（航空宇航制造工程专业论文）pdm环境下基于ug的叶片精锻模cad关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 叶片是航空发动机的重要零件，在工作中起着能量转换的作用。山于使用环 境和性能的要求，对叶片的生产制造需要较高的精度。叶片形状复杂，零件成形 精度高，采用精锻技术生产叶片是航空发动机生产企业采用的先进制造方法之 一。由于计算机网络技术的迅猛发展，生产管理的信息化、数字化是航空发动机 生产企业的发展方向。 本文在分析了国内外发动机叶片模具的c a d 技术发展状况后，结合某航空 发动机生产企业模具“设计一分析制造”一体化的情况提出了p d m 环境下基于 u g 的叶片精锻模设计。本文利用t e a m e e n t e re m e r p r i s e ( t c e n t e r p r i s e ) 软件建立 p d m 环境，对u g 软件进行二次丌发，重点研究了叶片精锻模c a d 系统的关键 技术，完成了如下工作： 本文研究了p d m 系统集成，在p d m 系统中叶片精锻模设计过程中的文档管 理、工作流程管理和设计b o m 结构的规划和定制，使精锻模设计在p d m 系统 中能够有序高效地进行，提出了基于u g 软件进行开发的叶片精锻模c a d 系统 结构，实现了总体规划。 本文研究了锻件叶身型面设计中型面数据转化所需进行的计算方法和依据， 包括平衡角计算、进排气边延伸、叶尖叶根延伸、叶身型面余量加放和叶身的收 缩和回弹，叶身实体的造型方法，榫头的设计计算和定位凸台的设计计算等。 本文研究了叶片锻模设计中的毛边槽的设计方法和原则，然后介绍了锻模模 块的形状标准、锻模模块型槽变形抗力的计算和锻模模块的造型等。 关键词：叶片，精锻模，p d m ，u g ，二次开发，c a d 系统 a b s t r a c t a b s t r a c t a i r f o i lb l a d ei so n eo fk e yp a r t si na e r o e n g i n ea n dt a k e st h ep o l eo fe n e r g y t r a n s f o n n a t i o n b e c a u s eo ft h er e q u i r e m e n to fu s i n ge n v i r o n m e n ta n da e r o e n g i n e p e r f o r m a n c e ，a i r f o i lb l a d em a n u f a c t u r en e e d sh i g h e rp r e c i s i o n s i n c et h es t r u c t u r eo f b l a d ei sc o m p l e xa n dt h ef o r m i n gp r e c i s i o ni sv e r yh i g h ，t h ep r e c i s i o nf o r g i n gd i e b e c o m e so n eo ft h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e su s e di na e r o e n g i n em a n u f a c t u r e w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ei n f o r m a t i z a t i o na n dd i g i t a l m a n a g e m e n tw i l lb et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ea e r o e n g i n ec o r p o r a t i o n a f t e ra n a l y z i n gb o t ho v e r s e a sa n dh o m ed e v e l o p m e n to fe n g i n eb l a d ep r e c i s i o n f o r g i n gd i ec a dt e c h n o l o g y , t h eb l a d ep r e c i s i o nf o r g i n gd i ed e s i g n b a s e do n u n i g r a p h i c s ( u g ) i nt h ep d m i sp r e s e n t e dt os o l v et h ep r o b l e mo ft h ef o r g i n gd i e s “d e s i g n a n a l y s i s m a n u f a c t u r e ”i n t e g r a t i o n i n t h i s p a p e r ，t h ep d ms y s t e m i s e s t a b l i s h e db yt c - e n t e r p r i s es o f t w a r e ，a n das p e c i a ls y