基于3D 打印樣管輔助導(dǎo)管數(shù)字化制造方法

劉 洋，李瑞玲，賴明波，陳清根

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330096）

0 引言

導(dǎo)管由于輕量化、強韌化和低消耗等特點，被廣泛應(yīng)用于飛機液壓、燃油、環(huán)控和供氧等系統(tǒng)[1]。隨著計算機信息技術(shù)的飛速發(fā)展和三維數(shù)字化產(chǎn)品定義在飛機設(shè)計中的廣泛應(yīng)用，以數(shù)字量為制造依據(jù)的數(shù)字化制造方式成為導(dǎo)管制造的主流[2]。近幾年，關(guān)于導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)的研究逐漸增多，國內(nèi)飛機導(dǎo)管已經(jīng)逐步通過數(shù)控彎曲實現(xiàn)數(shù)字化制造[3]。導(dǎo)管數(shù)控彎曲的過程其實是導(dǎo)管依靠彎管模具在機床的作用下協(xié)調(diào)彎曲的過程，但飛機中的導(dǎo)管類零件數(shù)量龐大，走向多變，其中部分導(dǎo)管存在以下兩種情況從而無法進行數(shù)控彎曲：

1） 所要求的導(dǎo)管兩個彎曲段之間的直線段長度過短，不能滿足彎曲段之間的直線段長度不得小于2.5倍直徑的要求，此類導(dǎo)管彎曲后，其彎曲部位會被彎管模具夾傷（如圖1 所示）；

圖1 夾傷的導(dǎo)管

2） 在與機床空間協(xié)調(diào)彎曲過程中會出現(xiàn)導(dǎo)管與機床干涉的情況（如圖2 所示），此類干涉導(dǎo)管彎曲后不能滿足外形要求。由于飛機整體空間限制，上述兩類導(dǎo)管已經(jīng)無法進行走向調(diào)整，為了解決不可數(shù)控彎曲的導(dǎo)管制造問題，以往的解決方案一般為取樣制造。

圖2 機床干涉的導(dǎo)管

目前，國內(nèi)外對取樣導(dǎo)管制造研究較少，李金全[4]通過掃描測量獲取導(dǎo)管在箭體的實際裝配空間，通過模擬箭體總裝現(xiàn)場方法提供取樣條件，最終實現(xiàn)取樣導(dǎo)管數(shù)字化制造。魏強[5]提出利用激光掃描設(shè)備建立箭體實物點云模型，通過箭體實物點云模型建立取樣導(dǎo)管模型，最終實現(xiàn)取樣導(dǎo)管數(shù)字化制造。王露予[6]借助三維掃描儀獲取樣管點云數(shù)據(jù)，然后依據(jù)數(shù)據(jù)逆向建模，最終依據(jù)數(shù)字化模型實現(xiàn)取樣導(dǎo)管數(shù)字化制造。上述方法并未解決導(dǎo)管取樣受到實物導(dǎo)管裝配限制的問題。而傳統(tǒng)取樣制造因周期長、成本高等特點，又嚴重拖延了飛機研制的周期[7-8]。

為了實現(xiàn)不可數(shù)控彎曲導(dǎo)管的快速制造，結(jié)合取樣制造與數(shù)字化制造的特點，提出基于3D 打印樣管輔助導(dǎo)管數(shù)字化制造方法，為新機研制過程中出現(xiàn)的無法數(shù)控彎管的導(dǎo)管數(shù)字化制造提供一種新思路。

1 3D 樣管制造

傳統(tǒng)數(shù)字化制造導(dǎo)管的依據(jù)是數(shù)模轉(zhuǎn)化出的彎曲數(shù)據(jù)，部分導(dǎo)管不能數(shù)字化制造的根本原因是制造依據(jù)的數(shù)據(jù)信息不能通過數(shù)控機床傳遞至導(dǎo)管，為此導(dǎo)管只能采用手工彎管技術(shù)制造。手工彎管制造過程中需要依據(jù)樣管傳遞出的彎曲數(shù)據(jù)信息制造導(dǎo)管，而傳統(tǒng)樣管制造受到實物導(dǎo)管裝配的限制，制造周期長，且與數(shù)模存在偏差。 為解決上述問題，引入3D打印技術(shù)實現(xiàn)樣管制造。3D 打印技術(shù)的基本原理是通過軟件將三維模型處理生成一層一層的二維截面信息，最后由成型設(shè)備經(jīng)過成形技術(shù)將材料堆疊打印所需產(chǎn)品。目前3D 打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為兩個方面：

