某機型弦桿零件工藝數(shù)模及模線樣板設(shè)計

吳躍珍，謝 飛，張文俊，胡 媛

（洪都航空工業(yè)集團 ，江西 南昌 330024）

0 引言

某機型轉(zhuǎn)包項目中包含大量弦桿零件，此類零件尺寸大，彎曲弧度大，截面多為“T”型、“山”型、“工”型等復(fù)雜形狀。目前主要采用填充拉彎成型技術(shù)制造此類零件，但拉彎成型工藝尚處于起步階段，需挑選典型截面零件進行工藝試驗、研究，摸索出高效合理的工藝方法，以達到縮短生產(chǎn)周期，提高零件質(zhì)量的目的。

弦桿零件的制造工序復(fù)雜，涉及多種加工工藝，其中拉彎成型容易產(chǎn)生回彈，后續(xù)校型工作量十分巨大，且容易對零件表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。再采用機械加工銑切厚度尺寸，各零件的厚度公差難以控制。以上種種因素導(dǎo)致弦桿零件制造周期長、零件質(zhì)量不理想，并嚴(yán)重影響交付進度。成為制約轉(zhuǎn)包項目生產(chǎn)效率的重要瓶頸。

1 弦桿零件的外形結(jié)構(gòu)特征及工藝流程

1.1 外形結(jié)構(gòu)特征

在這里我們以“T”型材為例做說明。圖1、圖2是2個典型的弦桿零件。通過對外形的觀察和分析得知此類零件通常分布在飛機機身各重要結(jié)構(gòu)軸線上，是組成飛機骨架的關(guān)鍵件。零件的主要結(jié)構(gòu)面為一個平面，而另一面則為曲面，與機身外形有關(guān)，被稱為平面組合件零件。如圖1、圖2所示，A、D面稱為底面，B、C面稱為立面。

1.2 模具外形與截面特征

Ⅰ類零件成型拉彎模截面平面見圖3，三維圖見圖5，Ⅱ類零件成型拉彎模截面平面見圖4，三維圖見圖6。圖5、圖6有意未示填充物。

1.3 工藝流程

此類零件的工藝流程為：

1)先下料，如有整體銑切材料厚度與材料寬度要求的，下料后應(yīng)立即對原材料進行銑切，去除多余材料，目的是使拉彎時拉力控制得最小。

圖1 Ⅰ類弦桿零件

圖2 Ⅱ類弦桿零件

圖3 Ⅰ類弦桿成型截面

圖4 Ⅱ類弦桿成型截面

2)在0狀態(tài)下采用填充拉彎進行拉彎成形，檢驗，淬火，再在W狀態(tài)下拉彎校形（同樣采用填充拉彎），檢驗，上檢驗?zāi)ＰＵ慵庑巍?/p>

3)沖壓下陷或銑切下陷。

4)鉆出機加定位孔。

5)通過普通銑床或者數(shù)控銑床銑切加工出零件外形或鉆孔。

6)檢驗。

圖5 Ⅰ類弦桿成形圖

圖6 Ⅱ類弦桿成形圖

根據(jù)上述分析，并考慮零件回彈變化趨勢，我們的工作范疇為拉彎回彈過渡數(shù)模、機加工藝數(shù)模及各模線樣板設(shè)計，為制造拉彎成型模、零件校正模、工藝孔加工鉆模、零件外形加工和數(shù)控加工所用的夾具等提供制造依據(jù)。

2 工藝數(shù)模設(shè)計

2.1 拉彎回彈過渡數(shù)模設(shè)計

2.1.1 設(shè)計依據(jù)

產(chǎn)品數(shù)模、產(chǎn)品圖紙、訂貨工藝要求、零件交接狀態(tài)表。

2.1.2 設(shè)計基理

飛機鈑金零件的成形是依靠材料的塑性變形來實現(xiàn)的。我們的鈑金加工，使用拉彎成形工藝后對所產(chǎn)生的一些難以控制情況及不確定因素，沿襲了傳統(tǒng)的經(jīng)驗法進行反復(fù)的試模、試加工等試驗，并運用了有關(guān)模擬仿真技術(shù)，計算出成形壓力和回彈補償量，例如1570-35零件（見圖7）。

