中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司 張耀平 陳金平 黨建衛(wèi) 楊 亮 武 杰

現(xiàn)代飛機(jī)普遍具有復(fù)雜的雙曲率氣動(dòng)外形，因而存在大量形狀隨外形曲率變化的長度可達(dá)10m以上的條形零件，其中以長桁最為典型，本文將這類零件稱為長桁類零件。作為承受機(jī)體載荷和支撐氣動(dòng)外形的重要承力件，長桁類零件在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中大量運(yùn)用。外形曲率變化復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特征多、成形精度要求高等特點(diǎn)使長桁類零件的制造工藝成為航空制造領(lǐng)域的重要研究方向。

目前長桁類零件最常用的加工方法是：首先將零件設(shè)計(jì)數(shù)模在三維CAD軟件中進(jìn)行展開設(shè)計(jì)，建立零件的工藝板坯數(shù)模；然后用三坐標(biāo)數(shù)控銑床加工出工藝板坯；最后采用彎扭成形等工藝將其成形為最終形狀。與傳統(tǒng)的直接采用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工的方法相比，這種加工方法效率高、節(jié)省材料、零件成形性能好。零件設(shè)計(jì)數(shù)模的展開設(shè)計(jì)是指從零件的設(shè)計(jì)數(shù)模出發(fā)，逆向求取其工藝板坯數(shù)模的過程，是零件設(shè)計(jì)數(shù)模向中間過渡數(shù)模的逆向轉(zhuǎn)換過程?？焖贉?zhǔn)確的工藝板坯數(shù)模展開設(shè)計(jì)方法對(duì)于提高零件加工質(zhì)量和效率、降低生產(chǎn)成本具有重要的工程意義。

在長桁類零件設(shè)計(jì)制造方面，一些研究人員和工程工作者開展了廣泛的探索研究和工程應(yīng)用。裴蕾等[1]對(duì)飛機(jī)長桁類結(jié)構(gòu)件進(jìn)行特征劃分，利用參數(shù)化技術(shù)建立與裝配環(huán)境相關(guān)聯(lián)的特征模型，實(shí)現(xiàn)了基于特征的飛機(jī)長桁類結(jié)構(gòu)件快速建模系統(tǒng)架構(gòu)。田愛萍[2]通過分析零件幾何特征，在掌握長桁類零件外形變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，成功將零件工藝板坯成形為設(shè)計(jì)形狀。展開設(shè)計(jì)方面，張賢杰等[3]通過開發(fā)零件外形曲面的最小差量協(xié)調(diào)展開算法，解決了飛機(jī)整體壁板類零件的展開計(jì)算。曹蔚等[4]提出一種針對(duì)下陷特征的展開算法，編程實(shí)現(xiàn)了該類飛機(jī)鈑金件的的自動(dòng)展開。然而，國內(nèi)目前鮮有關(guān)于長桁類零件工藝板坯數(shù)模展開設(shè)計(jì)的公開文獻(xiàn)。

為有效改善長桁類零件的加工工藝，提高加工效率，下文將基于零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成形工藝，提出一種在CATIA V5軟件中實(shí)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)數(shù)模向工藝板坯數(shù)模的展開轉(zhuǎn)換方法。同時(shí)，為避免零件成形過程中產(chǎn)生的延展變形造成的超差甚至報(bào)廢，進(jìn)一步描述在展開轉(zhuǎn)換過程中對(duì)該延展變形進(jìn)行前置補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

1 長桁類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

長桁類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)體現(xiàn)為：零件通過在基礎(chǔ)特征上添加局部特征形成，其中基礎(chǔ)特征是指包括T字型、工字型、Z字型等在內(nèi)的類型材結(jié)構(gòu)，局部特征是指在基礎(chǔ)特征上添加的切邊、凸臺(tái)、耳片、孔等局部結(jié)構(gòu)。零件設(shè)計(jì)數(shù)模的建模過程一般包括如下步驟：(1)基于零件與飛機(jī)氣動(dòng)外形的位置關(guān)系構(gòu)造零件基準(zhǔn)線，沿基準(zhǔn)線選取若干個(gè)位置(優(yōu)先選取有配合關(guān)系的位置或其他關(guān)鍵位置)，作出各位置處零件基礎(chǔ)特征的截面草圖；(2)以零件的基準(zhǔn)線為引導(dǎo)線，通過各截面草圖拉伸出基礎(chǔ)特征；(3)在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上添加零件的局部特征。

圖1是典型長桁零件及其建模過程示意圖，該零件由基礎(chǔ)特征和局部特征(切邊)構(gòu)成，其中基礎(chǔ)特征以基準(zhǔn)線為引導(dǎo)線，拉伸截面草圖獲得，切邊通過平面分割基礎(chǔ)特征獲得。后文將具體描述該零件工藝板坯數(shù)模的展開設(shè)計(jì)方法。

