逆向工程在載人艙球殼毛坯精確找正中的應用

■ 宜賓普什聯動科技有限公司 （四川 644000） 彭祝強 高 超 張 強 鄒嗣明

4 500m載人潛水器作為國家863計劃重大項目之一，是我國自主設計并制造的深海資源探測及救援工具。潛水器的核心部件載人艙球殼，材料為TC4鈦合金，其毛坯分為上、下兩個半球沖壓而成，完成機械加工后，最終將兩個半球焊接成一個整體圓球。

半球毛坯由一塊TC4鈦合金圓板沖壓而成，受沖壓工藝、板材材質、大厚度以及拉伸量過深等因素影響，半球毛坯外形極不規則，內外球面上甚至有多處凹坑，部分位置厚度接近精加工極限尺寸，加工余量偏小且極不均勻。由于毛坯價值非常高，采用傳統的劃線考料和機床考量找正等方法風險極大，需要確定毛坯所有部位精確的加工余量。

根據這種情況我公司采用三維掃描儀與傳統找正相結合的方法，在加工前進行數據驗證，最終解決了毛坯找正的難題，完成了產品的加工。

圖1 毛坯球面凹坑1

圖2 毛坯球面凹坑2

1. 毛坯存在的問題及找正風險

球殼毛坯外形極不規則，外徑尺寸約為φ2 258mm，內徑約為φ2 065mm，高度約為1 261mm，質量為5t。毛坯內外球面有多處凹坑（見圖1、圖2），口部直邊不平整，用超聲波測厚儀檢測，厚度最厚達到96mm，底部最薄處厚度為57mm，理論余量3mm，但受內外圓凹坑位置影響，實際余量小于3mm。

由于半球毛坯存在的問題以及鈦合金不規則外形的粗加工變形大，找正誤差、裝夾以及粗加工后真空退火處理變形等因素，加工風險很大。毛坯找正的重點在于底部最薄位置，同時要兼顧不規則形狀和多處凹坑。使用常規的劃線考料和機床考量等找正方法，無法確保所有部位加工余量足夠。正式加工前的首要問題就是建立毛坯的三維模型，之后實現球殼毛坯精確找正，將逆向工程的毛坯理想狀態在機床上找正時重現。

2. 建立毛坯三維模型和數據分析

（1）建立毛坯三維模型前的準備。為了使毛坯在機床上能按照逆向工程三維模型給出的數據精確定位，需要在毛坯2個工藝搭子上加工出拉直基準，在開口端面上銑出十字直邊，以方便打表定位（見圖3）。由于四個工藝搭子不平，需制作自適應調平壓緊工裝，避免工藝裝夾變形。

（2）逆向工程建立三維模型。載人艙球殼采用德國GOM公司的ATOS測量系統來建立毛坯的三維模型。其原理是用測量頭的兩個相機記錄下投射在物體表面的條紋圖像，軟件計算出測量點云的三維坐標。針對球殼毛坯的內外兩個面，將球殼分成多個部分分別進行測量。然后系統利用參考點，自動確定實測測量頭的位置，并將所有測量數據轉換到一個共同的物體坐標系里，由點云自動生成產品毛坯的三維模型（見圖4）。在照相時注重毛坯凹陷位置，力求數據準確。

（3）數據分析。通過ATOS三維掃描逆向工程后得到的數據點進行曲面重構，由各曲面通過UG軟件縫合成三維模型（見圖5），采用ATOS軟件與理論模型自動匹配得到基礎數據，分析出毛坯余量最小區域和值（見圖6）。毛坯最小余量位置在內球面底部，數值為0.9mm。

由于球殼圓周上要開孔，以焊接出入孔座和觀察孔座，所以盡可能地將毛坯有缺陷的位置在開孔時去除掉。參照ATOS得出的數據，用UG裝配手動調整逆向工程三維模型與理論模型位置，重點考慮底部余量最小區域和凹坑，同時兼顧毛坯各處余量盡可能均勻，得出機床的找正數據。

圖3 工件在機床上加工拉直基準和十字直邊

圖4 采用ATOS系統進行三維造型

圖5 球殼逆向工程得到的三維模型

圖6 ATOS自動匹配得到的最小余量數據

3. 機床找正及數據驗證

（1）機床找正。先將工件吊上自適應調平壓緊工裝，放平工件，用工裝上的支撐柱支撐工件上的4個工藝搭子并進行微調，用百分表粗拉直工藝搭子上的拉直基準。根據分析對比得到的機床找正數據（見圖7），用百分表調整工件的端面位置狀態，接近于找正數據。用百分表精拉直基準，后重新用百分表調整工件，使打表數據與機床找正數據相同。最后打表壓緊工件，工件壓緊狀態和自由狀態，百分表的變動小于0.05mm。

（2）機床數據驗證。工件毛坯按高度距離100mm，圓周30°的經緯度進行分點，在機床上用測量探頭采集半徑數據。數據采集完成后與毛坯三維模型數據對比分析，確定無誤后進行產品的基準平面和內、外圓基準的加工。

粗加工時內、外圓單面留量5mm加工，使毛坯大部分見光。工件開孔，焊接孔座，真空熱處理后重新逆向工程，建立三維模型，確認工件變形量及毛坯最小余量位置是否需要借量加工。

精加工前，在機床上用直徑10mm的球刀試切最小余量位置，見光毛坯面，最終確定是否借量加工。

4. 結論

逆向工程在載人艙球殼毛坯精確找正中得以成功應用，現載人艙球殼已完成加工，順利交付給客戶。針對半球毛坯存在的種種問題，使用了三維逆向工程建立毛坯三維模型，與理論模型進行最優化對比，獲得毛坯余量最優化的方案，并在機床加工找正環節，使用測量探頭驗證與逆向工程分析數據的一致性，實現了毛坯的精確找正。此方法為加工余量偏小的精密毛坯精確找正提供了一種有效手段。

圖7 機床找正數據

參考文獻：

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