經(jīng)計算后提供的各點回彈補償量示意見圖8，它以理論內(nèi)形為基準(zhǔn)，左側(cè)從G點開始向內(nèi)逐步依次（G、F、E、D、C、B、A）放0.15度回彈量。 右側(cè)從H點開始向內(nèi)逐步依次(H、I、J、K、L、M、N)放0.15度回彈量。

圖7 1570-35產(chǎn)品數(shù)模

圖8 1570-35回彈補償量

2.1.3 設(shè)計過程

1)確定弦桿零件過渡外形特征

根據(jù)零件外形特征，我們通過修改參數(shù)或移除命令的方法將產(chǎn)品數(shù)模還原到材料的原始狀態(tài)或拉彎前狀態(tài)。例如：取消鈑金及機加下陷，零件外廓形狀缺口的補制等。我們將零件的這種狀態(tài)稱之為過渡形狀，過渡狀態(tài)的三維數(shù)模稱為過渡數(shù)模，命名為圖號-GD-GYM。

2)回彈工藝數(shù)模的設(shè)計過程（以零件1570-35為例）

（1）方法一：實體造型法

按上述工藝要求確定設(shè)計工作面，我們一般選擇框平面為基準(zhǔn)面，抽取理論內(nèi)形面與工作面的交叉線為基準(zhǔn)線，按回彈參數(shù)，將零件分為3段，中間段為基準(zhǔn)不動，左側(cè)繞G點向內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.15度后在F點出截斷，左側(cè)又繞G點向內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.15度后，在E點處截斷，然后反復(fù)進行同樣操作。右側(cè)對稱進行前面的操作，直到將零件截斷分為15段為止。建議通過各回彈點作基準(zhǔn)線的法線平面，分割各實體，方便各實體間的銜接與光順。

將分割后的各段實體，導(dǎo)入一個新文件進行拼接，見圖9。由于分割后的實體在旋轉(zhuǎn)一定的回彈量后，連接處已經(jīng)不能保證零件本身原有的曲率連續(xù)，為保證零件的光順及無修改痕跡，必須通過調(diào)整過渡區(qū)域部分曲線、曲面的節(jié)點，以保證曲線、曲面曲率連續(xù)、光順。具體造型操作為：

圖9 分割與旋轉(zhuǎn)后的各段實體

①移除各段倒圓角，降低建模難度；

②將各段實體兩端作修剪處理，根據(jù)實際情況將修剪量控制到最小。盡量避免其曲率陡變區(qū)域或2元素之間的連接區(qū)域。

③連接段控制曲線的樣條設(shè)計，樣條兩端的切矢必須與連接曲線一致，見圖10；

④提取截面輪廓線2個；

⑤通過零件設(shè)計模塊的多截面實體命令實現(xiàn)連接補塊的設(shè)計見圖11，注意引導(dǎo)線的選擇，耦合選項的選擇。這里耦合選項設(shè)置為相切然后曲率；

⑥通過添加為零件幾何體。倒圓角后，完成回彈數(shù)模設(shè)計。

圖10 樣條設(shè)計圖

圖11 實體銜接圖

（2）方法二：曲面造型法

對理論內(nèi)形面進行重新造型，此方法特別適用于位移式回彈參數(shù)類弦桿零件的過渡數(shù)模設(shè)計。以下步驟僅介紹角度式參數(shù)建模法。

①首先確定設(shè)計工作面，抽取理論內(nèi)形面與工作面的交叉線為基準(zhǔn)線，按數(shù)模按回彈參數(shù)；

②將理論內(nèi)形面分為3段，中間段為基準(zhǔn)不動，左側(cè)繞G點向內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.15度后在F點出截斷，左側(cè)又繞G點向內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.15度后，在E點處截斷，然后反復(fù)進行同樣操作。右側(cè)對稱進行前面的操作，直到將理論內(nèi)形面截斷分為15段為止見圖12；

