單曲度化銑蒙皮數字化精確制造技術

王惜晨 鐘李欣 張釗

摘 ?要：目前，在飛機單曲度化銑蒙皮制造過程中，還未完全做到數字量傳遞，多是采用數字量加模擬量的協調方法生產零件。本文主要論述了如何通過全數字量協調、制造達到單曲度化銑蒙皮精確制造的目標，實現飛機鈑金行業數字化制造能力的提升。以某新機型研制為契機，本文闡述了技術人員應用全數字量協調法，采用先進的數字化設備，實現單曲度化銑蒙皮精確制造的方法。

關鍵詞：數字量協調;數字化制造;銑切

中圖分類號：TG54 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）12-0168-02

Abstract：At present，in the manufacturing process of aircraft single curvature milling skin，digital quantity transfer has not been achieved completely，and most parts are produced by the coordinated method of digital quantity plus analog quantity. This paper mainly discusses how to achieve the goal of precise manufacturing of single curvature milling skin through full digital coordination and manufacturing，and how to improve the digital manufacturing capability of aircraft sheet metal industry. Taking the development of a new type of machine as an opportunity，this paper expounds the method that technicians use full digital coordination method and advanced digital equipment to realize the precise manufacturing of single curvature milling skin.

Keywords：digital quantity coordination;digital manufacturing;milling

0 ?引 ?言

當前數字化技術的發展應用已經廣泛涉及各行各業，同樣也給航空制造技術帶來深刻的變革，引領航空制造技術飛速發展。但受諸多因素影響，一方面，鈑金件制造的數字化發展相對滯后，傳統的“機械作業+手工敲打”模式已經無法滿足現代飛機對結構外形的高要求，要實現飛機制造技術的整體發展，鈑金件制造技術必須有所突破;另一方面，隨著航空企業的不斷發展，鈑金行業擁有先進數字化制造設備，像五坐標數控鈑金輪廓銑銑切、數控龍門激光刻型機及其柔性托架設備的引用、應用也大大提升了鈑金蒙皮零件數字化制造能力。以蒙皮類零件作為數字化鈑金件制造發展的突破口，結合新機研制契機，在單曲度化銑蒙皮制造過程中，通過全數字量協調、制造淘汰了數字量加模擬量協調、制造，實現單曲度化銑蒙皮精確制造技術，滿足型號發展需求。

1 ?現狀概述

某型機部件裝配采用蒙皮凈邊無余量裝配方式，零件裝配定位孔孔位公差為0.2mm。嚴格的裝配需求，給化銑蒙皮零件的制造提出了更高的要求。但在實際生產過程中，由于各環節的公差積累以及零件回彈問題，給單曲度化銑蒙皮的精確制造提出難題。

在現有的數字化產品定義條件下，單曲度化銑蒙皮目前采用的加工方法為：下料滾彎成形→按化銑樣板制兩定位孔→激光刻型→激光跟蹤儀檢測→化銑→化銑區檢測→輪廓銑銑切→用明膠圖或樣板檢查輪廓。

這樣的單曲度化銑蒙皮制造過程，并未完全做到數字量傳遞，而是采用數字量加模擬量的協調方法來制造零件，零件制造過程必須使用展開樣板、切鉆樣板、化銑樣板、切面樣板等工藝裝備來制造、協調或驗收，即通過展開樣板和切面樣板的共同協調使用，保證零件的外形準確性;使用零件外形和切鉆樣板協調取制零件定位孔，作為協調化銑樣板的依據，并在激光刻線中作為外形定位的依據，成為協調化學銑切的基準孔。而在零件交檢時因缺乏數控測量技術，將切鉆樣板、明膠板作為最終零件交檢依據。化銑樣板和切鉆樣板屬于工作樣板，是通過標準樣板手工研合的，在傳統的模擬量協調法中是傳遞零件化銑刻線以及切割零件輪廓、制孔用的。在數字化制造過程中，先進的激光刻型技術已經淘汰了傳統的手工刻線，化銑過程中不再需要化銑樣板，同時五坐標數控輪廓銑也取代了手工切割，只要采用數字量傳遞法，CAD/CAM工作法協調即可達到單曲度化銑蒙皮精確制造的目的。

2 ?技術方案

2.1 ?研究對象

對傳統的采用數字量加模擬量協調制造的單曲度化銑蒙皮零件，以及采用化銑樣板/明膠板作為交檢依據的單曲度化銑蒙皮零件，采用CAD/CAM工作法協調，通過零件的CAE仿真、數字化成形、數控輪廓銑切、數字化檢測技術，去除其中的協調檢測實物樣板，全面實現單曲度化銑蒙皮零件的全數字化加工。

中機身單曲度化銑蒙皮精確制造過程中存在以下問題：如何數字化協調蒙皮定位基準及孔的取制;蒙皮成形回彈對精確制造的影響;激光刻型、輪廓銑加工完后，在柔性托架上的數字化檢測方法。

2.2 ?全數字化協調法

為了實現數字化產品定義的單曲度化銑蒙皮精確制造技術，以及減少化銑樣板的應用，降低零件的制造成本，提供一種全數字量協調的適用于單曲度化銑蒙皮精確制造的方法，其特征在于采用數字量傳遞法，CAD/CAM工作法協調零件，取消化銑樣板、切鉆樣板帶來的制造和使用誤差。

