隨著航空工業(yè)的發(fā)展，航空結(jié)構(gòu)件日趨大型化、復(fù)雜化，對(duì)相應(yīng)的數(shù)控加工裝備及數(shù)控加工技術(shù)的要求不斷提高。同時(shí)，無(wú)紙化設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，零件的三維數(shù)字模型開(kāi)始逐漸代替零件藍(lán)圖成為制造的*依據(jù)。作為制造依據(jù)，要求三維數(shù)字模型能夠表達(dá)零件的所有特征，并在保證零件性能的前提下，zui大化滿足零件加工的工藝性。
　　
　　從國(guó)內(nèi)各個(gè)航空項(xiàng)目的開(kāi)展情況來(lái)看，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開(kāi)始全面使用三維數(shù)字模型作為零件的制造依據(jù)，這是我國(guó)航空工業(yè)開(kāi)始逐漸邁向數(shù)字化制造的重要標(biāo)志之一。但是，在設(shè)計(jì)零件的三維數(shù)字模型過(guò)程中，由于與工藝人員之間缺乏溝通，設(shè)計(jì)人員不能很好地解讀零件特征的工藝性，對(duì)加工的流程和各類零件的加工策略涉入不深，導(dǎo)致了設(shè)計(jì)的三維數(shù)字模型工藝性差，不能直接指導(dǎo)工藝和生產(chǎn)，不能*工藝對(duì)模型的現(xiàn)代化要求。
　　
　　三維數(shù)字模型是設(shè)計(jì)人員與工藝人員的重要紐帶，是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息的集中體現(xiàn)。但是，設(shè)計(jì)人員與工藝人員對(duì)三維數(shù)字模型需求的出發(fā)點(diǎn)是不同的，設(shè)計(jì)人員是基于產(chǎn)品性能的角度考慮的，而工藝人員主要考慮的是產(chǎn)品的可制造性和制造成本等因素。
　　
　　現(xiàn)階段的三維數(shù)字模型還普遍存在滿足了性能要求但工藝性差的現(xiàn)象，這直接導(dǎo)致了制造成本的提高和效率的降低。
　　
　　本文從航空結(jié)構(gòu)件的發(fā)展特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工技術(shù)對(duì)三維數(shù)字模型的要求，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字模型建模技術(shù)進(jìn)行探討，論述了當(dāng)前航空結(jié)構(gòu)件三維數(shù)字模型建模技術(shù)的基本思路和發(fā)展方向。
　　
　　國(guó)內(nèi)航空結(jié)構(gòu)件三維數(shù)字模型建模技術(shù)現(xiàn)狀
　　
　　1工藝均需對(duì)三維數(shù)字模型進(jìn)行工藝性二次建模
　　
　　現(xiàn)階段，零件模型很難整體反映工藝信息，程編工藝員為增加工藝信息需二次建模，對(duì)模型中的點(diǎn)、線需要進(jìn)行移動(dòng)，對(duì)面需要進(jìn)行偏移或二次擬合，*改變了模型的原始依據(jù)，同時(shí)增加了更多的信息，容易導(dǎo)致模型的“污染”和“退化”等問(wèn)題。模型的更改同時(shí)造成了數(shù)據(jù)的二次處理和傳遞，為后續(xù)編制數(shù)控加工程序而進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了諸多的不便。
　　
　　2零件工藝性較差的現(xiàn)象還普遍存在
　　
　　由于設(shè)計(jì)人員對(duì)制造部門(mén)現(xiàn)有設(shè)備和工藝技術(shù)等情況不了解，對(duì)加工的流程和方法涉入不深，導(dǎo)致在有限的設(shè)計(jì)周期內(nèi)，零件模型的工藝性很難得到保證。
　　
　　如圖1所示，是2個(gè)典型的設(shè)計(jì)對(duì)制造了解不足造成的難加工零件。設(shè)計(jì)在建模過(guò)程中設(shè)置了很多封閉區(qū)域，這些地方不參與裝配沒(méi)有特殊要求。但對(duì)于加工而言，這些地方都是難加工區(qū)域，大大提高了加工難度和成本。