1） 航空零件制造，使用3D 打印技術(shù)直接將結(jié)構(gòu)或功能性零件快速制造出來；

2） 航空模型、演示部件模具的快速制造，使用3D打印技術(shù)將航空模型或演示模具制造出來，主要用于教學(xué)或演示驗證[9-10]。由此表明3D 打印技術(shù)制造精度高，由其依據(jù)導(dǎo)管數(shù)模制造出3D 樣管能夠取代傳統(tǒng)樣管，實現(xiàn)彎曲數(shù)據(jù)信息傳遞的作用。使用Allcct 445 tank 3D 打印機采用聚乳酸（PLA）材料進行樣管的打?。ㄈ鐖D3），整個過程大約幾個小時至十幾個小時不等，不僅解決了導(dǎo)管取樣受到實物導(dǎo)管裝配限制的問題，縮短樣管制造周期，而且整體成本較低，滿足生產(chǎn)應(yīng)用的條件。

圖3 樣管3D 打印制造

2 導(dǎo)管手工彎制

3D 打印樣管制造完成后，依據(jù)3D 打印樣管傳遞出的彎曲數(shù)據(jù)信息，使用6mm 管料彎曲制造比尺，將產(chǎn)品直管料夾在手動彎管設(shè)備上的彎曲模具與夾模之間，調(diào)整好其夾緊程度，然后將比尺置于產(chǎn)品直管料上方，并按照比尺首個彎的方向推動手動彎管設(shè)備（如圖4），直至產(chǎn)品導(dǎo)管彎曲角度與比尺一致。 在彎曲第二個彎時，通過對比比尺空間旋轉(zhuǎn)角度，來調(diào)節(jié)產(chǎn)品導(dǎo)管的空間旋轉(zhuǎn)角度，后續(xù)每一彎都按上述步驟進行彎曲，彎曲過程始終使比尺與產(chǎn)品之間呈平行狀態(tài)，由于受彎曲回彈的影響，導(dǎo)管彎曲后外形會存在偏差，通過不斷比對產(chǎn)品導(dǎo)管與比尺，偏差較大處進行初步校形，校形完成后依據(jù)比尺端頭尺寸切除端頭余量，此時導(dǎo)管數(shù)模的彎曲數(shù)據(jù)信息已基本傳遞至導(dǎo)管，如圖5 所示。

圖4 導(dǎo)管彎制

圖5 樣管及產(chǎn)品導(dǎo)管

3 導(dǎo)管數(shù)字化控制

導(dǎo)管按樣管制造還存在制造一致性差的問題，為了提高導(dǎo)管制造精度，滿足其數(shù)字化制造的裝配要求，在初步校形完成后還增加了數(shù)字化控制環(huán)節(jié)，參考焊接導(dǎo)管的數(shù)字化控制方案，同樣以導(dǎo)管數(shù)模為依據(jù)定制專用導(dǎo)管校形檢驗架，用于導(dǎo)管最終校形及檢驗。該導(dǎo)管檢驗架模擬了導(dǎo)管在飛機上裝配的狀態(tài)，對導(dǎo)管走向的關(guān)鍵控制點，如轉(zhuǎn)彎點、易干涉位置、安裝固定點等均進行控制，檢驗架經(jīng)過激光跟蹤儀檢測，其制造精度為±0.1mm。 將產(chǎn)品管置于檢驗架上（如圖6 所示），檢查檢驗架上各個關(guān)鍵控制點與產(chǎn)品導(dǎo)管間的間隙，當存在間隙時，需進一步校形導(dǎo)管，直至導(dǎo)管與檢驗架貼合，至此整個制造環(huán)節(jié)形成閉環(huán)。