圖12 分割旋轉(zhuǎn)后的各段片體

③將各片體兩端作修剪處理及放棄部分不連續(xù)點片體；

④連接段控制曲線的樣條設(shè)計(引導(dǎo)線)，樣條兩端的切矢必須與連接曲線一致；

⑤提取截面曲線；

⑥通過創(chuàng)成式設(shè)計模塊的多截面曲面命令實現(xiàn)連接片的設(shè)計。注意引導(dǎo)線的選擇，耦合選項的選擇。這里耦合選項設(shè)置為相切然后曲率；

⑦通過接合命令完成含回彈補償量的理論內(nèi)形面設(shè)計，后再通過實體造型完成過渡數(shù)模的設(shè)計。

（3）方法三：曲線造型法

通過對基準(zhǔn)線進行重新造型，此方法僅適用于無斜角類弦桿零件的過渡數(shù)模設(shè)計。

①確定設(shè)計工作面，抽取理論內(nèi)形面與工作面的交叉線為基準(zhǔn)線，按數(shù)模按回彈參數(shù)，將基準(zhǔn)線分為3段，中間段為基準(zhǔn)不動，左側(cè)繞G點向內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.15度后在F點處截斷，左側(cè)又繞G點向內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.15度后，在E點處截斷，然后反復(fù)進行同樣操作。右側(cè)對稱進行前面的操作，直到將基準(zhǔn)線截斷分為15段為止。

②將各曲線兩端作修剪處理，調(diào)整不連續(xù)點（見圖13）；

③將基準(zhǔn)線按各節(jié)點重新造型；

④建立零件截面草圖；

⑤應(yīng)用實體造型掃掠等命令完成建模工作。

圖13 分割與旋轉(zhuǎn)后的各段曲線

將位移尺寸代替角度值的回彈參數(shù)，稱之為位移式反彈回彈參數(shù)。如G點向內(nèi)放0.5 mm、F點向內(nèi)放1 mm、E點向內(nèi)放1.5 mm、D點向內(nèi)放2 mm等。在這種情況下，除采用方法二外，還可以通過各點控制切面向內(nèi)移動法建立拉彎數(shù)模。

總之，必須根據(jù)弦桿零件外形特征、拉彎成型模的設(shè)計要求及回彈參數(shù)提供方式確定過渡數(shù)模的設(shè)計方法。但無論選擇那種設(shè)計方法，目的是使設(shè)計方案優(yōu)化并簡單，最終保證過渡工藝數(shù)模與產(chǎn)品數(shù)模工作面上的基準(zhǔn)線長度完全相等。

2.2 機加工藝數(shù)模的設(shè)計

弦桿類零件在銑切外形時需要2個銑切定位孔進行零件加工定位，受現(xiàn)有條件的限制，我們只能設(shè)計φ5.2 mm的定位孔之后由使用單位擴孔至φ12?？椎奈恢眠x擇在零件的結(jié)構(gòu)平面上；取制在零件的兩端之外，距零件邊緣的尺寸應(yīng)大于銑刀直徑加定位銷的半徑，如銑刀直徑為φ16，距零件邊緣的尺寸應(yīng)大于22 mm,最佳狀態(tài)是考慮再放一些間隙，方便加工。必須注意定位孔與型材立邊應(yīng)保持一定距離，避免定位銷與型材立邊干涉影響加工。定位孔工藝補塊的設(shè)計，工藝補塊形狀不限，它不作為加工依據(jù)，簡單和理想的設(shè)計方案就是將型材原始狀態(tài)放2英寸余量即可，還可直觀定位孔的準(zhǔn)確度。文件命名為圖號-GYM。

