大型飛機零件展開工藝模型設計技術與應用

◎金立強

現代大型飛機中的零件種類比較多，其中包括許多復雜曲面零件，這類零件在進行生產加工的過程中需要應用展開工藝模型，展開工藝模型設計技術的應用能夠確定具體零件的尺寸，不用進行后續修邊處理工作，而且還可以避免材料上的浪費，保證零件尺寸的準確性提高零件成形質量。因此，加強對大型飛機展開工藝模型設計技術的研究與應用對航空制造行業的發展有著重要意義。

一、機翼整體壁板的展開設計

1.展開流程。

作為連接設計和制造的紐帶工藝，機翼整體壁板展開設計主要涉及展開外形曲面、映射結構特征和重構板坯模型3個步驟。整體壁板外形曲面多為幾何上不可精確展開的雙曲率曲面，強制展開需要進行合理的工程近似，難免產生一定的展開誤差。根據展開原理的不同，雙曲率曲面展開方法可分為幾何方法和力學方法2類。將外形曲面展開為平面后，需要進一步確定壁板結構特征在展開平面的對應位置，這一過程稱為結構特征的映射。

2.展開工藝模型關鍵技術。

（1）復雜外形曲面的精確展開。整體壁板的制造精度要求高，展向長度20m左右的整體壁板，制造允許誤差通常只有2mm-3mm。無論采用何種曲面展開方法，都容易出現展開誤差過大的情況，導致最終建立的展開工藝模型超差。為有效控制外形曲面的展開精度，展開前后應進行展開誤差檢測和必要的曲面優化處理。CATIA軟件提供的多種曲面處理功能，包括多截面曲面、網格曲面以及通過點云構造曲面等，都可以用于壁板外形曲面的優化。

（2）變厚度壁板蒙皮的快速展開。構造變厚度壁板蒙皮板坯的傳統方法是手工在內型面上取大量點，逐個測量各點處壁板蒙皮的厚度值，然后基于這些厚度值在外形展開面上擬合內型面，進而構造出蒙皮板坯。

（3）壁板成形延展的預先補償。由于環境溫度、成形工藝參數以及材料本身應力狀態等因素的交錯影響，壁板在成形過程中會有不同程度的延展變形，且變形量隨機性大，難以精確計算。計算壁板成形延展量主要有解析計算、有限元分析和試驗測量3類方法。獲得壁板的成形延展量后，就可以對壁板展開板坯模型進行補償修正。

二、長桁零件的拉直展開

1.“拉直展開“工藝。

長桁的最新加工工藝與整體壁板類似：首先將長桁拉直展開，建立零件的展開工藝模型，然后加工出展開板坯，最后采用彎扭冷加工工藝將其成形為最終形狀。與“靠模銑”方法相比，這種加工方法效率高，節省工裝，零件成形性能好。需要說明的是，整體壁板的展開方法對于長桁具有一定借鑒意義，但長桁展開一般要求底面和立筋面均為平面狀態，這與壁板零件僅底面為平面有著明顯的區別。

2.長桁“拉直展開”關鍵技術。

（1）基于基準線的展開方法。提取長桁的基準線，構造一條等長的直線作為展開基準線，然后在基準線上選取一定數量的法向切面去切長桁，形成一組長桁截面。接著，將所有截面轉換到展開基準線的對應位置，并扭轉擺正。最后，以展開基準線為引導線，通過擺正的截面拉伸出長桁的主體結構，在主體結構添加局部特征即可得到展開工藝模型。

（2）局部特征的處理。對于凸臺、下陷、變截面、復雜端頭等局部特征，需要確定它們在基準線和展開基準線上的基準點，通過在基準點建立坐標系實現局部特征由設計模型向展開工藝模型的定位和轉換。此外，將長桁立筋面擺正為平面的過程中，長桁底面會發生扭曲，這就需要對長桁截面形狀進行修型優化，以保證零件的展開質量。

（3）長桁成形延展的預先補償。傳統上，當長桁零件上沒有位置精度要求高的局部特征時，成形前在零件端頭預留一定加工余量，成形后將加工余量和延展變形量一并切除。然而，隨著長桁特征復雜度的不斷提高，零件上往往會出現配合精度要求高的局部特征，導致加工出來的零件超差。為避免這種現象，應在拉直展開過程中預先補償零件的成形延展。

三、機身蒙皮的展開

1.化學銑切工藝。

這項工藝技術主要是使用腐蝕性較強的溶液對機身零件中多余的部分進行處理，在實際進行工藝操作時需要使用專門的保護膜，根據零件的尺寸要求來進行針對性操作，確保機身蒙皮尺寸和形狀能夠達到相關標準。這種化學銑切工藝在航空飛機制造行業得到了廣泛應用，也是目前大型飛機生產制造中不可缺少的一項工藝內容，在機身蒙皮的加工處理中取得了良好的應用效果，整體的生產效率比較高還可以控制零件變形，整體的應用優勢較為明顯。但是這項工藝技術在使用過程中也存在一些弊端，由于使用的強腐蝕溶液會產生化學污染，同時加工處理過程中需要消耗較多的資源能源，進而需要進行優化與完善。

2.“先銑后彎”工藝。

“先銑后彎”工藝也是機身蒙皮展開設計中比較常用的一項工藝技術，這項工藝在應用時首先建立零件模型，再根據模型的尺寸標準在使用的零件材料上進行加工處理，最后采用滾彎或者拉伸的方法對其進行成形處理。該工藝在使用中對周圍環境的影響比較小，可以保證零件尺寸參數的準確性，不需要工作人員進行較多操作，與化學銑切工藝相比應用優勢較為明顯。但是這項技術應用時必須要保證材料性質的穩定性，不能出現大幅度變形的情況這樣才能保證零件的應用性能和使用強度。因此，該工藝特別適用于單曲率機身蒙皮的滾彎成形。

結語：零件展開過程中會對零件的工藝性能產生較大影響，若沒有進行針對性處理就會影響建模質量和整體的加工效率，因此，對零件展開過程中的工藝方法進行細致分析，并在建模過程中進行優化和完善能夠提高飛機零件展開技術的應用水平。由于展開工藝模型設計過程中涉及到的內容比較多，有許多重復性作業，在反復操作期間容易出現操作失誤而影響零件質量，基于這種情況可以研發設計一個通用性的操作軟件，能夠根據不同的零件展開設計需求進行針對性處理，以此提高展開工作的開展效率。