框肋零件彎邊回彈補(bǔ)償系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

楊憶湄，王俊彪，劉 闖，譚 浩，李仁花，閆亞峰

（1.西北工業(yè)大學(xué) 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(tuán)有限公司 模線設(shè)計(jì)室，江西 南昌 330024）

0 引言

框肋零件在飛機(jī)整體框架結(jié)構(gòu)中起到重要作用，大都位于機(jī)體尺寸和形狀的控制截面上，常用于機(jī)翼翼肋、機(jī)身隔框等處，多與蒙皮搭接，擔(dān)負(fù)著控制飛機(jī)外形、保證氣動(dòng)特性的作用。由于飛機(jī)外形復(fù)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(jī)的發(fā)展使得其外形變化更為復(fù)雜，同時(shí)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(shí)現(xiàn)“一步法”成形[1]，提高產(chǎn)品品質(zhì)和外觀，以達(dá)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(jìn)行生產(chǎn)制造，在國外的現(xiàn)代化飛機(jī)制造廠中，橡皮成形零件占飛機(jī)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(diǎn)，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(chǔ)上，因此，參考模線樣板對鈑金零件信息進(jìn)行表達(dá)與傳遞的方法[3]，韓盛夏與閆紅勇在對液壓成形模具設(shè)計(jì)技術(shù)的研究時(shí)，都提出了對零件進(jìn)行了截面離散，采用離散截面來表達(dá)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(dá)的特點(diǎn)，開發(fā)了框肋零件彎邊回彈補(bǔ)償系統(tǒng)，提出應(yīng)用方案并進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yīng)用層。

圖1 框肋零件彎邊回彈補(bǔ)償系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

（1）支撐層。支撐層包含系統(tǒng)運(yùn)行所需的設(shè)備、操作系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)硬件與軟件，對系統(tǒng)提供底層基礎(chǔ)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)知識包含XML數(shù)據(jù)文件、回彈預(yù)測與補(bǔ)償知識等。數(shù)據(jù)層對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲，提供系統(tǒng)所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)資源，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層面向模型設(shè)計(jì)人員，主要包括彎邊離散與重構(gòu)、彎邊回彈預(yù)測與補(bǔ)償兩個(gè)模塊。彎邊參考面離散與重構(gòu)模塊基于CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，快速實(shí)現(xiàn)工藝模型設(shè)計(jì)過程；彎邊回彈預(yù)測與補(bǔ)償模塊通過Web瀏覽器操作數(shù)據(jù)庫，對模型設(shè)計(jì)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(bǔ)償系統(tǒng)，其功能模塊如圖 2所示。

圖2 框肋零件彎邊補(bǔ)償系統(tǒng)功能模塊

其中，截面離散與信息提取功能快速實(shí)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(shí)現(xiàn)各截面信息，重構(gòu)曲面；工藝參數(shù)設(shè)定功能用于設(shè)置零件材料參數(shù)、成形參數(shù)等相關(guān)工藝參數(shù)；截面信息導(dǎo)入與導(dǎo)出功能快速實(shí)現(xiàn)截面信息的讀入與輸出；回彈預(yù)測與補(bǔ)償計(jì)算功能快速實(shí)現(xiàn)各截面的回彈預(yù)測和補(bǔ)償計(jì)算得到修正后截面信息。

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

框肋零件彎邊回彈補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行流程為：首先在CATIA中對框肋零件設(shè)計(jì)模型各彎邊參考面進(jìn)行處理得到工藝模型參考模型；應(yīng)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(jìn)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(dǎo)入框肋零件工藝模型設(shè)計(jì)知識庫，通過回彈預(yù)測與補(bǔ)償功能得到補(bǔ)償后幾何信息數(shù)據(jù)，并輸出包含補(bǔ)償后幾何信息的XML數(shù)據(jù)文件；應(yīng)用曲面重構(gòu)功能讀取補(bǔ)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(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行流程

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)與運(yùn)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(yùn)行效率，并且易于以后功能的擴(kuò)展，選擇使用CAA開發(fā)出插件，直接集成在CATIA應(yīng)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(yùn)行平臺。

（2）彎邊回彈預(yù)測與補(bǔ)償模塊

采用B/S結(jié)構(gòu)技術(shù)開發(fā)用戶界面和實(shí)現(xiàn)與相應(yīng)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(wù)器進(jìn)行操作。

2.2 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

圖4 框肋零件彎邊回彈補(bǔ)償系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用方案

框肋零件彎邊回彈與補(bǔ)償系統(tǒng)安裝在模線設(shè)計(jì)所和鈑金廠，應(yīng)用方案如圖5所示。由框肋零件工藝模型設(shè)計(jì)人員依據(jù)框肋零件設(shè)計(jì)數(shù)模，使用框肋零件彎邊回彈補(bǔ)償系統(tǒng)對框肋零件進(jìn)行工藝模型數(shù)字化設(shè)計(jì)，得到彎邊回彈補(bǔ)償后的零件工藝數(shù)模；工裝設(shè)計(jì)所依據(jù)零件工藝數(shù)模完成其工裝數(shù)模的設(shè)計(jì)與制造；在鈑金廠對新淬火狀態(tài)的毛坯零件進(jìn)行橡皮囊液壓成形，實(shí)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(bǔ)償申請；質(zhì)檢部門采用檢測模具或光學(xué)三維掃描儀對成形零件進(jìn)行檢測，并向框肋零件彎邊回彈數(shù)據(jù)庫補(bǔ)充彎邊回彈補(bǔ)償知識，本文采用光學(xué)掃描儀評價(jià)其成形精度，以驗(yàn)證本系統(tǒng)的正確性。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

圖5 框肋零件彎邊回彈補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)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(jìn)行離散與信息提取，首先通過信息提取對話框（見圖7），設(shè)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(yù)測與補(bǔ)償模塊（如圖8），導(dǎo)入離散信息XML文件，進(jìn)行截面回彈預(yù)測與補(bǔ)償，并將補(bǔ)償后信息導(dǎo)出為XML文件。

圖8 彎邊截面回彈預(yù)測與補(bǔ)償頁面

應(yīng)用曲面重構(gòu)模塊（如圖9），讀取補(bǔ)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(bǔ)償后彎邊曲面設(shè)計(jì)零件工藝數(shù)模、設(shè)計(jì)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(xué)掃描儀和三維檢測軟件對成形零件進(jìn)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(dá)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(yù)測與補(bǔ)償模塊，可在Web瀏覽器中進(jìn)行操作?？蚶吡慵貜椦a(bǔ)償系統(tǒng)界面友好，便于企業(yè)工藝設(shè)計(jì)人員使用。

（2）采用所開發(fā)的系統(tǒng)，對一典型框肋零件進(jìn)行彎邊回彈補(bǔ)償，并進(jìn)行工藝模型設(shè)計(jì)、成形模具設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與制造效率。

[1]周士林.航空制造工程手冊飛機(jī)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(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].沈陽：沈陽航空工業(yè)學(xué)院，2010.

[3]程志遠(yuǎn).航空制造工程手冊飛機(jī)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(shè)計(jì)技術(shù)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2010.