　　
　　3沒(méi)有對(duì)設(shè)計(jì)建模進(jìn)行指導(dǎo)的建模標(biāo)準(zhǔn)
　　
　　工藝與設(shè)計(jì)都沒(méi)有既定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，同一設(shè)計(jì)在不同項(xiàng)目或不同的設(shè)計(jì)在同一項(xiàng)目都可能出現(xiàn)相同的工藝性問(wèn)題，工藝員在每次新機(jī)型工藝審查時(shí)，對(duì)模型提出的問(wèn)題幾乎都是重復(fù)性的。
　　
　　4與差距較大
　　
　　隨著數(shù)字化制造技術(shù)的不斷發(fā)展，波音、空客國(guó)外兩大航空企業(yè)已經(jīng)在向無(wú)紙化設(shè)計(jì)、無(wú)紙化制造方向發(fā)展，都有各自規(guī)范的、可操作的建模標(biāo)準(zhǔn)，其對(duì)結(jié)構(gòu)件建模過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格的控制，充分考慮零件制造的性能以及制造要求。
　　
　　如圖2所示為空客公司的建模標(biāo)準(zhǔn)。
 

　　
　　面向裝配協(xié)調(diào)和加工工藝的建模技術(shù)
　　
　　1影響結(jié)構(gòu)件數(shù)字建模的要素
　　
　　一個(gè)合格結(jié)構(gòu)件模型的zui基本的要求是滿足使用要求，也就是結(jié)構(gòu)尺寸滿足要求并能滿足航空結(jié)構(gòu)件高精度裝配的要求。在此基礎(chǔ)上，本文就以下幾個(gè)方面討論數(shù)字建模的影響要素。
　　
　　1.1硬件條件對(duì)設(shè)計(jì)建模的影響
　　
　　設(shè)備加工能力是零件設(shè)計(jì)需要考慮的重要要素。不同結(jié)構(gòu)、尺寸、功率、精度的設(shè)備所適應(yīng)的被加工零件都有所不同。設(shè)備的這些因素決定了加工零件的材料、尺寸、結(jié)構(gòu)等各個(gè)方面，是數(shù)字化建模需要重點(diǎn)考慮的因素之一。
　　
　　刀具消耗是數(shù)控加工中成本消耗的主要部分，對(duì)產(chǎn)品的制造成本、制造周期都有直接的影響。刀具的結(jié)構(gòu)、材料、精度等對(duì)零件的加工效率以及成本控制都有很大的影響。如公式（1）中，刀具的長(zhǎng)徑比A是指刀具長(zhǎng)度H與刀具直徑D之間的比值，是刀具使用的重要參數(shù)。充分考慮刀具成本和加工性能，一般情況下，加工過(guò)程中推薦長(zhǎng)徑比A為2.5，在槽腔設(shè)計(jì)過(guò)程，應(yīng)盡量保證加工過(guò)程中各刀具長(zhǎng)徑比不大于2.5。
　　
　　A=H/D。（1）
　　
　　1.2裝配要求對(duì)設(shè)計(jì)建模的影響
　　
　　結(jié)構(gòu)件作為個(gè)體其zui終要通過(guò)裝配形成組合件實(shí)現(xiàn)其功能，所以裝配要求對(duì)設(shè)計(jì)建模是非常重要的。裝配的協(xié)調(diào)關(guān)系、精度要求和尺寸鏈都直接影響到結(jié)構(gòu)件的三維數(shù)字建模。對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)件而言，參與裝配協(xié)調(diào)的特征一般加工要求較高。充分考慮裝配要求，在建模過(guò)程中合理設(shè)置結(jié)構(gòu)尺寸和精度要求能夠合理配置資源。
　　
　　1.3工藝技術(shù)水平對(duì)設(shè)計(jì)建模的影響
　　