s t e mo fb l a d em o d e l i n ga n d d i ep r e c i s i o nd e s i g n i n gh a sb e e ne x p l o i t e dw i t ht h eh e l po fu g t h em a i nc o n t e n ti sa s b e l o w ： t h ep d ms y s t e mi n t e g r a t i o ni ss t u d i e dt om a n a g et h ef i l e s ，t h ew o r kf l o wa n d t h ed e s i g nb o ms t r u c t u r ei no r d e rt od e s i g nt h ep r e c i s i o nf o r g i n gd i ew i t ht h eh i g h e f f i c i e n c yi nt h cp d m t h ec a ds y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ec o l l e c t i v i t yl a y o u to ft h e b l a d ep r e c i s i o nf o r g i n gd i eb a s e do nu ga r ep r e s e n t e d t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sa n dt h em o d e ld e s i g n sa r es t u d i e dt ot r a n s l a t et h ed a t ao f t h ef o r g i n gb l a d es u r f a c e t h ec a l c u l a t i o na n dd e s i g ni n c l u d e st h ec a l c u l a t i n gt h e b a l a n c ea n g l e ，e x t e n d i n go ft h eb l a d eo nb o t hs i d e s ，e x t e n d i n go ft h eb l a d eo nt h et i p a n do nt h er o o t ，e x p a n d i n go ft h es u r f a c e so ft h eb l a d e ，c h a n g i n gt h ed a t ao nt h e c o n s i d e r a t i o no ft h es h r i n k i n ga n dt h er e f l e c t i n go ft h eb l a d em a t e r i a l ，t h eb l a d eb o d y m o d e l i n g ，t h er a b b e tm o d e l i n g ，t h eb o s sm o d e l i n g ，e t c i nt i f f sp a p e r , t h ec o n t e n to ft h eb l a d ef o r g i n gd i ed e s i g ni ss t u d i e d ，i n c l u d i n gt h e d e s i g nm e t h o da n df u n d a m e n t a lo ft h eg u t t e r , t h es h a p ec r i t e r i o no ft h ef o r g i n gd i e m o d e l ，t h ef o r g i n gd i em o d e l i n g ，t h ec a l c u l a t i o no ft h eb l a d et r a n s m u t a t i o nr e s i s t a n c e ， e t c k e y w o r d s - a i r f o i lb l a d e ，p r e c i s i o nf o r g i n gd i e ，p d m ，u g ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ， c a d s y s t e m 砖北i 业大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及课题来源 随着航空发动机设计性能的不断提高，对其制造技术提出了越来越高的要 求。叶片是航空发动机中非常关键的一类典型零件，其质量的好坏直接影响到发 动机的工作效率、运行可靠性和寿命。叶片设计和制造是航空发动机生产中非常 关键的环节，叶片的设计和制造是国内外航空领域科技工作者关注的重点研究方 向之一。 由于叶片的种类多、数量大、型面复杂、几何精度要求高、截面宽厚比大， 而且各截面之间有一定的转角，给加工制造带来了难度，带冠叶片和叶身带阻尼 台的叶片更是如此；另一方面，由于叶片工作条件恶劣，对原材料的要求高，所 用材料一般为价格昂贵的难变形合金材料，所以人们针对这一特殊零件，投入了 大量的人力、物力去研究，发展了各种制造叶片的新技术和新工艺。