大型飛機(jī)零件展開(kāi)工藝模型設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用

◎金立強(qiáng)

現(xiàn)代大型飛機(jī)中的零件種類(lèi)比較多，其中包括許多復(fù)雜曲面零件，這類(lèi)零件在進(jìn)行生產(chǎn)加工的過(guò)程中需要應(yīng)用展開(kāi)工藝模型，展開(kāi)工藝模型設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用能夠確定具體零件的尺寸，不用進(jìn)行后續(xù)修邊處理工作，而且還可以避免材料上的浪費(fèi)，保證零件尺寸的準(zhǔn)確性提高零件成形質(zhì)量。因此，加強(qiáng)對(duì)大型飛機(jī)展開(kāi)工藝模型設(shè)計(jì)技術(shù)的研究與應(yīng)用對(duì)航空制造行業(yè)的發(fā)展有著重要意義。

一、機(jī)翼整體壁板的展開(kāi)設(shè)計(jì)

1.展開(kāi)流程。

作為連接設(shè)計(jì)和制造的紐帶工藝，機(jī)翼整體壁板展開(kāi)設(shè)計(jì)主要涉及展開(kāi)外形曲面、映射結(jié)構(gòu)特征和重構(gòu)板坯模型3個(gè)步驟。整體壁板外形曲面多為幾何上不可精確展開(kāi)的雙曲率曲面，強(qiáng)制展開(kāi)需要進(jìn)行合理的工程近似，難免產(chǎn)生一定的展開(kāi)誤差。根據(jù)展開(kāi)原理的不同，雙曲率曲面展開(kāi)方法可分為幾何方法和力學(xué)方法2類(lèi)。將外形曲面展開(kāi)為平面后，需要進(jìn)一步確定壁板結(jié)構(gòu)特征在展開(kāi)平面的對(duì)應(yīng)位置，這一過(guò)程稱(chēng)為結(jié)構(gòu)特征的映射。

2.展開(kāi)工藝模型關(guān)鍵技術(shù)。

（1）復(fù)雜外形曲面的精確展開(kāi)。整體壁板的制造精度要求高，展向長(zhǎng)度20m左右的整體壁板，制造允許誤差通常只有2mm-3mm。無(wú)論采用何種曲面展開(kāi)方法，都容易出現(xiàn)展開(kāi)誤差過(guò)大的情況，導(dǎo)致最終建立的展開(kāi)工藝模型超差。為有效控制外形曲面的展開(kāi)精度，展開(kāi)前后應(yīng)進(jìn)行展開(kāi)誤差檢測(cè)和必要的曲面優(yōu)化處理。CATIA軟件提供的多種曲面處理功能，包括多截面曲面、網(wǎng)格曲面以及通過(guò)點(diǎn)云構(gòu)造曲面等，都可以用于壁板外形曲面的優(yōu)化。

（2）變厚度壁板蒙皮的快速展開(kāi)。構(gòu)造變厚度壁板蒙皮板坯的傳統(tǒng)方法是手工在內(nèi)型面上取大量點(diǎn)，逐個(gè)測(cè)量各點(diǎn)處壁板蒙皮的厚度值，然后基于這些厚度值在外形展開(kāi)面上擬合內(nèi)型面，進(jìn)而構(gòu)造出蒙皮板坯。

（3）壁板成形延展的預(yù)先補(bǔ)償。由于環(huán)境溫度、成形工藝參數(shù)以及材料本身應(yīng)力狀態(tài)等因素的交錯(cuò)影響，壁板在成形過(guò)程中會(huì)有不同程度的延展變形，且變形量隨機(jī)性大，難以精確計(jì)算。計(jì)算壁板成形延展量主要有解析計(jì)算、有限元分析和試驗(yàn)測(cè)量3類(lèi)方法。獲得壁板的成形延展量后，就可以對(duì)壁板展開(kāi)板坯模型進(jìn)行補(bǔ)償修正。

二、長(zhǎng)桁零件的拉直展開(kāi)

1.“拉直展開(kāi)“工藝。

長(zhǎng)桁的最新加工工藝與整體壁板類(lèi)似：首先將長(zhǎng)桁拉直展開(kāi)，建立零件的展開(kāi)工藝模型，然后加工出展開(kāi)板坯，最后采用彎扭冷加工工藝將其成形為最終形狀。與“靠模銑”方法相比，這種加工方法效率高，節(jié)省工裝，零件成形性能好。需要說(shuō)明的是，整體壁板的展開(kāi)方法對(duì)于長(zhǎng)桁具有一定借鑒意義，但長(zhǎng)桁展開(kāi)一般要求底面和立筋面均為平面狀態(tài)，這與壁板零件僅底面為平面有著明顯的區(qū)別。

