逆向工程在載人艙球殼毛坯精確找正中的應(yīng)用

■ 宜賓普什聯(lián)動(dòng)科技有限公司 （四川 644000） 彭祝強(qiáng) 高 超 張 強(qiáng) 鄒嗣明

4 500m載人潛水器作為國(guó)家863計(jì)劃重大項(xiàng)目之一，是我國(guó)自主設(shè)計(jì)并制造的深海資源探測(cè)及救援工具。潛水器的核心部件載人艙球殼，材料為TC4鈦合金，其毛坯分為上、下兩個(gè)半球沖壓而成，完成機(jī)械加工后，最終將兩個(gè)半球焊接成一個(gè)整體圓球。

半球毛坯由一塊TC4鈦合金圓板沖壓而成，受沖壓工藝、板材材質(zhì)、大厚度以及拉伸量過(guò)深等因素影響，半球毛坯外形極不規(guī)則，內(nèi)外球面上甚至有多處凹坑，部分位置厚度接近精加工極限尺寸，加工余量偏小且極不均勻。由于毛坯價(jià)值非常高，采用傳統(tǒng)的劃線考料和機(jī)床考量找正等方法風(fēng)險(xiǎn)極大，需要確定毛坯所有部位精確的加工余量。

根據(jù)這種情況我公司采用三維掃描儀與傳統(tǒng)找正相結(jié)合的方法，在加工前進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，最終解決了毛坯找正的難題，完成了產(chǎn)品的加工。

圖1 毛坯球面凹坑1

圖2 毛坯球面凹坑2

1. 毛坯存在的問(wèn)題及找正風(fēng)險(xiǎn)

球殼毛坯外形極不規(guī)則，外徑尺寸約為φ2 258mm，內(nèi)徑約為φ2 065mm，高度約為1 261mm，質(zhì)量為5t。毛坯內(nèi)外球面有多處凹坑（見圖1、圖2），口部直邊不平整，用超聲波測(cè)厚儀檢測(cè)，厚度最厚達(dá)到96mm，底部最薄處厚度為57mm，理論余量3mm，但受內(nèi)外圓凹坑位置影響，實(shí)際余量小于3mm。

由于半球毛坯存在的問(wèn)題以及鈦合金不規(guī)則外形的粗加工變形大，找正誤差、裝夾以及粗加工后真空退火處理變形等因素，加工風(fēng)險(xiǎn)很大。毛坯找正的重點(diǎn)在于底部最薄位置，同時(shí)要兼顧不規(guī)則形狀和多處凹坑。使用常規(guī)的劃線考料和機(jī)床考量等找正方法，無(wú)法確保所有部位加工余量足夠。正式加工前的首要問(wèn)題就是建立毛坯的三維模型，之后實(shí)現(xiàn)球殼毛坯精確找正，將逆向工程的毛坯理想狀態(tài)在機(jī)床上找正時(shí)重現(xiàn)。

2. 建立毛坯三維模型和數(shù)據(jù)分析

（1）建立毛坯三維模型前的準(zhǔn)備。為了使毛坯在機(jī)床上能按照逆向工程三維模型給出的數(shù)據(jù)精確定位，需要在毛坯2個(gè)工藝搭子上加工出拉直基準(zhǔn)，在開口端面上銑出十字直邊，以方便打表定位（見圖3）。由于四個(gè)工藝搭子不平，需制作自適應(yīng)調(diào)平壓緊工裝，避免工藝裝夾變形。

（2）逆向工程建立三維模型。載人艙球殼采用德國(guó)GOM公司的ATOS測(cè)量系統(tǒng)來(lái)建立毛坯的三維模型。其原理是用測(cè)量頭的兩個(gè)相機(jī)記錄下投射在物體表面的條紋圖像，軟件計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)云的三維坐標(biāo)。針對(duì)球殼毛坯的內(nèi)外兩個(gè)面，將球殼分成多個(gè)部分分別進(jìn)行測(cè)量。然后系統(tǒng)利用參考點(diǎn)，自動(dòng)確定實(shí)測(cè)測(cè)量頭的位置，并將所有測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個(gè)共同的物體坐標(biāo)系里，由點(diǎn)云自動(dòng)生成產(chǎn)品毛坯的三維模型（見圖4）。在照相時(shí)注重毛坯凹陷位置，力求數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

