陳明英,謝飛舟,張同利

（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，技術裝備公司，成都 610092）

風擋零件是飛機前機身座艙段的重要部件，它的透光度（表面畸變率）直接影響到飛機的使用和飛行員的安全[1]。飛行時，風擋零件既要承受各類載荷作用，又要抵抗各種外來物的撞擊，還要為飛行員提供清晰的視野，因此，其性能要求非常高[2]。而用于成型圓弧風擋的工裝，其表面光潔度及母線直線度更是要求為圓弧風擋零件制造精度的1/3—1/5。航空工裝是制造飛機零件及裝配的必備裝備，航空企業(yè)的工裝設計和制造水平代表著企業(yè)的飛機制造水平，也是飛機制造的關鍵技術之一。航空工裝的設計、制造水平的提高是航空制造技術發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)之一。國際上波音公司、空客公司的飛速發(fā)展都得益于航空工裝技術的快速發(fā)展[3]。

近年來，我國的航空工裝設計制造飛速發(fā)展，但也存在一些亟待解決的問題。就飛機圓弧風擋玻璃成型而言，長期以來，J7系列飛機風擋圓弧玻璃分塊制造，其工裝制造采用傳統(tǒng)的按樣板、樣件加工模具型面的模式，制造工序多，生產周期長。隨著航空技術的發(fā)展，對飛機的氣動外形要求越來越苛刻。目前，J10飛機采用外形更加流暢視野更加開闊的整體圓弧風擋玻璃。傳統(tǒng)的圓弧風擋工裝，已難以滿足越來越高的成型零件精度需求。其制造工藝，也難以適應現階段快速、精確的成型工藝裝備的加工要求。

本文研究了數字化加工技術在飛機整體圓弧風擋工裝制造的應用，取代了過去通過靠模，樣件協(xié)調加工的方法，通過數字化制造工藝，顯著提高了工裝表面質量、縮短了制造周期，成型出了合格的整體圓弧風擋零件，保證了其相關技術要求。

1.圓弧風擋成型工裝傳統(tǒng)加工方法

J7系列等老機型飛機使用的是圓弧風擋組合件。圓弧風擋組合件由中間一塊、兩側各一塊共三塊風擋玻璃組成。J7系列圓弧風擋成型模具主要采用傳統(tǒng)的加工方法，即：利用靠模銑削加工，然后取過渡模利用正反模型墊料厚協(xié)調制造，或按樣件協(xié)調制造。

以制造J7Ⅱ飛機風擋組合件為例，J7飛機風擋組合件成型模具采用模擬量傳遞加工技術，即按樣件制造航空模具的方法（見圖1）。

圖1 傳統(tǒng)圓弧風擋成型模制造流程圖

具體方法：按樣件分段、分截面反復修配出反型面的木模型面框（此框的型面即是風擋零件的型面），風擋零件的型面?？吭谀灸？騼?，抽真空將風擋玻璃完全吸附在框型面上，保壓成型后，再按木模型面框檢驗。該方法制造出的模具型面誤差為0.2—0.3 mm，局部高達0.5 mm及以上。成型模具余量不均勻，后續(xù)的鉗工修配量非常大。顯然，這樣的傳統(tǒng)的依靠“模擬量”傳遞的制造工藝工序繁瑣，生產周期長，后序鉗工修模工作量大，且其成形零件精度難以滿足如今整體圓弧風擋更高的要求。

2.整體圓弧風擋零件及其成型工裝的技術要求

整體圓弧風擋零件的材料為“定向聚甲基丙烯酸板材”?，F代飛機對整體圓弧風擋零件的形位精度、表面質量、成型性能、成型過程穩(wěn)定性以及產品合格率等要求都非常嚴格，其主要技術要求如下：

