渦輪葉片作為航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件之一.其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造質(zhì)量是影響發(fā)動機(jī)整體性能的重要因素。為使渦輪葉片能承受更高的溫度。現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)采用全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和超高溫合金。使用先進(jìn)的冷卻技術(shù)，通過渦輪葉片內(nèi)許多精細(xì)而復(fù)雜的冷卻通孔對葉片進(jìn)行對流、沖擊和局部氣膜冷卻。這種設(shè)計(jì)必然導(dǎo)致渦輪葉片具有復(fù)雜的內(nèi)型和外型。將大大增加其制造難度，延長其制造周期。如何提高航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的制造工藝水平，縮短制造周期，不僅是影響我國新機(jī)研制水平的核心問題;同時(shí)對于批量生產(chǎn)而言，也是影響我國航空工業(yè)的發(fā)展和國防安全建設(shè)的一個關(guān)鍵問題。目前，航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片主要采用無余量熔模精密鑄造輔以機(jī)械加工的工藝來完成。常規(guī)流程首先必須通過模具成型的方式獲取精密鑄造所使用的精確蠟型和陶瓷型芯.然后通過蠟?zāi)Ｆヅ鋲盒汀⒅茪さ戎敝镣瓿蛇@些航空產(chǎn)品的精密鑄造。在這一系列工藝過程中蠟型和陶瓷型芯精鑄模具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)是其"瓶頸"，是整個工藝過程中最復(fù)雜、周期最長的工藝。本文對CAPP(Computer Aided Process Planning)技術(shù)在渦輪葉片精鑄模具的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)中的發(fā)展和應(yīng)用作一介紹。

　　1 CAPP技術(shù)在模具制造中的作用

　　渦輪葉片等航空產(chǎn)品精鑄模具，是一種高科技產(chǎn)品。又是一種技術(shù)密集型產(chǎn)品，加之各國為了國防安全進(jìn)行嚴(yán)密的技術(shù)封鎖，因此現(xiàn)有渦輪葉片精鑄模具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平已成為影響我國航空發(fā)動機(jī)乃至現(xiàn)代航空工業(yè)發(fā)展的因素之一。

　　隨著工業(yè)的迅速發(fā)展。對模具工業(yè)的要求是：面對工業(yè)產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代。模具業(yè)應(yīng)做出敏捷的反應(yīng)。并能快速、高質(zhì)、低價(jià)提供所需的各類模具，來完成產(chǎn)品的制造。顯然，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)與制造模式是難以達(dá)到這種要求的。業(yè)已證明，要達(dá)到這樣的要求，唯一的出路是進(jìn)行模具工業(yè)的技術(shù)改造。用信息技術(shù)帶動和提升模具工業(yè)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平，是推動模具工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　CAPP是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)協(xié)助工藝設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的一種技術(shù)。是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支撐的信息時(shí)代環(huán)境下的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)相比，它在設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率等各方面都發(fā)生.了質(zhì)的變化。其主要優(yōu)點(diǎn)在于，CAPP可以使工藝設(shè)計(jì)人員擺脫大量、繁瑣的重復(fù)勞動;縮短工藝設(shè)計(jì)周期，保證工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高產(chǎn)品的市場競爭能力：提高產(chǎn)品工藝的重用性，最大限度地利用現(xiàn)有資源，降低生產(chǎn)成本;使沒有豐富經(jīng)驗(yàn)的工藝師設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的工藝規(guī)程，以緩解當(dāng)前制造業(yè)工藝設(shè)計(jì)任務(wù)繁重但缺少有經(jīng)驗(yàn)工藝設(shè)計(jì)人員的矛盾;有助于推動企業(yè)工藝設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和工藝管理的科學(xué)化。目前.我國在采用CAPP技術(shù)設(shè)計(jì)和制造模具方面。無論是從應(yīng)用的廣泛性還是技術(shù)水平上來看。都與發(fā)達(dá)工業(yè)國家存在較大的差距。尤其是在應(yīng)用CAPP技術(shù)進(jìn)行工藝過程設(shè)計(jì)方面，效果很不理想，需要進(jìn)行大量的標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)工作。

　　目前。某些數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)室對結(jié)構(gòu)復(fù)雜盼渦輪葉片在UG二次開發(fā)的基礎(chǔ)上完成了精鑄模具3D設(shè)計(jì)及裝配干涉仿真.制造過程主要采用數(shù)控加工及特種加工的方式，但工藝過程設(shè)計(jì)現(xiàn)仍采用傳統(tǒng)的手工編制的方式。致使設(shè)計(jì)與制造完全脫離。手工編制工藝的主要瓶頸表現(xiàn)在：要求設(shè)計(jì)人員具有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)過程任務(wù)過于繁瑣、工藝數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性難以保證以及信息集成度低等方面。渦輪葉片精鑄模具的結(jié)構(gòu)和活塊零件的形狀較復(fù)雜.工藝設(shè)計(jì)易受到諸如企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、制造資源、生產(chǎn)批量、工藝習(xí)慣、工藝方法、工藝設(shè)計(jì)人員工藝水平等因素的影響：隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)水平的不斷發(fā)展.現(xiàn)行通用CAPP系統(tǒng)在對渦輪葉片精鑄模具的工藝設(shè)計(jì)過程中無法針對具體產(chǎn)品、具體制造環(huán)境做到高質(zhì)高效的應(yīng)用。因此，針對數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的資源環(huán)境和工藝人員的使用需求，開發(fā)實(shí)用型渦輪葉片精鑄模具CAPP系統(tǒng)具有重要意義。

