAD叶片种类繁多，形状、尺寸极少相同。如何利用计算机设计出适合各种不同叶片的工装是一个难题。另外，编制叶片模具CAD等应用软件也是困难的。4解决方法及开发途径4.1应用成组技术世界上大多数CAD/CAPP/CAM技术都借助于成组技术。尽管航空发动机叶片形状复杂，结构各异，但是仍可以利用其特征进行分类编组。叶片分组的主要特征有叶片类别、叶型尺寸、安装部位及基体其他部位的形状、叶型形状、材料、毛坯余量等。同组叶片的设计内容、制造工艺流程具有相似性。将叶片分组编码，参照数据库中相同(或相近)代码的叶片进行CAD/CAPP是解决叶片设计和工艺流程编制等难点的一条途径。代码分别为A，B，C的3种压气机叶片，A属精锻小叶片，B为精锻大叶片，C是大余量模锻毛坯，其机械加工工艺流程如表1所示，表中工序代号为综合工艺路线中各种加工方法的代号。如果某新叶片编码也为B，即可检索出代码B的工艺流程作为该新叶片工艺流程的初步方案。表1叶片机械加工工艺流程表叶片代码工艺流程(加工方法代号排序)A3，4，5，6，12，15，16，17，19，20，22，24B3，4，5，7，8，9，12，13，14，15，16，19，20，21，25C1，2，3，4，7，8，9，10，11，12，13，14，20，22，23，24，25叶片工装CAD也要利