　　工藝技術(shù)水平對(duì)設(shè)計(jì)建模有很大的影響。比如鈦合金的加工、鈦合金整體框的加工、插銑技術(shù)、制造技術(shù)等直接影響航空結(jié)構(gòu)件中鈦合金零件的應(yīng)用比例。另外，隨著材料學(xué)和材料加工工藝的不斷發(fā)展，復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)件中開(kāi)始大量應(yīng)用，這也對(duì)復(fù)合材料的數(shù)字建模提出了新的要求。
　　
　　2面向裝配協(xié)調(diào)和加工工藝的建模方法
　　
　　2.1充分考慮結(jié)構(gòu)件裝配及加工要求
　　
　　通過(guò)對(duì)航空結(jié)構(gòu)件的工藝特性進(jìn)行研究，將所有零件分成整體框、半框、細(xì)長(zhǎng)梁、側(cè)梁、接頭、型材、肋、壁板、復(fù)材等9大類，并進(jìn)一步按大小分成18小類。每類零件都有其裝配要點(diǎn)和加工工藝特點(diǎn)，如何在*的條件下加工出滿足裝配使用要求的結(jié)構(gòu)件，就需要綜合考慮裝配和加工的要求，其根本在于對(duì)于結(jié)構(gòu)件的特征進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的建模標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
　　
　　2.2面向加工工藝的建模方法
　　
　　零件加工過(guò)程中，具體局部結(jié)構(gòu)特征的加工處理極為重要，是形成零件故障的主要因素，所以，局部結(jié)構(gòu)特征的建模非常重要。通過(guò)對(duì)航空結(jié)構(gòu)件的典型特征進(jìn)行分析，抽取出槽、筋、腹板、凸臺(tái)、下陷、型面、孔等典型特征，對(duì)各特征加工過(guò)程中的影響要素進(jìn)行清理，對(duì)結(jié)構(gòu)特征本身特點(diǎn)和加工工藝進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，總結(jié)各種具體結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的工藝性問(wèn)題，并提出設(shè)計(jì)改進(jìn)辦法，同時(shí)對(duì)難以加工或存在隱患的部分進(jìn)行重點(diǎn)考慮。
　　
　　如圖3所示，是一個(gè)航空結(jié)構(gòu)件局部結(jié)構(gòu)綜合模型。結(jié)合裝配協(xié)調(diào)要求和加工工藝條件，下面針對(duì)槽類結(jié)構(gòu)做一個(gè)介紹。

　　
　　（1）避免二次加工影響的偏移。
　　
　　槽類結(jié)構(gòu)的作用是在滿足結(jié)構(gòu)件性能要求的情況下zui大程度上減輕結(jié)構(gòu)件的重量。槽一般都是采用大刀具加工大面、小刀具接轉(zhuǎn)角和底角等多次加工。如圖4所示，在不同刀具多次加工時(shí)，如筋條之間的轉(zhuǎn)角處和筋條與腹板之間的底角處，留出標(biāo)準(zhǔn)的偏移量。　

圖4槽內(nèi)避免二次加工的偏移
　　

　?。?）內(nèi)形加工的簡(jiǎn)化要求。
　　
　　在槽內(nèi)的筋條與腹板之間的角度盡量呈90°，簡(jiǎn)化零件內(nèi)形加工，如圖5所示。槽內(nèi)底角盡量一致，不同的底角不僅有換刀具加工的問(wèn)題，而且不同底角間的過(guò)渡很難表達(dá)和加工。為避免在轉(zhuǎn)角處拉刀導(dǎo)致轉(zhuǎn)角處壁厚尺寸超小和轉(zhuǎn)角處表面質(zhì)量問(wèn)題，盡量采用圖示方式確定轉(zhuǎn)角大小，并滿足公式2（其中R表示零件轉(zhuǎn)角，D為刀具直徑）。各部分進(jìn)行布爾運(yùn)算前將零件的轉(zhuǎn)角、底角制出來(lái)，這樣可保證與實(shí)際加工效果一致，而且所有倒角都是可以實(shí)現(xiàn)的R=D/2+1。（2）
 