锻造成形 工艺是通过金属塑性成形方法，改变金属的微观组织结构，提高金属的使用机械 性能，它在叶片制造中得到了广泛的应用。 通常情况下，叶片锻造成形工艺有普通模锻、半精锻和精锻三种方式可供选 择。所谓叶片精锻是指叶身型面余量少于o 3 m m ，表面一般不必进行切削加工， 而叶根和叶冠是按照常规模锻余量和公差，锻造后需进行切削加工。我国叶片锻 造技术的传统工艺是普通模锻。普通模锻的设计余量比较大，生产出来的叶片往 往“肥头大耳”，需要经过机械加工才能获得理想的外观尺寸，而且机加工余量大， 浪费人力、物力、财力，还延长了生产周期l l 】。 航空工业的飞速发展对叶片的使用性能提出了较高的要求，不仅要外观形状 好，而且要求叶片的内部组织达到标准，金属流线分布合理。传统的模锻工艺很 难满足上述要求。在航空发动机的生产和研制过程中，采用无余量精锻成型技术 能快速、保质地批量完成叶片的制造。精锻技术是在普通模锻基础上发展起来的 一种少切削或无切削新工艺，由于采用了合理的模具设计和先进的制造技术，能 够保证金属具有良好的成形条件和合适的变形程度，获得表面质量好、机械加工 余量少和尺寸精度高的锻什，从而能提高材料的利用率，取消或部分取消切削加 工工序，可以使金属流线沿零件轮廓合理分布，提高零件的承载能力。因此，叶 片精锻成形技术是当今世界发动机叶片制造手段的潮流和发展趋势。 随着计算机辅助技术的发展，c a d c a m 技术在精锻模设计中的应用和锻造 设备水平的不断提高，叫+ 片的加工质量和效率大为提高。但由于锻造叶片的复杂 第一章绪论 程度和数量的不断增加，在原有传统的数据管理模式下，设计过程中蘑复环节多、 出错率高、周期长、缺乏数据共享与信息集成。数据管理方式由于没有统一的管 理软件，采用的是单机存放( 存放在个人的计算机中) 的方式，同时保持二维图 档的纸介质归档。这样叶片数据文件在各车间分散保存，信息存储分散，管理体 系复杂，缺乏统一的管理制度，数据安全难以保证。在进行叶片锻件图设计时需 要重新输入叶片产品设计数据，造成设计工作的重复；缺乏对叶片锻件制造工艺 知识的总结和提炼，有效的工艺知识无法重用，使得工艺设计效率难以提高。在 流程审批上完全依靠人工执行，易受各种人为因素影响，造成流程执行效率较低； 审批记录用纸质文档需要长期保存，管理成本高：在业务开展过程中缺少相关业 务部门的并行参与，业务中潜在的问题难以提前发现。c a d 、c a m 、c a e 等应 用系统都是独立的孤立系统，系统无法共享，缺乏统一的操作规范和集成平台， 存在大量的手工再输入工作：缺乏统一的数字化操作和应用规范，各应用系统之 间数据信息交互困难，转换过程复杂；各应用系统产生的产品数据各自独立，不 存在关联关系。 因此，缺乏团队并行工作，缺乏流程数据的有效共享、传递和管理成为制约 叶片精锻模具异地协同设计制造的瓶颈。有效地利用信息化手段按照特定的技术 路线进行工作流程管理，实现数据的传递和共享，能够迸一步提高1 片无余量精 锻制造效率。 在激烈的市场竞争环境下，怎样缩短叶片精锻模具设计制造周期，实现设计 制造数据共享和信息集成，提高工作效率，使设计、工艺、加工等有机地结合起 来，是摆在航空制造企业面的的关键问题之一。在这个背景下，我们提出p d m 环境下的叶片精锻模c a d 技术，实现以信息化技术为主体的叶片精锻模设计， 提高数据共享和设计效率，规范设计流程，实现各种设计制造信息的集成。 在p d m 环境下进行精锻模殴计能实现如下几个方面的好处： 通过严格的权限设置和产品数据集中管理，即保证了产品数据的安全性， 又保证了产品数据的有效共享，能够解决重复设计的问题； 保证产品数据的唯一陆，避免由于产品数据不唯一而对设计制造造成数据 有效性影响； 能够根据多种条件快速查找相关的产品数据，能够根据产品结构组织产品 数据，在产品结构和产品数据直接建立直观、清楚的关系； 实现文件格式、设计图形文件幅面标准化； 集成并管理计算机相关应用软件系统，如c a d 、c a m 、c a e 、c a p p 、 w o r d 、e x c e l 等软件，使p d m 成为管理企业产品数据的信息化平台； 西北工业大学硕士学位论文 严格设计流程和更改流程管理，通过严格的流程控制，保证设计和工艺数 据的正确性，提高工作效率； 通过p d m 系统的应用，规范和优化企业内部的管理模式，提高企业的管 理水平，使企业的管理能力和信息化程度达到一个新的水平。 本课题源于某航空制造项目中的“p d m 环境下的叶片精锻模设计”项目。该 项目是以某型号航空发动机叶片精锻模具的设计为研究对象，建立一套数字化设 计规范，实现p d m 环境下基于u g 的精锻模其设计与结果的管理，开发基于u g 的精锻模具设计系统，为航空发动机数字化设计制造奠定基础。 1 2 相关研究领域概况 1 2 1 国内外现状 在航空发动机叶片生产中，采用精锻工艺生产叶片，能够保证金属具有良好 的成形条件和合适的交形程度，获得沿叶片形状分布的流线和均匀细小的晶粒， 增加了零件的强度。