數(shù)字化加工技術(shù)在飛機整體圓弧風(fēng)擋工裝制造中的應(yīng)用

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(zé)任公司，技術(shù)裝備公司，成都 610092）

風(fēng)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(fēng)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(fēng)擋的工裝，其表面光潔度及母線直線度更是要求為圓弧風(fēng)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(shè)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(guān)鍵技術(shù)之一。航空工裝的設(shè)計、制造水平的提高是航空制造技術(shù)發(fā)展的關(guān)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(shù)的快速發(fā)展[3]。

近年來，我國的航空工裝設(shè)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(fēng)擋玻璃成型而言，長期以來，J7系列飛機風(fēng)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(chǎn)周期長。隨著航空技術(shù)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(fēng)擋玻璃。傳統(tǒng)的圓弧風(fēng)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(yīng)現(xiàn)階段快速、精確的成型工藝裝備的加工要求。

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

1.圓弧風(fēng)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(fēng)擋組合件。圓弧風(fēng)擋組合件由中間一塊、兩側(cè)各一塊共三塊風(fēng)擋玻璃組成。J7系列圓弧風(fēng)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(diào)制造，或按樣件協(xié)調(diào)制造。

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

圖1 傳統(tǒng)圓弧風(fēng)擋成型模制造流程圖

具體方法：按樣件分段、分截面反復(fù)修配出反型面的木模型面框（此框的型面即是風(fēng)擋零件的型面），風(fēng)擋零件的型面?？吭谀灸？騼?nèi)，抽真空將風(fēng)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(chǎn)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(fēng)擋更高的要求。

2.整體圓弧風(fēng)擋零件及其成型工裝的技術(shù)要求

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

在透過圓弧風(fēng)擋零件觀察用于檢測表面質(zhì)量的網(wǎng)格檢測板時不能有折光和波紋（標準要求飛行器圓弧風(fēng)擋零件表面光學(xué)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(fēng)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(fēng)擋零件，并且要有良好的、穩(wěn)定的質(zhì)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(wǎng)格檢查零件表面霧度、母線直線度、畸變率示意圖

3.數(shù)字化加工技術(shù)在整體圓弧風(fēng)擋成型模具中的運用

整體圓弧風(fēng)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(fēng)擋零件成型作用，擔(dān)負著飛機風(fēng)擋零件外形成型和承受氣動載荷的雙重任務(wù)。雖然其它部件與風(fēng)擋零件有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)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(fēng)擋成型模具模體的數(shù)字化制造。

由于圓弧風(fēng)擋零件在成型后易發(fā)生回彈，采用基于制造模型的數(shù)字量傳遞方法時，風(fēng)擋零件成型模具型面設(shè)計并不是直接依賴于零件原始數(shù)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(shù)字模型的基礎(chǔ)上，將零件回彈、模具使用變形等因素考慮在內(nèi)，對模具型面和尺寸進行的預(yù)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(fēng)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(shù)，取1.2x10-5℃；

當(dāng)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(xiàn)在剛性最差的圓弧中段兩側(cè)。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(dǎo)致型面出現(xiàn)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(fēng)擋成型模具的型面質(zhì)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(fēng)擋零件網(wǎng)格檢測畸變示意圖

3.1 CATIA建模

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

3.2 模體加工工藝性分析

從整體圓弧風(fēng)擋零件成型模具的三維數(shù)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(gòu)成。

其中，圓弧風(fēng)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(nèi)小于0.15，表面光潔度Ra1.6，一般的數(shù)控加工無法滿足這樣高的技術(shù)要求。經(jīng)過數(shù)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(shù)控車進行回轉(zhuǎn)加工。

經(jīng)上述分析后，制定工藝路線如下：依據(jù)數(shù)模，模體型面采用板料，焊接前滾彎預(yù)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(zhuǎn)圓形進行配重數(shù)控車、數(shù)控磨加工模具型面。

3.3 配重數(shù)控加工方法

(1)在模體兩等高、等中心的位置預(yù)裝兩毛頭，將模體用數(shù)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(shù)控車床上用百分表采用旋轉(zhuǎn)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(shù)控車回轉(zhuǎn)初加工，每沿模體母線加工完一次后減輕對應(yīng)的配重量，從而達到圓周平衡，數(shù)次配重車削至型面符合數(shù)字模型型面。數(shù)控車因高速均勻圓周轉(zhuǎn)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(shù)，利用原毛頭對頂裝夾進行數(shù)控磨加工。加工完后，將配重塊取下。型面光亮如鏡面。

3.4 結(jié)果與分析

經(jīng)檢測，加工完的模體型面直線度1600 mm內(nèi)小于0.1 mm，表面光潔度Ra 0.8,完全符合技術(shù)要求。將該工裝用于成型圓弧風(fēng)擋零件，成型后的零件經(jīng)光學(xué)角偏差檢測、光學(xué)畸變檢測、其他光學(xué)質(zhì)量檢測，該風(fēng)擋零件也完全滿足使用技術(shù)要求。采用數(shù)字化技術(shù)加工整體圓弧風(fēng)擋零件成型模具，其工藝流程見圖7。

圖7 改進后風(fēng)擋模具數(shù)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(shù)字模型取代了木制靠模，通過數(shù)控加工取代了靠模加工。數(shù)字化圓弧風(fēng)擋零件模具加工技術(shù)，不僅縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了制造靠模的成本，并且數(shù)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(guān)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(jié)束語

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

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

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

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

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

[5]景智,許學(xué)軍.航空工裝負角度面和型面最大外棱邊測量技術(shù)研究[C].北京:2011航空試驗測試技術(shù)學(xué)術(shù)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(xué)出版社,2004.

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

[8]聯(lián)合編寫組編寫.機械設(shè)計手冊[M].化學(xué)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(xué)技術(shù)出版社,1981.