2.3 模線樣板設(shè)計

圖14 Ⅰ類弦桿零件樣板

當(dāng)前，數(shù)控加工已成為機械加工的主流，但由于受到設(shè)備及加工能力的限制，常規(guī)加工依然存在。我們采用了數(shù)控加工和常規(guī)加工的混合方式，達到了優(yōu)勢互補、事半功倍的效果。所以我們在進行模線樣板的設(shè)計與制造時，既考慮滿足數(shù)控加工的要求，也考慮到滿足手工劃線后普通銑床銑切的要求。

根據(jù)產(chǎn)品圖及工藝數(shù)模、樣板訂貨單、零件交接狀態(tài)表等有關(guān)工藝要求，我們在CATIA V5R18環(huán)境下進行模線樣板設(shè)計。樣板品種有外形、外形（展）、切內(nèi)。

針對弦桿零件鈑金、機加的加工的特殊要求，零件模線樣板設(shè)計采用的設(shè)計方案也與傳統(tǒng)的模線樣板設(shè)計方案有所不同，如：樣板品種、樣板材料、樣板的工作定位邊等都有所不同。對于零件輪廓以外的定位耳片、零件余量線定位孔及定位孔孔徑與位置都在考慮的范圍內(nèi)。外形、外形（展）樣板材料，采用厚度為0.5 mm的彈簧鋼，目的是不添加補加部分，方便劃線。彈簧鋼材質(zhì)的外形(展)樣板還可作為立體樣板使用。

1)Ⅰ類型弦桿零件接A面訂制外形（展）樣板、B面訂制外形樣板進行設(shè)計（見圖14）：為了方便零件的劃線定位，分別在外形（展）樣板上下建立4對以上補塊，避開凸緣及端頭部分，按原材料寬度上下設(shè)計，補塊寬度約為20 mm，同時給出定位線，樣板兩端刻入立邊材料厚度線，方便加工與檢驗。樣板正面應(yīng)選擇按T下視線面，否則樣板上的標(biāo)記與刻線被零件遮蓋不方便使用。

2）Ⅱ類型弦桿零件，按C面訂制外形（展）樣板樣板、D面訂制外形樣板進行設(shè)計（見圖15）：與第一種零件不同的是，此類零件外形樣板兩端刻入立邊材料厚度線，方便加工與檢驗。樣板正面選擇按T上視線面，否則同樣樣板上的標(biāo)記與刻線不方便使用。

2.4 切內(nèi)樣板設(shè)計

為清晰地表示零件的外形特征及與其他樣板之間相對位置關(guān)系，切內(nèi)樣板上必須有定位線、基準(zhǔn)線、切割圈、樣板使用圖等標(biāo)記（見圖16）。

切內(nèi)樣板是加工與檢驗弦桿零件拉彎成型的曲度和確定零件長度的依據(jù)之一 ，它必須不帶下陷，否則不貼拉彎面外形，影響拉彎加工及檢驗。

上述兩類零件外形及外形（展）樣板可視為手工劃線加工的專用樣板，它未含鉆孔、缺口與下陷信息，可通過再增加一塊外形樣板來實現(xiàn)零件外形特征信息的完整。

圖15 Ⅱ類弦桿零件樣板

圖16 切面樣板

3 結(jié)語

經(jīng)過多次工藝試驗，我們在弦桿成型中的工藝數(shù)模、模線樣板設(shè)計方案，結(jié)果是令人滿意的。在各相關(guān)部門的協(xié)助下，我們已成功地創(chuàng)建了弦桿類零件的加工技術(shù)，目前此類復(fù)雜零件的工藝數(shù)模設(shè)計、模線樣板設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成熟。

[1]模線設(shè)計.航空航天工業(yè)部航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn).HBO/Z 13-89.

[2]樣板制造.航空航天工業(yè)部航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn).HBO/Z 14-89.

[3]CATIA.V5基礎(chǔ)教程.機械工業(yè)部出版社出版.