圖1 典型長桁零件及其建模過程Fig.1 Typical stringer structure and its modeling process

2 長桁類零件的展開設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)特征的展開

基礎(chǔ)特征的展開轉(zhuǎn)換精度直接決定長桁類零件工藝板坯數(shù)模的建模精度以及零件的最終成型質(zhì)量。展開設(shè)計(jì)時(shí)，首先任作一個(gè)平面作為展開平面，在展開平面上任意作一條與零件基準(zhǔn)線長度相等的直線作為展開基準(zhǔn)線；然后，在設(shè)計(jì)數(shù)模中作出截面草圖所在平面與長桁基準(zhǔn)線的交點(diǎn)，并將該交點(diǎn)映射到展開基準(zhǔn)線上。當(dāng)截面草圖不是平面圖形時(shí)，通過向平面投影的方法將其轉(zhuǎn)化為平面圖形；接著，通過局部笛卡爾坐標(biāo)系對(duì)零件的基礎(chǔ)特征進(jìn)行展開轉(zhuǎn)換，具體涉及2個(gè)環(huán)節(jié)：(1)分別在設(shè)計(jì)數(shù)模中各截面草圖所在平面與基準(zhǔn)線的交點(diǎn)處和展開基準(zhǔn)線上各對(duì)應(yīng)的映射點(diǎn)處建立局部笛卡爾坐標(biāo)系，2數(shù)模中局部笛卡爾坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向協(xié)調(diào)一致。以圖1所示的長桁為例，在設(shè)計(jì)數(shù)模中，以各截面草圖與引導(dǎo)線的交點(diǎn)為原點(diǎn)建立局部笛卡爾坐標(biāo)系OXYZ，坐標(biāo)軸方向如下：X軸沿各交點(diǎn)處零件基準(zhǔn)線的切線方向，Y軸沿各交點(diǎn)處零件底面的法線方向。在展開數(shù)模中，以各映射點(diǎn)為原點(diǎn)建立局部笛卡爾坐標(biāo)系O'X'Y'Z'，坐標(biāo)軸方向如下：X'軸沿展開基準(zhǔn)線方向，Y'軸沿展開平面法線方向，坐標(biāo)軸正向與設(shè)計(jì)數(shù)模中的OXYZ協(xié)調(diào)一致。(2)將設(shè)計(jì)數(shù)模的所有截面草圖通過各自的局部笛卡爾坐標(biāo)系OXYZ轉(zhuǎn)換到展開數(shù)模中的對(duì)應(yīng)局部笛卡爾坐標(biāo)系O'X'Y'Z'中，得到展開截面草圖，如圖2所示；最后，以展開基準(zhǔn)線為引導(dǎo)線，通過展開數(shù)模截面草圖拉伸出長桁的展開數(shù)模的基礎(chǔ)特征，結(jié)果如圖3所示。

圖2 截面草圖的局部笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換Fig.2 Transformation of section sketches by local Cartesian reference frame

圖3 基礎(chǔ)特征的展開結(jié)果Fig.3 Spread-modeling result of basic feature

2.2 局部特征的添加

在展開基礎(chǔ)特征上添加局部特征的基本思路為：首先，提取局部特征的特征點(diǎn)，通過特征點(diǎn)作零件基準(zhǔn)線的法平面，法平面與零件基準(zhǔn)線的交點(diǎn)即為特征點(diǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)；然后，與基礎(chǔ)特征的展開過程類似，以基準(zhǔn)點(diǎn)及其在展開基準(zhǔn)線上的映射點(diǎn)為原點(diǎn)分別建立坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)在展開數(shù)模中的定位。其中，特征點(diǎn)的提取原則是通過提取的特征點(diǎn)可以重構(gòu)局部特征。例如，本文示例長桁零件的局部特征是通過平面切割零件基礎(chǔ)特征形成的切邊，其特征點(diǎn)應(yīng)該是平面上不在一條直線上的3個(gè)點(diǎn)。將這3個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)換到展開數(shù)模中后，就可以構(gòu)造出展開后的切割元素，進(jìn)而構(gòu)造出切邊，具體過程如圖4～6所示。

需要說明的是，設(shè)計(jì)數(shù)模中切邊通過平面切割出來，該平面通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后，理論上應(yīng)該變成了曲面，而上述過程仍將其近似為平面。由于長桁類零件的彎曲曲率通常比較小，這種近似處理一般能夠滿足工程精度要求。另外，由于長桁構(gòu)造形式或展開工藝要求的不同，上述展開轉(zhuǎn)換過程往往會(huì)有所變化。個(gè)別工藝要求將零件靠近飛機(jī)氣動(dòng)外形的曲面展平，這類零件的展開設(shè)計(jì)過程可參考文獻(xiàn)[3]中描述的整體壁板的展開建模過程。