同时，由于金属沿着模腔的形状流动，使外露出来的端面流 线最少，减少了可能引起的应力腐蚀和裂纹，提高了锻造叶片型面的质量可靠性； 与普通模锻叶片相比，精锻叶片可节省2 0 2 5 的金属材料，材料利用率可以 达到5 0 以上，一台现代舷空发动机有上于件叶片，其中锻造叶片占8 0 以上， 而精锻叶片的数量也占锻造叶片的8 0 - - 9 0 t l o l ：精锻叶片型面和榫头缘板内 侧不需要机械加工，可以减少大量的金属切削和机械加工工时，缩短机械加工过 程，其技术、经济效益十分显著。因此，国内国外叶片生产厂家都在积极研究叶 片精锻工艺。 目前，国外已经能大批量生产叶身无余量的各种尺寸的叶片精锻件，如英国 罗一罗0 o l l s r o y c e ) 公司设计制造的叶片，除了榫头局部进行少量的机械加工 外，叶身型面、榫头内缘面部分、甚至叶身上的阻尼台都不需要机械加工，保证 了完整的锻造金属流线，不仅节省金属材料，减少机械加工工时，大大降低了叶 片的制造成本，并能够大批量生产。英国唐卡斯特曼克布瑞克公司的精锻叶片 单面余量小叶片为0 2 5 毫米以下，长5 0 0 毫米以上的大叶片单面余量为0 5 毫米。 奥地利鲍勒( b o c h l e r ) 公司所生产的精锻叶片的尺寸和形状公差，一般为叶身 长度的千分之一】。 我国相关研究单位和航空制造企业紧密合作，在借鉴国外先进技术的基础上 展开了大量研究。围绕着叶片精锻技术研究，采用引进和自我开发相结合的办法， 搠有了一些精锻设备和工装，如：西安航空发动机集团公司、无锡叶片厂、南京 整二至鱼笙 五一一厂等，具有生产中小型精锻合金叶片的能力。其中西安航空发动机集团公 司的精锻叶片生产线，其工艺和设备具有较高的水平【8 】。但是我国的叶片精锻在 对锻件尺寸、几何形状、组织性能的主动控制等方面的整体水平同国外相比，仍 有定差距。 由于传统的叶片精锻工艺设计方法是在依靠设计经验的基础上反复试模而 成，这样的设计方法费时费力，且在很大程度上依赖于设计者的经验水平。因此， 传统的设计方法很难满足精锻技术少余量或无余量的高精度要求。随着计算机技 术的迅猛发展，很有必要利用计算机对精锻技术进行辅助设计。 1 2 2 锻模c a d 及其发展方向 模锻工艺由于可以获得理想的金属流线、改善金属材料性能和降低材料消耗 等优点而被广泛采用p l 。传统的锻模设计方法在很大程度上依赖于设计者的经验 和技巧。计算机辅助设i , t ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，c a d ) 的发展和应用水平已成为 了- ? 个衡量国家工业现代化水平的重要标志之一。计算机辅助设计锻模时，因为 建立了较好的数学模型，可以大大减少对设计者个人经验的依靠，增加了设计结 果的可靠性，还具有节省劳动力、提高材料利用率和延长模具使用寿命等优点。 自2 0 世纪7 0 年代以来锻模c a d 得到了迅速发展。目前，在工业发达国家一些公司 已大量使用c a d c a m 系统设计和制造锻模。 锻模c a d 是在人的参与下，以计算机为中心，对锻造工艺及其模具进行最优 化设计的整套系统，其中包括数据检索、工艺计算、方案拟定、自动绘图和打 印出设计图纸。开发锻模c a d 系统的目的是以计算机为基础模拟和优化模锻工艺 过程，辅助设计锻造工艺参数、锻件和锻模，估算锻压设备吨位，从而大大缩短 生产准备周期，降低材料消耗和生产成本，排除技术人员在设计工作中的主观错 误。模锻工艺过程是受许多参数影响的复杂系统，计算机辅助可以正确描述这些 影响因素，建立模锻工艺设计的客观基础，通过建立数学模型确定工艺过程的最 优解决方案坤j 。 在国外，c a d 技术较早的就应用于叶片锻造的设计与制造。西德的d e n t s h e e d e l s t a h ，美国的t r w 和b a t t l ec o l u m n 实验室等先后开发出了具有不同功能的叶 片锻摸c a d c a m 系统，输入叶片的典型横截面，设计型槽截面就可以与数控程序 系统a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e d r o d s ) 联接进行数控编程眠 国内自8 0 年代初期，北京机电研究所以二维软件a u t o c a d 为基础研究锻 造工艺及锻模c a d 系统，使用f o r t r a n 语言编制二维锻造成形模拟软件 m a f a p 软件；南京高等机械专科学校以工程数据库和a u t o c a d 绘图软件包构 成自由锻工艺及模具c a d ；上海交通大学国家模具c a d 工程研究中心开发金属 4 西北t 业大学硕士学位论文 成自e h 锻工艺及模具c a d ；上海交通大学国家模具c a d 工程研究中心开发金属 塑性成形过程有限元分析软件s - f o r m 。但这些软件主要以二维软件为支持平 台，尚不能满足复杂锻模设计和制造的需求，基于三维软件为平台的锻模c a d 系统的研究，将是其发展的方向。 西北工业大学材料加工工程系的基于u g i i 的叶片锻模c a d 系统，该系统是以 u g 软件为平台，用g r j p 语言对u g 软件进行的二次开发，涉及叶片计算、叶身 建模、分模面、毛边槽等，最后生成叶片锻模实体。该系统在叶片锻模设计过程 中各模块的功能划分不明确，对软件的操作人员的水平和经验要求较高：能够设 计的叶片模具的类型有限，只能对简单的叶片进行设计，对结构复杂的叶片没有 再深入的研究。 