飛機長桁類零件工藝板坯數(shù)模的展開設計

中航飛機西安飛機分公司 張耀平 陳金平 黨建衛(wèi) 楊 亮 武 杰

現(xiàn)代飛機普遍具有復雜的雙曲率氣動外形，因而存在大量形狀隨外形曲率變化的長度可達10m以上的條形零件，其中以長桁最為典型，本文將這類零件稱為長桁類零件。作為承受機體載荷和支撐氣動外形的重要承力件，長桁類零件在飛機結構中大量運用。外形曲率變化復雜、結構特征多、成形精度要求高等特點使長桁類零件的制造工藝成為航空制造領域的重要研究方向。

目前長桁類零件最常用的加工方法是：首先將零件設計數(shù)模在三維CAD軟件中進行展開設計，建立零件的工藝板坯數(shù)模；然后用三坐標數(shù)控銑床加工出工藝板坯；最后采用彎扭成形等工藝將其成形為最終形狀。與傳統(tǒng)的直接采用五坐標數(shù)控機床進行加工的方法相比，這種加工方法效率高、節(jié)省材料、零件成形性能好。零件設計數(shù)模的展開設計是指從零件的設計數(shù)模出發(fā)，逆向求取其工藝板坯數(shù)模的過程，是零件設計數(shù)模向中間過渡數(shù)模的逆向轉換過程?？焖贉蚀_的工藝板坯數(shù)模展開設計方法對于提高零件加工質量和效率、降低生產(chǎn)成本具有重要的工程意義。

在長桁類零件設計制造方面，一些研究人員和工程工作者開展了廣泛的探索研究和工程應用。裴蕾等[1]對飛機長桁類結構件進行特征劃分，利用參數(shù)化技術建立與裝配環(huán)境相關聯(lián)的特征模型，實現(xiàn)了基于特征的飛機長桁類結構件快速建模系統(tǒng)架構。田愛萍[2]通過分析零件幾何特征，在掌握長桁類零件外形變化規(guī)律的基礎上，成功將零件工藝板坯成形為設計形狀。展開設計方面，張賢杰等[3]通過開發(fā)零件外形曲面的最小差量協(xié)調展開算法，解決了飛機整體壁板類零件的展開計算。曹蔚等[4]提出一種針對下陷特征的展開算法，編程實現(xiàn)了該類飛機鈑金件的的自動展開。然而，國內目前鮮有關于長桁類零件工藝板坯數(shù)模展開設計的公開文獻。

為有效改善長桁類零件的加工工藝，提高加工效率，下文將基于零件的結構特點和成形工藝，提出一種在CATIA V5軟件中實現(xiàn)零件設計數(shù)模向工藝板坯數(shù)模的展開轉換方法。同時，為避免零件成形過程中產(chǎn)生的延展變形造成的超差甚至報廢，進一步描述在展開轉換過程中對該延展變形進行前置補償?shù)姆椒ā?/p>

1 長桁類零件的結構特點

長桁類零件的結構特點體現(xiàn)為：零件通過在基礎特征上添加局部特征形成，其中基礎特征是指包括T字型、工字型、Z字型等在內的類型材結構，局部特征是指在基礎特征上添加的切邊、凸臺、耳片、孔等局部結構。零件設計數(shù)模的建模過程一般包括如下步驟：(1)基于零件與飛機氣動外形的位置關系構造零件基準線，沿基準線選取若干個位置(優(yōu)先選取有配合關系的位置或其他關鍵位置)，作出各位置處零件基礎特征的截面草圖；(2)以零件的基準線為引導線，通過各截面草圖拉伸出基礎特征；(3)在基礎結構上添加零件的局部特征。

圖1是典型長桁零件及其建模過程示意圖，該零件由基礎特征和局部特征(切邊)構成，其中基礎特征以基準線為引導線，拉伸截面草圖獲得，切邊通過平面分割基礎特征獲得。后文將具體描述該零件工藝板坯數(shù)模的展開設計方法。

圖1 典型長桁零件及其建模過程Fig.1 Typical stringer structure and its modeling process

2 長桁類零件的展開設計

2.1 基礎特征的展開

基礎特征的展開轉換精度直接決定長桁類零件工藝板坯數(shù)模的建模精度以及零件的最終成型質量。展開設計時，首先任作一個平面作為展開平面，在展開平面上任意作一條與零件基準線長度相等的直線作為展開基準線；然后，在設計數(shù)模中作出截面草圖所在平面與長桁基準線的交點，并將該交點映射到展開基準線上。當截面草圖不是平面圖形時，通過向平面投影的方法將其轉化為平面圖形；接著，通過局部笛卡爾坐標系對零件的基礎特征進行展開轉換，具體涉及2個環(huán)節(jié)：(1)分別在設計數(shù)模中各截面草圖所在平面與基準線的交點處和展開基準線上各對應的映射點處建立局部笛卡爾坐標系，2數(shù)模中局部笛卡爾坐標系的坐標軸方向協(xié)調一致。以圖1所示的長桁為例，在設計數(shù)模中，以各截面草圖與引導線的交點為原點建立局部笛卡爾坐標系OXYZ，坐標軸方向如下：X軸沿各交點處零件基準線的切線方向，Y軸沿各交點處零件底面的法線方向。在展開數(shù)模中，以各映射點為原點建立局部笛卡爾坐標系O'X'Y'Z'，坐標軸方向如下：X'軸沿展開基準線方向，Y'軸沿展開平面法線方向，坐標軸正向與設計數(shù)模中的OXYZ協(xié)調一致。(2)將設計數(shù)模的所有截面草圖通過各自的局部笛卡爾坐標系OXYZ轉換到展開數(shù)模中的對應局部笛卡爾坐標系O'X'Y'Z'中，得到展開截面草圖，如圖2所示；最后，以展開基準線為引導線，通過展開數(shù)模截面草圖拉伸出長桁的展開數(shù)模的基礎特征，結果如圖3所示。