在透過圓弧風擋零件觀察用于檢測表面質量的網格檢測板時不能有折光和波紋（標準要求飛行器圓弧風擋零件表面光學畸變率≤1/8），確保飛行員觀查外部事物的真實性和清晰度，（見圖2）。圓弧輪廓度的偏差一般不小于0.5 mm，不平滑度小于 0.05—0.15 mm，零件表面霧度≤Ra1.6，58%≤定向度≤70%[4]。因此，對圓弧風擋成型模具型面的精度要求更嚴格：彎邊的精度要求控制在-0.1—0.2 mm。模具型面母線直線度每1600 mm≤0.15 mm。模具型面不僅要緊密貼合圓弧風擋零件，并且要有良好的、穩(wěn)定的質量和性能。常溫檢測50 mm范圍貼模度變化率為0.3≤貼模度≤1。

圖2 網格檢查零件表面霧度、母線直線度、畸變率示意圖

3.數字化加工技術在整體圓弧風擋成型模具中的運用

整體圓弧風擋成型模具主要由模體、底座、擋板、支撐塊、支腳、滑輪組成，模體主要起風擋零件成型作用，擔負著飛機風擋零件外形成型和承受氣動載荷的雙重任務。雖然其它部件與風擋零件有數據關聯(lián)關系，但不是本文研究的重點，故本論文不做討論。本文重點討論整體圓弧風擋成型模具模體的數字化制造。

由于圓弧風擋零件在成型后易發(fā)生回彈，采用基于制造模型的數字量傳遞方法時，風擋零件成型模具型面設計并不是直接依賴于零件原始數字模型，而是依賴于制造模型中的成形工藝模型。成形工藝模型即：在零件原始數字模型的基礎上，將零件回彈、模具使用變形等因素考慮在內，對模具型面和尺寸進行的預修正之后的模型。

該工裝成形工藝模型的修正，主要是圓弧風擋成型模具支撐筋的修正。在常溫下與高溫使用時，支撐筋的熱膨脹變形情況見圖3、圖4、圖5所示，其錯位變形量ΔΧ具體計算如下：

ΔΧ=（Lb-La）*δ*TΔ

其中，TΔ=T1-T0

T0：高溫使用時溫度；

T1：制造時的室溫；

Lb：型面橫截面線性長度（圓弧長度）；

La：底板橫截面線性長度；

（Lb-La）為實測值；

δ：Q235A熱膨脹系數，取1.2x10-5℃；

當溫度升高到160℃的成型溫度時，平均線性變形量為2.4544 mm，即模體型面線性變長，引起型面變形，變形區(qū)域出現在剛性最差的圓弧中段兩側。有加強筋的位置沒有變形，這樣就在變形區(qū)域形成“凸變”(見圖8)。表明筋條與型面相互拉扯導致型面出現細微的類似‘波浪形凸起’，影響成型模型面的表面母線直線度（圖9），從而降低圓弧風擋成型模具的型面質量。

圖3 成型支撐筋受熱變形示意圖

圖4 模體框架截面示意圖

圖5 模體框架“凸變”示意圖

圖6 風擋零件網格檢測畸變示意圖

3.1 CATIA建模

J7機型的圓弧風擋零件沒有數字模型，我們在加工時采用靠銑頭掃描樣件，技術員通過掃略采集數據后建立的線條建相似數模[5][6][7]?，F在J10飛機整體圓弧風擋工裝是按零件工藝數模建模，模擬修正，得到實際的試驗后得到的工裝數模。

3.2 模體加工工藝性分析

從整體圓弧風擋零件成型模具的三維數字模型中可以看出，該工裝的模體由模體型面、加強板、底板、前后封板構成。

其中，圓弧風擋模具模體的型面呈曲面圓弧形，且按氣動流線呈錐度曲率變化，模體錐面的母線直線度要求在1600 mm內小于0.15，表面光潔度Ra1.6，一般的數控加工無法滿足這樣高的技術要求。經過數字模型模擬分析，將模體型面按圓形進行配重，即將模體模擬成規(guī)則的圓錐，這樣就可以將模體通過配重采用數控車進行回轉加工。