上海交大在智能注塑模成型方面的研究实现了c a d c a e 的并行集成。上海 交大的雷永剐、彭颖红、张子公实现了基于实例推理( c b r ) 的同构模具工艺设计 模型，对于结构相同或相似的模具，采用基于实例推理的方法设计工艺模型，系 统在工艺知识库和工艺实例库的支持下，接受c a d 的零件模型，经过实例推理， 对于结构系相似的模具设计出工艺模型。 目前，我国已具有生产中小型精锻叶片的能力，但在对锻件尺寸、几何形状、 组织性能的主动控制方面同国外相比，仍有一定差距。锻模c a d 虽有许多优越 性，并且应用越来越广泛，但是目前国内的锻模c a d 系统不同程度地存在以下 闷题： 设计过程、生产过程中产生的数据、文档等，都是以纸介质形式存放的， 停留在传统的数据管理方式上； 净进行锻件图设计时需要重新输入产品设计数据，造成设计工作的重复； 缺乏对锻件制造工艺知识的总结和提炼，有效的工艺知识无法重用，使 得工艺设计效率难以提高； c a d 造型、c a p p 工艺编制、c a m 程序、锻造过程仿真等没有关联使 用，停留在各自孤立的状态下，缺乏信息共享； c a d 造型没有统一的规范，数据描述的不统一。在锻模c a d 系统的各子 系统之间，锻模c a d 系统与其它应用软件之间，常常因为使用的数据模 式不同而产生接口问题： 任务接收流程、审批流程、更改流程等是手工传送纸介质图纸完成的， 不能适应信息化的要求。 针对目前存在的问题，锻模c a d 技术应由过去的单一模式、单一功能、单一 领域向标准化、集成化、智能化、网络化方向发展。主要体现在以下儿个方面： n 、c a d ，c a m c a e c a p p 一体化乃至虚拟制造 第一章绪论 三维c a d 的模型包含t c a e 系统所需的属性，是c a d 系统能进行c a e ：作的 前处理和后处理，将信息方便地与c a e 系统进行交换，实现c a d 与c a e 的集成， 极大地提高了产品的设计水平和设计质量。 c a d c a m c a e c a p p 及虚拟制造产品的丌发过程包括设计、分析、制造、 文件编制等多个环节。实现“甩图板”的c a d 应用工程的目标之后，实现产品开发 过程各环节的计算机集成，即c a d ，c a m c a e c a p p 集成成为必然。通过将c a d 系统设计得到的产品信息用于产品开发的其它环节，不仅能更进一步实现c a d 技术的最终目标计算机辅助设计，而且能够实现信息资源的有效共享。实现 c a d c a m c a e c a p p 技术的集成，关键在于建立统一的产品模型以及开发基于 产品模型的c a d 系统，特征造型系统则是c a d 系统的核心。三维c a d 能, 为c a m 和c a e 系统提供设计的基础信息，通过特征技术等实现c a d 与下游c a m 、c a e 、 c a p p 等应用系统的信息集成【8 j 。 p d m 技术是这一方向发展的一个较好的集成平台，能够满足锻模c a d 、 c a m 、c a e 、c a p p 等技术的集成化、智能化、网络化和并行工程。当然，要使 锻模设计由一个智能化的c a d 系统完全自动地进行，即实现设计过程的自动化及 锻模的几何信息和非几何信息的统管理，还需要一个相当长的时期和相当多的 工程技术人员的努力。 虚拟制造实际上可以看作c a d c a m c a e c a p p 集成化发展的最高层次。虚 拟制造强调在实际投入原材料于产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的 相关分析，以保证制造实施的可行性，是主要基于产品模型、仿真分析技术、可 视化技术以及虚拟现实技术f l 勺，在计算机内完成包括加工、装配等制造活动的制 造技术。虚拟制造同样以产品模型为核心，但是虚拟制造中的产品模型彳i 仅考虑 最终成品，而且考虑产品的毛坯和半成品模型。另外，虚拟制造所考虑的制造资 源、制造环境等，也必须以数字化模型的形式建立在计算机内。虚拟制造在实际 投入原材料于产品实现之前，完成产品设计与制造过程的全面仿真、分析，保证 了产品制造的可行性。 ( 2 ) 优化设计与智能设计 智能c a d 不仅仅是简单地将现有的智能技术和c a d 技术相结合，更深入研究 人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟，是人工智能中的专家系统技 术、实例推理技术、约束满足技术、神经网络技术等在c a d 技术研究中的广泛应 用。设计的最终目的在于产生多个满足各种要求和约束的设计方案，并从中选择 和确定最优方案，随着技术系统日益复杂，技术问题增多，传统的优化技术不能 完全适合解决问题【1 2 1 。因此，工程广义优化设计方法与技术的研究及应用受到重 视。工程广义优化设计方法与技术以产品的全系统、全性能、全过程优化为目标， 西北工业人学硕十学位论文 集建模、寻优、分析、再设计为一体。采用基于大量基础知识和专业知识的全系 统、全性能建模，运用多种传统和先进的优化方法实现并行的寻优，并且运用可 视化等技术对寻优过程和优化结果进行分析，提供再设计建议。优化设计技术或 智能c a d 技术，在更高的创造性思维活动层次上将给予设计人员有效的辅助，是 真正意义上的计算机辅助设计1 2 】。 