圖2 截面草圖的局部笛卡爾坐標系轉換Fig.2 Transformation of section sketches by local Cartesian reference frame

圖3 基礎特征的展開結果Fig.3 Spread-modeling result of basic feature

2.2 局部特征的添加

在展開基礎特征上添加局部特征的基本思路為：首先，提取局部特征的特征點，通過特征點作零件基準線的法平面，法平面與零件基準線的交點即為特征點的基準點；然后，與基礎特征的展開過程類似，以基準點及其在展開基準線上的映射點為原點分別建立坐標系，通過坐標系轉換實現(xiàn)特征點在展開數(shù)模中的定位。其中，特征點的提取原則是通過提取的特征點可以重構局部特征。例如，本文示例長桁零件的局部特征是通過平面切割零件基礎特征形成的切邊，其特征點應該是平面上不在一條直線上的3個點。將這3個點轉換到展開數(shù)模中后，就可以構造出展開后的切割元素，進而構造出切邊，具體過程如圖4～6所示。

需要說明的是，設計數(shù)模中切邊通過平面切割出來，該平面通過坐標系轉換后，理論上應該變成了曲面，而上述過程仍將其近似為平面。由于長桁類零件的彎曲曲率通常比較小，這種近似處理一般能夠滿足工程精度要求。另外，由于長桁構造形式或展開工藝要求的不同，上述展開轉換過程往往會有所變化。個別工藝要求將零件靠近飛機氣動外形的曲面展平，這類零件的展開設計過程可參考文獻[3]中描述的整體壁板的展開建模過程。

圖4 特征點的提取與映射Fig.4 Selecting and mapping of characteristic points

圖5 特征點的局部笛卡爾坐標系轉換Fig.5 Transformation of character points by local Cartesian reference frame

圖6 局部特征的展開結果Fig.6 Spread-modeling result of local feature

3 延展變形的前置補償

上述展開設計過程只是將零件設計數(shù)模簡單地展開為工藝板坯，而沒有考慮成形時的彈塑性變形。實際上，零件在彎扭成形過程中，外部作用力迫使零件內部材料發(fā)生延展變形，導致零件成形后尺寸大于設計值。

處理這種延展變形的傳統(tǒng)方法是，成形前在零件端頭預留一定加工余量，裝配過程中將加工余量和延展變形量一并切除。然而，隨著產(chǎn)品設計復雜度的不斷提高，零件局部特征的制造精度要求越來越高，傳統(tǒng)方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代高性能飛機零件的精度要求。在工藝數(shù)模設計過程中對零件的成形延展進行前置補償是提高零件制造精度和實現(xiàn)無余量裝配的有效途徑。

環(huán)境溫度、成形工藝參數(shù)以及材料本身應力狀態(tài)等因素的交錯影響，導致零件延展變形的隨機性大，變形量難以精確計算。由于國內關于這類延展變形產(chǎn)生機理的研究還不夠深入，通過試驗測量獲取變形量是目前相對折中的方法。獲得變形值后，在零件展開設計過程中，通過下式修正映射點在展開基準線的位置，即可實現(xiàn)延展變形的前置補償。

式中，對于基礎特征，L指板坯數(shù)模中相鄰兩映射點之間的展開基準線的長度，M指原設計數(shù)模中對應于L的基準線的長度，試驗測量數(shù)值N指將原設計數(shù)模不經(jīng)延展補償直接展開為板坯數(shù)模，并加工成形后M對應的長度。對于局部特征，L指板坯數(shù)模中基準點的映射點與展開基礎特征中的某一映射點之間的展開基準線的長度，M指設計數(shù)模中對應于L的基準線的長度，試驗測量數(shù)值N指將原設計數(shù)模不經(jīng)延展補償直接展開為板坯數(shù)模，并加工成形后M對應的長度。

4 結束語

(1)快速準確的長桁類零件工藝板坯展開設計方法，對于提高飛機數(shù)字化制造水平，縮短飛機研制周期具有重要意義； (2)文中描述的展開設計過程是以零件基準線為基準進行的。對于部分沒有設計基準線的零件，可嘗試通過人為構造基準線的方法實現(xiàn)展開設計；(3)目前的延展變形補償方法需要通過試驗件獲得變形值，工藝成本大、制造周期長?；谠囼灁?shù)據(jù)研究延展變形的解析計算或有限元仿真方法，是進一步完善長桁類零件成形工藝的必經(jīng)之路。

[1] 裴蕾，黃翔，王強,等．基于特征的飛機長桁類結構件快速建模系統(tǒng)研究. 飛機數(shù)字化制造技術學術會議.南京：2011．

[2] 田愛萍．ARJ21復雜雙曲面長桁類零件彎扭復合冷成型方法．西安航空技術高等?？茖W校學報, 2008(26)：11-13．

[3] 張賢杰,裴廣勇，王俊彪．基于UG的飛機整體壁板類零件數(shù)字化展開.航空制造技術，2003(2)：57-60．

[4] 曹蔚,甘忠,李立軍. 帶下陷航空鈑金零件展開及參數(shù)化建模研究. 鍛壓技術, 2010,35(5)：148-151．