2.3 ?滾彎成形回彈

滾彎成形應用于機身、機翼蒙皮、副油箱外蒙皮等單曲度零件，是航空制造領域廣泛應用的一種板材成形方法，通過設置三軸滾床滾軸的中心距，調整板材彎曲角度，使板材發生塑性變形，最終達到預期理論型面的過程。

2.4 ?數字化檢測技術

航空領域常用的現有數字化檢測設備有關節臂、激光跟蹤儀、激光雷達、照相測量系統、三維掃描儀等等。

關節臂FARO Q08，關節臂式坐標測量系統由多個關節構成，安裝有測量探頭的測量臂為測量端，可由人牽引在物體表面滑動掃描。有效測量半徑為2.4m，取點測頭最小為3mm。具有操作方便，靈活性強，測量精度高，成本低等特點。目前主要應用于檢測小零件的孔距、倒角等。對于大尺寸的蒙皮類零件，存在以下問題：因測量范圍局限，需多次轉站才能完成蒙皮零件信息獲取，轉站次數多勢必導致測量精度降低;再有就是球形測頭很難識別化銑刻線。

激光跟蹤儀是空間大尺寸三維坐標測量儀器，具有高精度、高效率。也是目前唯一在化銑蒙皮零件上開展應用的測量設備。主要應用激光跟蹤儀對單曲度蒙皮零件激光刻型準確度進行檢測，技術較成熟，以應用在各機型化銑蒙皮激光刻型檢測中。

三維數字攝影測量技術是建立在數字成像、圖像處理和精密測量原理基礎上的新型精密測量技術。它是一種高精度、非接觸式測量的數字化測量手段，其具有測量現場工作量小、快速、高效和不易受溫度變化、振動等外界因素的干擾等優點。

手持式激光掃描儀通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率的快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。并且可以快速、大量的采集空間點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。

3 ?實施應用

以某型機中機身側上左蒙皮為例，它是一種單曲度化銑蒙皮，材料為2524-T3-δ0.10。傳統數字量加模擬量協調時，以零件定位基準孔、化銑區以及邊緣線、窗框開口制造、檢驗依據為樣板，公差積累大，難以滿足部件無余量裝配及定位孔0.2mm位置度需求。而采用單曲度化銑蒙皮精確制造協調方法，是基于數字化產品定義的CAD/CAM工作法，能夠實現全數字量傳遞，提高零件制造精確度，滿足裝配需求。

3.1 ?工藝數模建立

在產品數模基礎上取制零件定位基準孔，為了更好地定位及防差錯，一般在零件外毛料上取制3個定位基準孔（A、B、C）。A、B孔為主定位孔，取在零件長度方向兩端外延等寬線中點，定位孔中心距零件邊緣至少40mm;C孔為從定位孔取在A或B孔同側，間距100mm以上;3孔均為點的法向孔，直徑為Φ8。

3.2 ?蒙皮毛坯展開計算

按工藝數模中性層半徑計算展開長度。提取中性層曲面，利用CATIA V5曲面展開模塊展開，;展開毛坯周邊增加30mm化銑余量;長度方向兩端沿化銑余量再增加70mm余量，用于取制定位孔。數控銑切加工零件毛坯，同時取制出零件上3個定位基準孔（A、B、C），毛坯上窗框內孔不開通。

3.4 ?化學銑切

使用工藝數模構建激光刻型模型、編制數控程序;柔性立柱位姿調整至最佳理論外形，以A、B、C基準孔定位，蒙皮理論外形貼合、吸附在柔性立柱上保型，進行零件所有化銑區域的精確刻型。在蒙皮內表面取化銑區域特征點，應用激光跟蹤儀對蒙皮刻線特征點進行檢測，其X、Y方向公差滿足±0.5mm（包含設備誤差、測量誤差）。完成零件化學銑切，使用測量工具（卡尺、鋼板尺）檢查化銑筋條寬度，公差滿足±0.75mm。

3.5 ?數控銑切

使用工藝數模編制數控銑切模型及程序，柔性立柱位姿調整至最佳理論外形，以A、B、C基準孔定位，蒙皮理論外形貼合、吸附在柔性立柱上保型，通過數控銑切粗加工和精加工分步實現零件輪廓銑切、定位孔取制，加工完成。零件依托于柔性立柱保型，使用激光跟蹤儀等數字化檢測設備，匹配坐標系對零件進行數字化測量，其型面及輪廓線公差滿足±0.5mm以內。

4 ?結 ?論

通過數字化協調、制造實現單曲度化銑蒙皮精確制造技術，推進鈑金件數字化制造技術發展能力。但在蒙皮件數字化發展過程中，數字化檢測技術仍是瓶頸。檢測時間長、點云數據降噪處理、輪廓點的數量及密度、柔性立柱位姿分布對保型的影響等都是需要進一步細化研究的內容。隨著航空工業的不斷發展，新型號產品中的鈑金件復雜性不斷增加，新材料不斷應用，新結構不斷涌現，同時對制造周期和質量要求不斷提高，鈑金件制造面臨著層出不窮的新挑戰、新突破，以數字化為核心不斷發展鈑金件制造技術轉型升級。

參考文獻：

[1] 《航空制造工程手冊》總編委會.航空制造工程手冊·飛機鈑金工藝 [M].北京：航空工業出版社，1992.

[2] 王俊彪，劉闖，王永軍，等.鈑金件數字化制造技術 [M].北京：國防工業出版社，2015.

作者簡介：王惜晨（1983-），女，漢族，陜西西安人，主管工藝，工程師，本科，研究方向：鈑金成形。