圖6 導(dǎo)管檢驗

4 應(yīng)用及分析

某型號飛機液壓系統(tǒng)導(dǎo)管彎曲時會與機床發(fā)生干涉，且該處裝配空間有限，管路走向已無法進行調(diào)整。采用上述方案制造導(dǎo)管，并將數(shù)字化控制前后的產(chǎn)品導(dǎo)管分別放入測量機中進行數(shù)字化測量，驗證其是否滿足數(shù)字化裝配要求。數(shù)字化測量過程是先將導(dǎo)管數(shù)模轉(zhuǎn)化出的彎曲數(shù)據(jù)（如導(dǎo)管直徑、LRA 彎曲數(shù)據(jù)等）輸入數(shù)字化導(dǎo)管測量機中，然后測量機會依據(jù)基本彎曲信息生成理論模型，接著測量機通過3D 影像捕捉技術(shù)捕捉被測導(dǎo)管彎曲信息并生成實物模型，最后測量機將檢測后生成的實物模型與導(dǎo)管理論模型自動對齊比對，自動得出偏差計算點（導(dǎo)管軸線的端點與彎曲段的切點）的徑向偏差、軸向偏差以及端點到端點距離等（如圖7 所示），整體檢測精度達到±0.01mm。數(shù)字化控制前的產(chǎn)品導(dǎo)管測量結(jié)果如表1所示，其端點到端點距離的偏差值為-0.3mm, 偏差計算點最大偏差值為1.15mm，端點到端點距離的偏差值直接反映導(dǎo)管端頭連接處的裝配狀態(tài)，偏差值的絕對值越小，裝配后產(chǎn)生的應(yīng)力越小，裝配狀態(tài)越好，偏差計算點的偏差值直接反映導(dǎo)管外形走向，偏差值的絕對值越小則越符合理論模型外形。表1 的測量結(jié)果表明，該導(dǎo)管端點到端點的距離偏差值＜0.5mm，能滿足導(dǎo)管裝配需求，但偏差計算點最大偏差值＞1mm，外形偏差較大，不能滿足數(shù)字化制造的驗收要求。分析認為：以導(dǎo)管數(shù)模為依據(jù)，通過3D 打印技術(shù)制造3D 樣管，后通過3D 樣管—比尺—產(chǎn)品導(dǎo)管的路徑實現(xiàn)了彎曲數(shù)據(jù)信息的傳遞。但是，導(dǎo)管彎曲是一個塑性變形的過程，受彎曲時導(dǎo)管回彈影響，在彎曲過程會造成偏差，彎曲完成后按比尺外形校形的過程需不斷比對導(dǎo)管與比尺，每次人工比對的基準不一致，且比對的過程均通過目視判斷，導(dǎo)致產(chǎn)品外形偏差依舊超出了數(shù)字化制造偏差要求。

表1 數(shù)字化控制前導(dǎo)管測量結(jié)果

圖7 某型號液壓導(dǎo)管偏差點示意圖

數(shù)字化控制后的產(chǎn)品導(dǎo)管測量結(jié)果如表2 所示，其端點到端點距離的偏差值為0.02mm，偏差計算點最大偏差值為-0.67mm。 表2 的測量結(jié)果表明，該導(dǎo)管端點到端點距離的偏差值的絕對值遠小于數(shù)字化控制前的產(chǎn)品導(dǎo)管，裝配應(yīng)力減小，裝配狀態(tài)更好，大多數(shù)偏差計算點的偏差值減少，產(chǎn)品導(dǎo)管實物外形與理論外形更加相近，且已能滿足數(shù)字化制造的驗收要求。分析認為：檢驗架端頭通過定位銷插入產(chǎn)品導(dǎo)管內(nèi)的方式進行尺寸控制，其定位插銷的外徑尺寸＝導(dǎo)管內(nèi)徑－0.1，能最大程度上控制端點到端點距離的偏差值，即最大程度上保證裝配狀態(tài)，另外在導(dǎo)管與檢驗架比對過程中依靠端頭控制點使得每次校形比對的基準較為一致，其他識別的控制點又能明確反映偏差程度，更利于整體校形，校形后偏差值大幅度下降。

表2 數(shù)字化控制后導(dǎo)管測量結(jié)果

5 結(jié)語

以不可數(shù)控彎曲導(dǎo)管制造為研究對象，開展了導(dǎo)管數(shù)字化制造研究。通過3D 打印技術(shù)制造樣管，再依據(jù)3D 樣管輔助制造導(dǎo)管，實現(xiàn)了彎曲數(shù)據(jù)信息傳遞，擺脫了導(dǎo)管取樣需待實物導(dǎo)管裝配的限制，縮短了零件制造周期，實現(xiàn)導(dǎo)管預(yù)制，為新機研制過程中后續(xù)導(dǎo)管裝配爭取了寶貴的時間。依據(jù)檢驗架的外形對導(dǎo)管進行校形，實現(xiàn)其數(shù)字化控制，提高了導(dǎo)管一次安裝合格率，減少了因裝配問題引發(fā)的返工。