2.長(zhǎng)桁“拉直展開(kāi)”關(guān)鍵技術(shù)。

（1）基于基準(zhǔn)線(xiàn)的展開(kāi)方法。提取長(zhǎng)桁的基準(zhǔn)線(xiàn)，構(gòu)造一條等長(zhǎng)的直線(xiàn)作為展開(kāi)基準(zhǔn)線(xiàn)，然后在基準(zhǔn)線(xiàn)上選取一定數(shù)量的法向切面去切長(zhǎng)桁，形成一組長(zhǎng)桁截面。接著，將所有截面轉(zhuǎn)換到展開(kāi)基準(zhǔn)線(xiàn)的對(duì)應(yīng)位置，并扭轉(zhuǎn)擺正。最后，以展開(kāi)基準(zhǔn)線(xiàn)為引導(dǎo)線(xiàn)，通過(guò)擺正的截面拉伸出長(zhǎng)桁的主體結(jié)構(gòu)，在主體結(jié)構(gòu)添加局部特征即可得到展開(kāi)工藝模型。

（2）局部特征的處理。對(duì)于凸臺(tái)、下陷、變截面、復(fù)雜端頭等局部特征，需要確定它們?cè)诨鶞?zhǔn)線(xiàn)和展開(kāi)基準(zhǔn)線(xiàn)上的基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)在基準(zhǔn)點(diǎn)建立坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)局部特征由設(shè)計(jì)模型向展開(kāi)工藝模型的定位和轉(zhuǎn)換。此外，將長(zhǎng)桁立筋面擺正為平面的過(guò)程中，長(zhǎng)桁底面會(huì)發(fā)生扭曲，這就需要對(duì)長(zhǎng)桁截面形狀進(jìn)行修型優(yōu)化，以保證零件的展開(kāi)質(zhì)量。

（3）長(zhǎng)桁成形延展的預(yù)先補(bǔ)償。傳統(tǒng)上，當(dāng)長(zhǎng)桁零件上沒(méi)有位置精度要求高的局部特征時(shí)，成形前在零件端頭預(yù)留一定加工余量，成形后將加工余量和延展變形量一并切除。然而，隨著長(zhǎng)桁特征復(fù)雜度的不斷提高，零件上往往會(huì)出現(xiàn)配合精度要求高的局部特征，導(dǎo)致加工出來(lái)的零件超差。為避免這種現(xiàn)象，應(yīng)在拉直展開(kāi)過(guò)程中預(yù)先補(bǔ)償零件的成形延展。

三、機(jī)身蒙皮的展開(kāi)

1.化學(xué)銑切工藝。

這項(xiàng)工藝技術(shù)主要是使用腐蝕性較強(qiáng)的溶液對(duì)機(jī)身零件中多余的部分進(jìn)行處理，在實(shí)際進(jìn)行工藝操作時(shí)需要使用專(zhuān)門(mén)的保護(hù)膜，根據(jù)零件的尺寸要求來(lái)進(jìn)行針對(duì)性操作，確保機(jī)身蒙皮尺寸和形狀能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這種化學(xué)銑切工藝在航空飛機(jī)制造行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，也是目前大型飛機(jī)生產(chǎn)制造中不可缺少的一項(xiàng)工藝內(nèi)容，在機(jī)身蒙皮的加工處理中取得了良好的應(yīng)用效果，整體的生產(chǎn)效率比較高還可以控制零件變形，整體的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為明顯。但是這項(xiàng)工藝技術(shù)在使用過(guò)程中也存在一些弊端，由于使用的強(qiáng)腐蝕溶液會(huì)產(chǎn)生化學(xué)污染，同時(shí)加工處理過(guò)程中需要消耗較多的資源能源，進(jìn)而需要進(jìn)行優(yōu)化與完善。

2.“先銑后彎”工藝。

“先銑后彎”工藝也是機(jī)身蒙皮展開(kāi)設(shè)計(jì)中比較常用的一項(xiàng)工藝技術(shù)，這項(xiàng)工藝在應(yīng)用時(shí)首先建立零件模型，再根據(jù)模型的尺寸標(biāo)準(zhǔn)在使用的零件材料上進(jìn)行加工處理，最后采用滾彎或者拉伸的方法對(duì)其進(jìn)行成形處理。該工藝在使用中對(duì)周?chē)h(huán)境的影響比較小，可以保證零件尺寸參數(shù)的準(zhǔn)確性，不需要工作人員進(jìn)行較多操作，與化學(xué)銑切工藝相比應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為明顯。但是這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用時(shí)必須要保證材料性質(zhì)的穩(wěn)定性，不能出現(xiàn)大幅度變形的情況這樣才能保證零件的應(yīng)用性能和使用強(qiáng)度。因此，該工藝特別適用于單曲率機(jī)身蒙皮的滾彎成形。

結(jié)語(yǔ)：零件展開(kāi)過(guò)程中會(huì)對(duì)零件的工藝性能產(chǎn)生較大影響，若沒(méi)有進(jìn)行針對(duì)性處理就會(huì)影響建模質(zhì)量和整體的加工效率，因此，對(duì)零件展開(kāi)過(guò)程中的工藝方法進(jìn)行細(xì)致分析，并在建模過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化和完善能夠提高飛機(jī)零件展開(kāi)技術(shù)的應(yīng)用水平。由于展開(kāi)工藝模型設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到的內(nèi)容比較多，有許多重復(fù)性作業(yè)，在反復(fù)操作期間容易出現(xiàn)操作失誤而影響零件質(zhì)量，基于這種情況可以研發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)通用性的操作軟件，能夠根據(jù)不同的零件展開(kāi)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行針對(duì)性處理，以此提高展開(kāi)工作的開(kāi)展效率。