圖4 特征點(diǎn)的提取與映射Fig.4 Selecting and mapping of characteristic points

圖5 特征點(diǎn)的局部笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換Fig.5 Transformation of character points by local Cartesian reference frame

圖6 局部特征的展開結(jié)果Fig.6 Spread-modeling result of local feature

3 延展變形的前置補(bǔ)償

上述展開設(shè)計(jì)過程只是將零件設(shè)計(jì)數(shù)模簡單地展開為工藝板坯，而沒有考慮成形時(shí)的彈塑性變形。實(shí)際上，零件在彎扭成形過程中，外部作用力迫使零件內(nèi)部材料發(fā)生延展變形，導(dǎo)致零件成形后尺寸大于設(shè)計(jì)值。

處理這種延展變形的傳統(tǒng)方法是，成形前在零件端頭預(yù)留一定加工余量，裝配過程中將加工余量和延展變形量一并切除。然而，隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜度的不斷提高，零件局部特征的制造精度要求越來越高，傳統(tǒng)方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代高性能飛機(jī)零件的精度要求。在工藝數(shù)模設(shè)計(jì)過程中對(duì)零件的成形延展進(jìn)行前置補(bǔ)償是提高零件制造精度和實(shí)現(xiàn)無余量裝配的有效途徑。

環(huán)境溫度、成形工藝參數(shù)以及材料本身應(yīng)力狀態(tài)等因素的交錯(cuò)影響，導(dǎo)致零件延展變形的隨機(jī)性大，變形量難以精確計(jì)算。由于國內(nèi)關(guān)于這類延展變形產(chǎn)生機(jī)理的研究還不夠深入，通過試驗(yàn)測量獲取變形量是目前相對(duì)折中的方法。獲得變形值后，在零件展開設(shè)計(jì)過程中，通過下式修正映射點(diǎn)在展開基準(zhǔn)線的位置，即可實(shí)現(xiàn)延展變形的前置補(bǔ)償。

式中，對(duì)于基礎(chǔ)特征，L指板坯數(shù)模中相鄰兩映射點(diǎn)之間的展開基準(zhǔn)線的長度，M指原設(shè)計(jì)數(shù)模中對(duì)應(yīng)于L的基準(zhǔn)線的長度，試驗(yàn)測量數(shù)值N指將原設(shè)計(jì)數(shù)模不經(jīng)延展補(bǔ)償直接展開為板坯數(shù)模，并加工成形后M對(duì)應(yīng)的長度。對(duì)于局部特征，L指板坯數(shù)模中基準(zhǔn)點(diǎn)的映射點(diǎn)與展開基礎(chǔ)特征中的某一映射點(diǎn)之間的展開基準(zhǔn)線的長度，M指設(shè)計(jì)數(shù)模中對(duì)應(yīng)于L的基準(zhǔn)線的長度，試驗(yàn)測量數(shù)值N指將原設(shè)計(jì)數(shù)模不經(jīng)延展補(bǔ)償直接展開為板坯數(shù)模，并加工成形后M對(duì)應(yīng)的長度。

4 結(jié)束語

(1)快速準(zhǔn)確的長桁類零件工藝板坯展開設(shè)計(jì)方法，對(duì)于提高飛機(jī)數(shù)字化制造水平，縮短飛機(jī)研制周期具有重要意義； (2)文中描述的展開設(shè)計(jì)過程是以零件基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)進(jìn)行的。對(duì)于部分沒有設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線的零件，可嘗試通過人為構(gòu)造基準(zhǔn)線的方法實(shí)現(xiàn)展開設(shè)計(jì)；(3)目前的延展變形補(bǔ)償方法需要通過試驗(yàn)件獲得變形值，工藝成本大、制造周期長?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)研究延展變形的解析計(jì)算或有限元仿真方法，是進(jìn)一步完善長桁類零件成形工藝的必經(jīng)之路。

[1] 裴蕾，黃翔，王強(qiáng),等．基于特征的飛機(jī)長桁類結(jié)構(gòu)件快速建模系統(tǒng)研究. 飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議.南京：2011．

[2] 田愛萍．ARJ21復(fù)雜雙曲面長桁類零件彎扭復(fù)合冷成型方法．西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào), 2008(26)：11-13．

[3] 張賢杰,裴廣勇，王俊彪．基于UG的飛機(jī)整體壁板類零件數(shù)字化展開.航空制造技術(shù)，2003(2)：57-60．

[4] 曹蔚,甘忠,李立軍. 帶下陷航空鈑金零件展開及參數(shù)化建模研究. 鍛壓技術(shù), 2010,35(5)：148-151．