經上述分析后，制定工藝路線如下：依據數模，模體型面采用板料，焊接前滾彎預成型，然后與加強板、底板、前后封板焊接在一起。再將模體型面按回轉圓形進行配重數控車、數控磨加工模具型面。

3.3 配重數控加工方法

(1)在模體兩等高、等中心的位置預裝兩毛頭，將模體用數控鏜找正，在兩端毛頭上制中心孔。

(2)對頂裝夾，在模體底板上裝配重塊，在數控車床上用百分表采用旋轉平衡確定配重情況，多次配重后模體達到圓周平衡，將配重塊固定牢固，采用數控車回轉初加工，每沿模體母線加工完一次后減輕對應的配重量，從而達到圓周平衡，數次配重車削至型面符合數字模型型面。數控車因高速均勻圓周轉動，切屑不積累，這樣保證了材料的纖維連續(xù)、散熱快，從而減小了型面變形。

（3）在初加工后，為了達到表面光潔度，我們采用同樣的配重技術，利用原毛頭對頂裝夾進行數控磨加工。加工完后，將配重塊取下。型面光亮如鏡面。

3.4 結果與分析

經檢測，加工完的模體型面直線度1600 mm內小于0.1 mm，表面光潔度Ra 0.8,完全符合技術要求。將該工裝用于成型圓弧風擋零件，成型后的零件經光學角偏差檢測、光學畸變檢測、其他光學質量檢測，該風擋零件也完全滿足使用技術要求。采用數字化技術加工整體圓弧風擋零件成型模具，其工藝流程見圖7。

圖7 改進后風擋模具數字加工工藝流程圖

從流程圖可以看出，相比于傳統(tǒng)工藝流程，數字模型取代了木制靠模，通過數控加工取代了靠模加工。數字化圓弧風擋零件模具加工技術，不僅縮短了生產周期，節(jié)約了制造靠模的成本，并且數控加工后的粗坯與實際需要的狀態(tài)非常的接近，減輕了后續(xù)鉗工的勞動強度甚至取消了鉗工對型面的修配，最重要的，該方法提高了工裝制造精度。同時，特別針對截面為不等料厚的模具又存在料厚關系按樣件制造的模具，采這種方法也具有很大的借鑒意義[8,9]。

4.結束語

本文研究了數字化加工技術在整體圓弧風擋工裝的制造中的應用，建立了工裝數字模型，采用了配重數控加工方法,制造了圓弧風擋工裝。其成型零件滿足了圓弧風擋表面霧度、母線直線度、畸變率等相關技術需求。相比傳統(tǒng)的工裝的加工方法，數字化加工技術使得航空工裝制造更加高效，精確，成功實現了由“模擬量”向“數字量”的傳遞。

[1]孫明明.整體圓弧風擋玻璃透光度、霧度檢測系統(tǒng)設計[D]成都:四川大學,2007.

[2]王炳炎.整體圓弧風擋玻璃光學畸變照相檢測系統(tǒng)研究[D].成都:四川大學,2007.

[3]韓志仁.航空工裝的現狀與發(fā)展[C].北京:民用飛機制造技術及裝備高層論壇.2010.

[4]楊漢,陳佳,蘭勇,等.數字化技術在航空鈑金成形模具制造中的應用[J].航空制造技術,2012(17):60-62.

[5]景智,許學軍.航空工裝負角度面和型面最大外棱邊測量技術研究[C].北京:2011航空試驗測試技術學術交流會論文集.2010.

[6]單巖，謝龍漢.CATIA V5自由曲面造型[M].北京:清華大學出版社,2004.

[7]寧貴欣.CATIA V5工業(yè)造型設計實例教程[M].北京:清華大學出版社,2004.

[8]聯(lián)合編寫組編寫.機械設計手冊[M].化學工業(yè)出版社,2011.

[9]金屬機械加工工藝人員手冊修訂組.金屬機械加工工藝人員手冊[M].上海:上?？茖W技術出版社,1981.