1 3 研究目的及意义 发动机叶片是航空发动机中形状复杂、材质和性能要求较高的一类量大面广 的重要零件。它在航空发动机中起着能量转换的作用，是航空发动机的1 b 脏”， 因此，提高叶片的设计水平和制造水平是一项重要的基础性：i ! 作。 航空发动机企业的发展要求叶片的制造向着强韧化、轻型化、精密和高效的 生产方向发展，由“接近零件形状”向“完全零件形状”发展。精锻成形技术适应了 这一要求，是叶片锻造生产发展趋势，同时，这也适应了绿色、清洁化生产的要 求。在我国积极推广应用叶片精锻工艺，对提高我国航空工业叶片的锻造生产水 平和技术经济效益具有重要的实用价值j 。 目前航空发动机企业的叶片设计、制造基本都采用了计算机辅助设计，但是 应用水平都比较低。只是把以前的图纸信息变成了计算机保存的信息，没有专用 的叶片锻模设计软件进行应用。在设计、生产中涉及的设计计算、处理的数据等 虽然实现了计算机计算，但是数据的管理、传输、共享和重复利用等都不能实现 计算机操作。这在实际生产中造成“信息孤岛”和数掘版本的不一致，影响企业信 息化、自动化的发展。企业实施p d m ，能够实现有效的权限管理、文档管理、 版本管理、流程管理、产品结构管理等。在p d m 环境下，能实现c a d c a m c a e 等软件的有效集成，减少企业的生产周期，降低成本，减轻工作劳动强度，提高 企业的产品创新能力和竞争力。 本文选用u n i g r a p h i e ss o l u t i o n s 公刊( 简称u g s ) 公司的t e a m c e n t e r e n t e r p r i s e ( t c e n t e r p r i s e ) 系统为平台来创建p d m 环境，以u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 软件作为叶片精锻模c a d 二次开发平台。由于t e a m c e n t e r e n t e r p r i s e 软件和u g 软件之间由t c e n t e r p r i s e 的专用模块来完成两个系统的紧密集成，能满足企业 的大部分需求，并且能给企业提供有效的解决方案，实现企业产品的有效管理。 本文以某型号发动机叶片精锻模具为对象，建立一套数字化设计规范，实现p d m 环境下基于u g n x 3 0 的精锻模具设计流程与设计结果的管理。提高设计效率， 减少工艺人员的工作量，为整个企业实现数字化生产奠定良好的基础。 第。章绪论 1 4 本论文主要研究内容及章节安排 1 4 1 研究内容 本文以某型号航空发动机叶片精锻模具的设计为研究对象，在实施企业信 息化的背景下，提出在p d m 环境f 基丁u g 的精锻模具设计与结果管理。本文对 叶片精锻模具在p d m 环境f = _ 的文档管理、流程管理和b o m 结构设计进行了研究， 建立锻模的一套数字化设计规范；对u g 软件进行二次开发，实现叶片终锻件实 体模型、预锻件实体模型等的生成和平衡角、抗力中心等工艺计算，开发綦于 u g 的精锻模具设计系统。本系统可以提高叶片锻件设计和管理效率，减轻设计 人员的劳动强度，为航空发动机数字化设计制造奠定基础。具体内容如下： ( 1 1 精锻模电子文档管理 根据精锻模具的各个模型文件的特点，研究在p d m 系统中各个模型文件的组 织和管理。 ( 2 ) 精锻模设计流程管理 根据精锻模具的设计特点，研究在p d m 系统中人员的角色划分和模具设计流 程的定制和规划。 ( 3 ) 精锻模的b o m 结构 总结精锻模具中各套模具的特点，研究在p d m 系统中组织精锻模具的设计 b o m 结构。 ( 4 ) 锻件叶身型面数据转化 根据给定的叶片零件的型面数据，对型面数据加放余量，进行叶尖u 根和进 排气边的延伸，转化成叶片锻件的型面数据。 ( 5 ) 锻件叶身实体造型 根据转化得到的叶片锻件型面数据，对u g 进行二次开发，实现锻件叶身实 体自动造型。 ( 6 ) 建立榫头和凸台文件 总结榫头和工艺凸台的形状特点，提取它们的形状控制参数，利用u g k f 技 术编制程序，实现榫头和工艺凸台三维实体模型的参数化造型，用。根据设计要 求在对话框中输入参数，系统会自动生成相关的三维模型。根据叶身、榫头和凸 台三者的坐标关系进行布尔并运算，生成叶片锻件实体。 ( 7 ) 毛边槽设计 毛边槽由叶身桥部、榫头桥部、仓部三部分组成，宽度与高度可根据需要由 用户决定。 西北工业大学硕k 学何论文 ( 8 ) 终锻模造型 将模块与叶片实体做布尔运算，得到终锻上模与下模。 ( 9 ) 锻模数据计算 ( 1 0 ) 用户界面开发 1 4 2 章节安排 论文全文共分为六章，各章节内容安排简单介绍如下： 第一章：绪论 介绍论文的研究背景、研究目的及意义和课题来源。介绍了论文相关研究领 域，对研究现状做出分析，指出当前研究的不足之处，并提出论文的研究内容和 研究方向，最后介绍了论文的章节安排。 第二章：p d m 环境下精锻模c a d 系统设计 本章介绍了p d m 系统集成，在p d m 系统中文档管理、工作流程管理和设i , t 。 b o m 结构的规划和定制，使精锻模没计在p d m 系统中能够有序高效地进行； 最后提出了基于u g 进行开发的精锻模c a d 系统结构，实现总体规划。 