（3）數(shù)據(jù)分析。通過(guò)ATOS三維掃描逆向工程后得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲面重構(gòu)，由各曲面通過(guò)UG軟件縫合成三維模型（見圖5），采用ATOS軟件與理論模型自動(dòng)匹配得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析出毛坯余量最小區(qū)域和值（見圖6）。毛坯最小余量位置在內(nèi)球面底部，數(shù)值為0.9mm。

由于球殼圓周上要開孔，以焊接出入孔座和觀察孔座，所以盡可能地將毛坯有缺陷的位置在開孔時(shí)去除掉。參照ATOS得出的數(shù)據(jù)，用UG裝配手動(dòng)調(diào)整逆向工程三維模型與理論模型位置，重點(diǎn)考慮底部余量最小區(qū)域和凹坑，同時(shí)兼顧毛坯各處余量盡可能均勻，得出機(jī)床的找正數(shù)據(jù)。

圖3 工件在機(jī)床上加工拉直基準(zhǔn)和十字直邊

圖4 采用ATOS系統(tǒng)進(jìn)行三維造型

圖5 球殼逆向工程得到的三維模型

圖6 ATOS自動(dòng)匹配得到的最小余量數(shù)據(jù)

3. 機(jī)床找正及數(shù)據(jù)驗(yàn)證

（1）機(jī)床找正。先將工件吊上自適應(yīng)調(diào)平壓緊工裝，放平工件，用工裝上的支撐柱支撐工件上的4個(gè)工藝搭子并進(jìn)行微調(diào)，用百分表粗拉直工藝搭子上的拉直基準(zhǔn)。根據(jù)分析對(duì)比得到的機(jī)床找正數(shù)據(jù)（見圖7），用百分表調(diào)整工件的端面位置狀態(tài)，接近于找正數(shù)據(jù)。用百分表精拉直基準(zhǔn)，后重新用百分表調(diào)整工件，使打表數(shù)據(jù)與機(jī)床找正數(shù)據(jù)相同。最后打表壓緊工件，工件壓緊狀態(tài)和自由狀態(tài)，百分表的變動(dòng)小于0.05mm。

（2）機(jī)床數(shù)據(jù)驗(yàn)證。工件毛坯按高度距離100mm，圓周30°的經(jīng)緯度進(jìn)行分點(diǎn)，在機(jī)床上用測(cè)量探頭采集半徑數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成后與毛坯三維模型數(shù)據(jù)對(duì)比分析，確定無(wú)誤后進(jìn)行產(chǎn)品的基準(zhǔn)平面和內(nèi)、外圓基準(zhǔn)的加工。

粗加工時(shí)內(nèi)、外圓單面留量5mm加工，使毛坯大部分見光。工件開孔，焊接孔座，真空熱處理后重新逆向工程，建立三維模型，確認(rèn)工件變形量及毛坯最小余量位置是否需要借量加工。

精加工前，在機(jī)床上用直徑10mm的球刀試切最小余量位置，見光毛坯面，最終確定是否借量加工。

4. 結(jié)論

逆向工程在載人艙球殼毛坯精確找正中得以成功應(yīng)用，現(xiàn)載人艙球殼已完成加工，順利交付給客戶。針對(duì)半球毛坯存在的種種問(wèn)題，使用了三維逆向工程建立毛坯三維模型，與理論模型進(jìn)行最優(yōu)化對(duì)比，獲得毛坯余量最優(yōu)化的方案，并在機(jī)床加工找正環(huán)節(jié)，使用測(cè)量探頭驗(yàn)證與逆向工程分析數(shù)據(jù)的一致性，實(shí)現(xiàn)了毛坯的精確找正。此方法為加工余量偏小的精密毛坯精確找正提供了一種有效手段。

圖7 機(jī)床找正數(shù)據(jù)

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭偉青，李際軍，吳小剛. 逆向工程中掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲面重構(gòu) [J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2004，10（9）：1160-1164.

[2] 張永紅，朱耀華，胡濱. 基于數(shù)控加工機(jī)床的自由曲面測(cè)量新方法 [J]. 礦山機(jī)械，2010（12）：25-27.

[3] 田建平，石艷. 數(shù)控加工中工件原點(diǎn)找正方法的探討 [J]. 機(jī)械，2006，33（8）：41-43.