　　
　　3）閉角設(shè)計(jì)方法。
　　
　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求必須使用閉角的設(shè)計(jì)，閉角殘留難以清除，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量考慮確保殘留保留的情況下滿足裝配條件。采用刀具的方案應(yīng)盡量避免。常用的標(biāo)準(zhǔn)系列化刀具技術(shù)十分成熟，質(zhì)量高，而刀具的使用頻率低，技術(shù)不成熟，加工的質(zhì)量也難以保證。
　　
　?。?）深槽設(shè)計(jì)方法。
　　
　　由于裝配等相關(guān)原因，部分槽深度較大，如果采用通常設(shè)計(jì)方法，加工時(shí)刀具很長(zhǎng)，無(wú)法保證零件質(zhì)量?？刹捎梅侄蔚呐_(tái)階設(shè)計(jì)，使各段加工過(guò)程始終保持較小的刀具長(zhǎng)徑比，利于加工。如圖6所示，筋條臺(tái)階（偏移量X），零件各個(gè)高度H與所使用的刀具直徑D之間應(yīng)該滿足公式（3）的要求，且總高度H滿足公式（4）的要求。
　　

圖6深槽設(shè)計(jì)示意圖
　　

　　Hi<Di（i=1，2，3，…），（3）
　　
　　H≤ΣHi（i=1，2，3，…）。（4）
　　
　　2.3綜合考慮裝配協(xié)調(diào)要求的建模技術(shù)
　　
　　按照傳統(tǒng)的制造方式，裝配需要對(duì)各參裝零件進(jìn)行局部控制，綜合考慮飛機(jī)外形容差與零件容差積累的總體外觀控制、套合下陷誤差積累的裝配干涉因素、兩零件間連接件長(zhǎng)度控制積累的局部修挫余量、定位點(diǎn)提前預(yù)制等各種因素，以達(dá)到zui終總體協(xié)調(diào)。在新的建模思想下應(yīng)該將這部分內(nèi)容直接納入零件的建模中去。
　　
　　總體控制在三維數(shù)字模型中應(yīng)該得到反映。如圖7所示，建模時(shí)必須考慮裝配后零件長(zhǎng)度方向的累積誤差。長(zhǎng)度方向裝配在一起的零件，必須在零件理論設(shè)計(jì)時(shí)留出間隙，以防止裝配后超長(zhǎng)。模型設(shè)計(jì)應(yīng)該注意套合區(qū)的設(shè)計(jì)，如圖8所示。套合區(qū)深度應(yīng)該考慮制造公差滿足套合要求，留出理論間隙。充分考慮裝配干涉等問(wèn)題，限制局部底角或轉(zhuǎn)角的公差，將公差控制在全正向公差或全負(fù)向公差，在零件詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)納入，將零件理論尺寸控制在不干涉的范圍，公差控制為正負(fù)向均分。
 

　　
　　另外，為了確保成品、導(dǎo)管在零件上快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地安裝，在數(shù)模設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)裝配要求，直接在結(jié)構(gòu)件上設(shè)置精度要求不高的裝配初孔，從而大大提高裝配速度和精度，降低制孔成本。
　　
　　結(jié)束語(yǔ)
　　
　　本文在簡(jiǎn)要分析航空結(jié)構(gòu)件數(shù)字模型建立的現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)階段建模過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品研制的不利因素，提出了一些結(jié)構(gòu)件模型建立技術(shù)的思路，從而在滿足裝配協(xié)調(diào)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)了航空結(jié)構(gòu)件的加工。

　　（文章來(lái)源：航空制造網(wǎng)）