第三章：精锻叶片终锻件设计及工艺计算 本章首先介绍了终锻件叶身型面设计中型面数据转化所需进行的计算理论 和依据，包括平衡角计算、进排气边余量延伸、n t4 失叶根延伸、叶身型面余量加 放和叶身的收缩和同弹，并介绍了叶身实体的造型方法；其次介绍了棒头的设计 计算和定位凸台的设计计算；还介绍了下料毛坯积聚工步计算等。 第旧章：叶片锻模的设计 本章介绍了叶片锻模设计中的毛边槽的设计方法和原则，然后介绍了锻模模 块的形状标准、锻模模块型槽变形抗力的计算和锻模模块的造型。 第五章：精锻模c a d 造型原型系统 本章介绍了系统的丌发环境，采用的升发方法，原型系统的体系结构和特点 等，最后以叶片终锻件设计为例，对原型系统的在p d m 环境下的部分功能作了 介绍。 第六章：总结及展望 对系统的实现进行了回顾，并总结了该系统的几大特点，对本文的研究内容 进行了总结，并对系统的进一步开发和叶片设计的深入研究方向提出了展望。 西北工业火学硕l 学位论文 第二章p d m 环境下精锻模c a d 系统设计 2 1p d m 集成环境简介 随着企业在其产品设计和生产过程中开始使用c a d 、c a m 、c a e 等新技术， 在促进生产发展的同时也带来了新的挑战。对制造企业而言，虽然各单元的计算 机辅助技术已经日趋成熟，但各自动化单元自成体系，彼此之间缺少有效的信息 沟通和协调，形成了“信息孤岛”。产品数据管理( p d m ) 这一新的管理技术能够实 现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理，使企业在市场竞争中保持领 先地位。它能提供产品全生命周期( 包括市场需求调研、产品开发、产品设计、 生产制造、销售、售后服务) 的信息管理，并可在企业范围内为产品设计和制造 建立一个并行化的协作环境【4 3 】。 p d m 系统主要包括以下几个功能：电子文档管理、工作流程管理和产品配置 管理、分类与查询和项目管理等。p d m 系统能够实现分布环境中的产品数据共 享，为异构计算机环境提供一种集成应用平台。 t e a m c e n t e re n t e r p r i s e ( t c e n t e r p r i s e ) 是u g s 公司出品的解决产品全生命周期 管理的软件。它利用企业业务规则和角色定义，通过面向工作的集中视图为企业 相关用户提供所需的产品信息。它提供了以下基本功能： 允许企业的不同部门、供应商和业务伙伴使用单一数据源中共享的产品 信息； 将彼此割裂的信息资源整合为有意义的产品知识，再将这些产品知识在 以产品为中心的业务环境中展现出来； 支持所授权的用户参与自动化工作流程，这些流程体现了企业的信息 流、业务规则以及分配给每个用户的角色和职责； 支持产品生产流程下游的人员参与到产品早期设计阶段中来，支持所有 用户在任何时候、任何地点参与到产品的生命周期中来。 u g 是u g s 丌发的集c a d c a e c a m 为一体的三维参数化c a d 软件。该软件 提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真f 实现了数据 的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。u g 面向过程驱动的技术是虚 拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品以及精 确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并 行工程。 一 一 丝三兰! 型墅堑：! 堑塑堕! 些墨笙堡生 根据企业的需要实现c a d 、c a p p 、c a e 和c a m 系统集成，构建统一的集成 平台，本文选用u g s 公司的t c e n t e r p r i s e 系统为平台来创建p d m 吓境，l - 弘u g 软 件作为叶片精锻模c a d 次开发平a 口，t c e n t e r p r i s e 年n u g 之间山t c e n t e r p r i s e 的专用模块来完成两个系统之间的紧密集成。进行设计任务时，从t c e n t e r p r i s e 系统中启动u g ，其设计流程和结果也由t c e n t e r p r i s e 系统进行管理。系统集成 模式如图2 1 所示。 2 2 电子文档管理 图2 - 1 系统集成模式 p d m 电子文档管理的主要对象包括：源文件、设计文档、工艺文档、生产 管理、维修服务文档、专用文档等。在p d m 中，数据的访问对用户来说是完全 透明的，用户无需关心电子数据存放的具体位置，以及自己得到的是否是最新版 本，这些工作均由p d m 系统来完成。电子仓库( d a t av a u l t ) 是p d m 的核心，主 要是保证数据的安全性和完整性，并支持各种查询的检索功能。p d m 的电子文 档管理提供了对分布式异构数据的存储、检索和管理功能。在p d m 中电子数据 的发布和变更必须经过事先定义的审批流程后才能生效，这样就使用户得到的总 是经过审批的正确信息。 