楊憶湄，王俊彪，劉 闖，譚 浩，李仁花，閆亞峰

（1.西北工業(yè)大學 陜西省數(shù)字化制造工程研究中心，陜西 西安 710072；2.中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團有限公司 模線設計室，江西 南昌 330024）

0 引言

框肋零件在飛機整體框架結(jié)構(gòu)中起到重要作用，大都位于機體尺寸和形狀的控制截面上，常用于機翼翼肋、機身隔框等處，多與蒙皮搭接，擔負著控制飛機外形、保證氣動特性的作用。由于飛機外形復雜程度增加，框肋零件多為變截面帶下陷，其結(jié)構(gòu)要素主要分為腹板和彎邊（包括下陷）。

現(xiàn)代飛機的發(fā)展使得其外形變化更為復雜，同時對疲勞性能、飛行壽命的要求也越來越高，對鈑金件的精度和質(zhì)量提出了更高的要求。要求制造出的鈑金件可以盡可能接近最終形狀，特別是要求盡量減少手工修正量，甚至不允許手工敲修，實現(xiàn)“一步法”成形[1]，提高產(chǎn)品品質(zhì)和外觀，以達到鈑金件精密成形的要求。

框肋零件主要采用橡皮囊液壓成形方式進行生產(chǎn)制造，在國外的現(xiàn)代化飛機制造廠中，橡皮成形零件占飛機鈑金件總量的50%以上[2]。橡皮囊液壓成形具有成形效率高、成形零件表面質(zhì)量好、成形模具為半模等優(yōu)點，然而同樣存在著鈑金件成形共有的回彈、起皺和破裂問題。其中，彎邊回彈問題是影響框肋零件成形質(zhì)量的突出問題。為了使板料在卸載后形狀與所要求的零件形狀一致，最有效的途徑為修正框肋零件成形模具彎邊部分的形狀。

由于現(xiàn)有回彈理論多數(shù)建立在二維基礎上，因此，參考模線樣板對鈑金零件信息進行表達與傳遞的方法[3]，韓盛夏與閆紅勇在對液壓成形模具設計技術的研究時，都提出了對零件進行了截面離散，采用離散截面來表達液壓成形零件的方法[2，4]。本文針對框肋零件單件數(shù)量少、品種多、尺寸變化大、變彎邊高度、變彎曲角度等結(jié)構(gòu)特征難以參數(shù)化表達的特點，開發(fā)了框肋零件彎邊回彈補償系統(tǒng)，提出應用方案并進行實例應用。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖 1所示，包括支撐層、數(shù)據(jù)層和應用層。

圖1 框肋零件彎邊回彈補償系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

（1）支撐層。支撐層包含系統(tǒng)運行所需的設備、操作系統(tǒng)等計算機硬件與軟件，對系統(tǒng)提供底層基礎支撐。

（2）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要包括框肋零件制造模型管理和框肋零件工藝模型設計知識管理，其中框肋零件制造模型包含了工藝模型、工裝模型、檢測模型等，框肋零件工藝模型設計知識包含XML數(shù)據(jù)文件、回彈預測與補償知識等。數(shù)據(jù)層對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲，提供系統(tǒng)所需的各項數(shù)據(jù)資源，保證系統(tǒng)的正常運行。

（3）應用層。應用層面向模型設計人員，主要包括彎邊離散與重構(gòu)、彎邊回彈預測與補償兩個模塊。彎邊參考面離散與重構(gòu)模塊基于CATIA進行二次開發(fā)，快速實現(xiàn)工藝模型設計過程；彎邊回彈預測與補償模塊通過Web瀏覽器操作數(shù)據(jù)庫，對模型設計過程提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 系統(tǒng)功能模塊

基于模塊化思想開發(fā)框肋零件彎邊回彈補償系統(tǒng)，其功能模塊如圖 2所示。

圖2 框肋零件彎邊補償系統(tǒng)功能模塊

其中，截面離散與信息提取功能快速實現(xiàn)彎邊的截面離散，輸出離散信息；曲面重構(gòu)功能快速實現(xiàn)各截面信息，重構(gòu)曲面；工藝參數(shù)設定功能用于設置零件材料參數(shù)、成形參數(shù)等相關工藝參數(shù)；截面信息導入與導出功能快速實現(xiàn)截面信息的讀入與輸出；回彈預測與補償計算功能快速實現(xiàn)各截面的回彈預測和補償計算得到修正后截面信息。

1.3 系統(tǒng)運行流程

框肋零件彎邊回彈補償系統(tǒng)運行流程為：首先在CATIA中對框肋零件設計模型各彎邊參考面進行處理得到工藝模型參考模型；應用截面離散與信息提取功能對工藝模型參考模型各彎邊進行離散，并輸出包含幾何信息的XML數(shù)據(jù)文件；將此數(shù)據(jù)文件導入框肋零件工藝模型設計知識庫，通過回彈預測與補償功能得到補償后幾何信息數(shù)據(jù)，并輸出包含補償后幾何信息的XML數(shù)據(jù)文件；應用曲面重構(gòu)功能讀取補償后幾何信息XML數(shù)據(jù)文件，完成工藝模型建模依據(jù)模型的構(gòu)造；最后以工藝模型建模依據(jù)模型為參考模型，完成工藝模型的建模。具體流程如圖3所示。