　　2 實(shí)用型渦輪葉片精鑄模具CAPP系統(tǒng)的主要內(nèi)容

　　工藝設(shè)計(jì)就是為被加工零件規(guī)定合理的工藝過程、工藝操作規(guī)程、工藝裝備和工藝參數(shù)等，它是一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)且隨著制造環(huán)境的變化而多變的決策過程，是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制造的橋梁，它的質(zhì)量和效率直接影響企業(yè)制造資源的配置與優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)組織效率、產(chǎn)品成本與制造周期等方方面面。當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展。產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁，多品種、小批量的生產(chǎn)模式已占主導(dǎo)地位，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)制造業(yè)的發(fā)展需要。其主要表現(xiàn)在于采用人工設(shè)計(jì)方式。設(shè)計(jì)任務(wù)繁瑣、重復(fù)工作量大、工作效率低：設(shè)計(jì)周期長，難以滿足產(chǎn)品開發(fā)周期越來越短的需求：受工藝人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平限制，工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量難以保證;設(shè)計(jì)手段落后，難以實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)的重用性、規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)化和科學(xué)化。顯然。傳統(tǒng)工藝，設(shè)計(jì)方式已不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)的要求。

　　針對在PDM、網(wǎng)絡(luò)和并行工程環(huán)境下中小型航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)制造中遇到的難題.深入研究航空產(chǎn)品精密模具先進(jìn)設(shè)計(jì)和制造方法.以及現(xiàn)有設(shè)計(jì)體系中的專業(yè)軟件、工程數(shù)據(jù)等資源的信息集成的相關(guān)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)"渦輪葉片精鑄模具CAPP系統(tǒng)"的重要內(nèi)容。

　　工藝規(guī)程設(shè)計(jì)是CAPP最基本和最核心的功能。針對數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的制造環(huán)境，深入研究工藝規(guī)程設(shè)計(jì)理論并開發(fā)實(shí)用型渦輪葉片精鑄模具工藝規(guī)程設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)，整合重復(fù)性工作，尋找工藝規(guī)劃規(guī)律，規(guī)范工藝規(guī)劃過程，提高信息集成度，對于降低設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，縮短工藝規(guī)劃周期，增強(qiáng)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)時(shí)效性具有重要意義。同時(shí)。可以為深入開發(fā)渦輪葉片精鑄模具CAPP系統(tǒng)及數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)室全面實(shí)施信息化制造打下良好的基礎(chǔ)。

　　3 CAPP發(fā)展歷史回顧

　　CAPP在制造領(lǐng)域內(nèi)，工藝設(shè)計(jì)自動化是發(fā)展最遲的一部分。早在1952年美國麻省理工學(xué)院就已研制成功NC機(jī)床.在1963年又發(fā)表了CAD的研究成果。而且NC技術(shù)、CAD技術(shù)很快就在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了應(yīng)用，自動化、柔性化的程度越來越高。而由于工藝過程設(shè)計(jì)涉及的因素非常的廣泛.隨機(jī)性大，很難用簡單的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，所以工藝設(shè)計(jì)長期處于手工操作和憑借經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)。以至于效率低下。世界上最早進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)自動化研究的國家是挪威。他們從1966年開始研制。到1969年正式發(fā)表了世界上第一個CAPP系統(tǒng)--AUTOPROS系統(tǒng)。它是根據(jù)成組技術(shù)原理.利用零件的相似性去檢索和修改標(biāo)準(zhǔn)工藝來制定相應(yīng)零件的工藝規(guī)程。AUTOPROS系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起了世界各國的普遍關(guān)注。接著，美國的CAM-I公司也研制出了在CAPP史上具有里程碑意義的CAPP系統(tǒng)。它的工作原理也是基于將零件按成組技術(shù)分類系統(tǒng)進(jìn)行編碼，形成零件族，再建立零件族的標(biāo)準(zhǔn)工藝，并通過對標(biāo)準(zhǔn)工藝文件的檢索和編輯產(chǎn)生零件的工藝規(guī)程。在隨后的30多年時(shí)間里，CAPP一直處于研究的高潮。并研制出了許多的CAPP系統(tǒng)。比較著名的有美國1976年開發(fā)的APPAS系統(tǒng)(適用于所有零件);美國工藝研究中 (UTRC)1971年開發(fā)的CPPP系統(tǒng)(適用于回轉(zhuǎn)零件);阿亨工業(yè)大學(xué)1980年研制的回轉(zhuǎn)體或板狀零件的CAAP系統(tǒng)-AUTAP;還有美國切削研究協(xié)會(Met cut)研制的AUTOPLAN系統(tǒng)等等。各國CAPP系統(tǒng)主要集中用于回轉(zhuǎn)體零件，其次為棱柱形零件和板塊類零件，其它非回轉(zhuǎn)類零件應(yīng)用較少。我國由于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起步較晚等原因。對CAPP的研究始于上世紀(jì)80年代初期，但與世界先進(jìn)水平相距不遠(yuǎn)。特別是在國家863/CIMS計(jì)劃的支助和推動下。近年來CAPP技術(shù)已取得很大的成績。國內(nèi)最早開發(fā)的CAPP系統(tǒng)是同濟(jì)大學(xué)的修訂式TOJICAP系統(tǒng)和西北工業(yè)大學(xué)的創(chuàng)成式CAOS系統(tǒng).完成時(shí)間都在上世紀(jì)80年代初;最早開展CAD/CAPP/CAM智能集成化研究與原型系統(tǒng)開發(fā)的是清華大學(xué)(用于國家CIMS實(shí)驗(yàn)工程的箱體類零件，1987～1993年)和西北工業(yè)大學(xué)(用于國家CIMS實(shí)驗(yàn)工程的回轉(zhuǎn)體零件，1987～1993年);第一個有重要實(shí)用價(jià)值、并取得突出社會和經(jīng)濟(jì)效益的智能集成化FA-CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)是由西北工業(yè)大學(xué)、航空部625所在成都飛機(jī)工業(yè)公司開發(fā)的(1991～1994年)，其中由西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)的FA.CAPP分系統(tǒng)在工藝過程設(shè)計(jì)上是完全自動決策的創(chuàng)成式專家系統(tǒng)(1999-2000年)。