t c e n t e r p r i s e 的电子文档管理是以产品为中心，把产品f 包括零部件) 对象映 像为系统中的管理对象( i t e m ) ，每个对象巾都存放了产品整个生命周期中的所有 相关数据，如设计模型、技术明细、任务书、说明书、版本信息等。产品对象( i t e m ) 的版本( r e v i s i o n ) 记录了更改历史情况。如图2 - 2 所示。系统通过版本追踪来保证 用户取用的数据是最新有效的。而在每个版本下都挂有具体对象的描述信息，这 些信息通常是由各类应用程序产生的数据。 嘣北i 业人学硕十学位论文 某零件( 或部件) 一 fw n r ，击e 日：g 一 版本a ，、一 h 产品档寨w o r d 文档) l h 技术文档( c a d 文档) 卜 i c a d 应用程序 一h相皇燃。单】匈 匦 h 技术文档( c a 政档) f 图2 - 2 文f t 。版本芙系结构图 每个产品对象和对象版本均有一些基本的属性描述，如型号、材料、特性 等。不同类型的对象有不同的属性描述内容，用户可以按照这些属性内容来查询 所需的产品对象。产品信息的查询可以按照层次、相关、分类等方式进行，可以 随时获取工作状态信息，如工作中、签审中、已发布等。 t c e n t e r p r i s e 电子文档管理实现的功能包括： 夺图形文件信息编码、信息定义与编辑模块为用户提供图形文件信息的配 置功能，并根据用户定义的信息完成图形文件基本信息的录入与编辑； 夺图形文件入库与出库模块建立图形文件基本信息与图形文件的连接关 系，实现图形文件的批量入库和交互入库，并将指定的图形文件从数据 库中释放出来，传送到c l i e n t 端( 用户端) 进行操作。对于数据库中的图形 文件，支持c h e c k i n c h e c k o u t 功能，保证文件的完整性和一致性； 夺图形文件浏览模块可以浏览和显示通用格式的图形文件，并在审批时， 可将图形文档转为中性文档作批注，提供缩放( z o o m ) $ h 平移( p a n ) 功能， 能够利用浏览器可以对三维模型等图形文件进行测量、动态剖切； 夺图形文件批注模块提供快速、方便的批注功能，支持使用各种用于批注 的实体，包括复线、指引文字和云状线等，用户可以通过屏幕工具栏选 取批注工具，可以选择批注图层、名称、颜色和批注文件名。批注文档 可存放在独立的文档中，充分保护原始文档，批注中允许u n d o 操作； 夺支持文档按照业务特点进行分类，分类有利于提高检索效率和进行单独 的业务控制； 夺支持文件序列化自动编码，并允讶对序列化编码规则进行方便地修改和 扩充，管理对象( i t e m ) 可以有多种类型( 如成品、零件、装配件、模具、 检具等) 。每个列象由其编码( i t e mi d ) ；f h 名称( i t e m n a m e ) 来表示。其中， 第二章p d m 环境下精锻模c a d 系统设计 i t e mi d 是产品对象的唯一标识，其形式根据企业实行的编码姒则来实现 零部件的自动编码功能； 夺支持文本文件按照组织架构或数据特点设定不同的存储位置，将不同的 数据按照文件央分类存储。用户可以自定义文件夹和子文件央，文件夹 可以无限嵌套； 令支持按照文本文件属性( 如按照名称、编码、作者等) 进行检索( 支持中 文全文检索) ； 夺支持文本文件的电子发放流程管理，从而进一步保证数据发放的有效性 并减少人工文档发放的繁复工作； 夺提供文本文件模板功能，文本文件实例的创建可以通过模板来实现。文 本文件模板本身也具备版本控制机制，从而有利于提高文件管理的质量； 夺p d m 用户能够对数据库中的文件对象设定预定机制，一岜设定情况发生 ( 如版本更迭、内容改动) ，系统可以自动通过e - m a i l 通知订阅用户。 2 3 工作流程管理 图2 - 3 文什映射关系图 根据传统模具设计流程并结合p d m 的特点，对模具设计流程进行分析，从 以下两个方面来实现p d m 环境下的基于u g 的精锻模具设计流程： 在p d m 系统中定义各种具体流程 在p d m 系统中定义流程中各相关人员的角色 西1 l - r ：业大学硕+ 学位论文 2 3 1 精锻模具设计流程 分析模具传统设计流程在设计知识的积累、数据管理的安全性、数据的一致 性、数据流动效率等方面的弊端，结合企业的实际情况，在p d m 环境下的精锻 模具设计流程，如图2 3 所示： 图2 - 3p d m 平台f 的精锻模具设计流程 1 4 第二章p d m 环境下精锻模c a d 系统设计 1 任务接收 p d m 系统中，每个人员都有自己的用户名称。对于工艺室主任来说，使用 自己的用户名登录p d m 系统后，首先要检查自己的“任务管理列表”，如果有新 的设计任务则进行“接收”操作。接收任务后，分配某个工艺员来完成设计任务。 对于普通工艺员来说，登录系统后同样要查看“任务管理列表”，如果有新的 设计任务则进行“接收”操作。接收任务后，查看设计任务的说明，根据要求在 p d m 数据库中得到相关数据，比如精锻模具设计，要得到零件三维模型，零件 叶身截面线数据，零件说明文件等信息。 2 工艺方案论证 工艺员根据得到的零件信息，和其他相关人员进行讨论形成一个初步的框架 性的工艺方案，将这个方案存放到p d m 数据库中。此方案对后续设计起到指导 性的作用。 3 锻件设计 锻件设计是模具设