圖3 框肋零件彎邊回彈補償系統(tǒng)運行流程

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)與運行平臺

（1）彎邊離散與重構(gòu)模塊

為了讓用戶獲得更好的程序交互界面和高效的程序運行效率，并且易于以后功能的擴展，選擇使用CAA開發(fā)出插件，直接集成在CATIA應用程序環(huán)境中，即選擇面向?qū)ο蟮恼Z言開發(fā)環(huán)境Microsoft Visual Studio 2005（主要利用其中的Visual C++）作為二次開發(fā)平臺。選用CATIA V5R18軟件作為運行平臺。

（2）彎邊回彈預測與補償模塊

采用B/S結(jié)構(gòu)技術開發(fā)用戶界面和實現(xiàn)與相應接口之間的數(shù)據(jù)交換功能，選用Dorado5作為模塊開發(fā)工具，以Java為編譯語言，B/S結(jié)構(gòu)下的后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)選用MySQL。用戶使用Web瀏覽器登陸服務器進行操作。

2.2 系統(tǒng)接口設計

本系統(tǒng)接口設計如圖4所示。

3 系統(tǒng)應用

圖4 框肋零件彎邊回彈補償系統(tǒng)接口設計

3.1 應用方案

框肋零件彎邊回彈與補償系統(tǒng)安裝在模線設計所和鈑金廠，應用方案如圖5所示。由框肋零件工藝模型設計人員依據(jù)框肋零件設計數(shù)模，使用框肋零件彎邊回彈補償系統(tǒng)對框肋零件進行工藝模型數(shù)字化設計，得到彎邊回彈補償后的零件工藝數(shù)模；工裝設計所依據(jù)零件工藝數(shù)模完成其工裝數(shù)模的設計與制造；在鈑金廠對新淬火狀態(tài)的毛坯零件進行橡皮囊液壓成形，實現(xiàn)零件的“一步法”成形，對于不合格零件向模線所提出回彈補償申請；質(zhì)檢部門采用檢測模具或光學三維掃描儀對成形零件進行檢測，并向框肋零件彎邊回彈數(shù)據(jù)庫補充彎邊回彈補償知識，本文采用光學掃描儀評價其成形精度，以驗證本系統(tǒng)的正確性。

3.2 應用實例

圖5 框肋零件彎邊回彈補償系統(tǒng)應用方案

待成形框肋零件如圖6所示，為典型的帶下陷的凸彎邊框肋零件。零件材料為LY12，厚度為 0.8mm，彎邊各截面彎曲角度65°～84°，彎邊圓角半徑3mm，彎邊高度約為12mm，曲率半徑較大，成形主要質(zhì)量問題是回彈較大，采用橡皮囊液壓成形。

圖6 典型框肋零件

采用所開發(fā)系統(tǒng)，對零件彎邊進行離散與信息提取，首先通過信息提取對話框（見圖7），設置各離散參數(shù)與分段精度，完成彎邊的離散并輸出其離散信息XML文件。

圖7 信息提取對話框

在Web瀏覽器中調(diào)用彎邊回彈預測與補償模塊（如圖8），導入離散信息XML文件，進行截面回彈預測與補償，并將補償后信息導出為XML文件。

圖8 彎邊截面回彈預測與補償頁面

應用曲面重構(gòu)模塊（如圖9），讀取補償后XML文件，重構(gòu)彎邊曲面。

圖9 曲面重構(gòu)界面

依據(jù)回彈補償后彎邊曲面設計零件工藝數(shù)模、設計制造成形模具，零件毛料于新淬火狀態(tài)完成橡皮囊液壓成形，成形壓力250bar，保壓3s，橡皮硬度70A。

采用三維光學掃描儀和三維檢測軟件對成形零件進行分析檢測。如圖10、11所示分別為零件外形和零件彎邊彎曲角度3D偏差檢測云圖。

圖10 零件外形3D偏差檢測

圖11 零件彎邊彎曲角度3D偏差檢測

成形后此框肋零件彎邊外形公差要求為±5mm，彎邊彎曲角度精度要求為1°30′，換算為彎邊底線偏差為0.32mm。此成形零件除下陷過渡段超差0.1mm～0.2mm外，其彎邊外形、彎邊彎曲角度均達到成形精度要求。

4 結(jié)論

（1）基于CATIA V5的CAA工具開發(fā)了彎邊離散與信息提取、曲面重構(gòu)模塊，與CATIA無縫集成；采用B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)了彎邊回彈預測與補償模塊，可在Web瀏覽器中進行操作。框肋零件回彈補償系統(tǒng)界面友好，便于企業(yè)工藝設計人員使用。

（2）采用所開發(fā)的系統(tǒng)，對一典型框肋零件進行彎邊回彈補償，并進行工藝模型設計、成形模具設計與制造、橡皮囊液壓成形及成形零件彎邊檢測分析，結(jié)果表明所開發(fā)的系統(tǒng)是有效的，保證了框肋零件彎邊成形精度，提高了設計與制造效率。

[1]周士林.航空制造工程手冊飛機鈑金工藝[M].北京：航空工業(yè)出版社，1992.

[2]韓盛夏.基于回彈的液壓成形?？焖僭O計技術研究[D].沈陽：沈陽航空工業(yè)學院，2010.

[3]程志遠.航空制造工程手冊飛機模線樣板[M].北京：航空工業(yè)出版社，1993.

[4]閆紅勇.基于制造模型的橡皮囊液壓成形模具型面設計技術[D].西安：西北工業(yè)大學，2010.