　　從上世紀(jì)80年代開始，人們探索將人工智能、專家系統(tǒng)等技術(shù)應(yīng)用于工藝過程設(shè)計(jì)的研究中，研制成功了所謂基于知識的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)或CAPP專家系統(tǒng)。近10年來.開始將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊推理以及基于實(shí)例的推理等技術(shù)用于工藝設(shè)計(jì)之中，并進(jìn)行了卓有成效的實(shí)踐。同時(shí)將傳統(tǒng)派生法、傳統(tǒng)創(chuàng)成法與人工智能結(jié)合在一起，綜合它們的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)造了所謂的混合式CAPP系統(tǒng)。但是，由于工藝過程設(shè)計(jì)是一門經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的科學(xué)，這使CAPP開發(fā)存在許多難題。所開發(fā)的系統(tǒng)，多數(shù)都是原型系統(tǒng)，知識數(shù)量少，功能有限，難以滿足實(shí)用化要求。其應(yīng)用的廣度和深度與企業(yè)的實(shí)際需要相差甚遠(yuǎn)，得到實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)僅為極少數(shù)。

　　4 CAPP的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　(1)發(fā)展緩慢。迄今為止，盡管在研究和開發(fā)工作中進(jìn)行了各種努力，并開發(fā)了許多CAPP系統(tǒng)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上CAD、CAM發(fā)展的步伐。

　　(2)應(yīng)用情況不盡人意。到目前為止，應(yīng)用于工廠的CAPP系統(tǒng)大多只能完成用計(jì)算機(jī)代替手工操作的作用.大多數(shù)功能還得依靠人機(jī)交互或手工來完成，其完成的功能有限.難以在生產(chǎn)過程中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

　　(3)CAPP的開發(fā)和應(yīng)用處于孤島狀態(tài)。目前，仍有85%以上的工藝規(guī)程還是手工編制的。即使采用了CAPP系統(tǒng)的企業(yè).其CAPP系統(tǒng)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃、工時(shí)定額、材料定額等活動是隔絕的，這種孤立的CAPP沒有充分考慮到制造資源的實(shí)際情況。難以適應(yīng)環(huán)境的變化，這大大的限制了其柔性和應(yīng)用的推廣。

　　總之，CAPP的發(fā)展仍處于探索階段.尚存在許多問題需要解決。目前，CAPP技術(shù)的研究和發(fā)展有兩種趨勢：一是技術(shù)化趨勢，即在原有CAPP的開發(fā)模式、體系結(jié)構(gòu)框架內(nèi)。結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、信息等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展，采用新的決策算法、發(fā)展新的功能，并已在并行、智能、分布、面向?qū)ο蟮确矫孢M(jìn)行著有益的嘗試。二是實(shí)用化趨勢。即跳出幾十年來延續(xù)下來的CAPP傳統(tǒng)模式，面向具體生產(chǎn)環(huán)境，面向?qū)嶋H應(yīng)用，面向最基本的需求.利用成熟的技術(shù)，建立各種計(jì)算機(jī)輔助功能模塊。幫助工藝人員高質(zhì)高效地完成工藝任務(wù)，通過廣泛、實(shí)際的應(yīng)用促進(jìn)其發(fā)展。