飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件工裝的數(shù)字化設(shè)計(jì)

◎馬吉川

引言：設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新，是簡(jiǎn)化飛機(jī)復(fù)合材料設(shè)計(jì)流程、提高復(fù)合材料加工精度的有效措施。基于數(shù)字化、模塊化的設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)，除了可以快速得到符合使用需求的構(gòu)件模型外，還能夠自動(dòng)檢測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件工裝的加工精度，基本上實(shí)現(xiàn)了從前期設(shè)計(jì)、后期加工的全流程自動(dòng)化，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。將數(shù)字化設(shè)計(jì)推廣至飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件工裝中，已經(jīng)成為現(xiàn)階段飛機(jī)制造公司的一項(xiàng)重要任務(wù)。

一、復(fù)合材料構(gòu)件成型工裝數(shù)字化設(shè)計(jì)

1.模具的設(shè)計(jì)。

（1）數(shù)控加工技術(shù)。

數(shù)控加工是復(fù)合材料成型模具常用的加工制造方法。框架式模具的型板、纏繞成型的芯模、成型模具的型腔以及一些有配合要求的工裝等，都需要采用數(shù)控加工來(lái)保證加工精度和表面質(zhì)量。近年來(lái)，高速數(shù)控銑削技術(shù)發(fā)展迅速，其具有較高的材料切除效率、高切削表面質(zhì)量。從技術(shù)應(yīng)用效果來(lái)看，數(shù)控加工可以通過(guò)自動(dòng)識(shí)別各類(lèi)構(gòu)件的形狀、尺寸以及其他詳細(xì)參數(shù)，自動(dòng)的生成模具的三維坐標(biāo)。然后通過(guò)計(jì)算機(jī)的調(diào)控指令，控制前端的銑削工具，完成對(duì)模具的自動(dòng)化制作，最終得到高精度的模具。

（2）表面處理技術(shù)。

模具內(nèi)表面的光滑度、脫模能力等，也是衡量復(fù)合材料構(gòu)件模具制作質(zhì)量的重要指標(biāo)。通過(guò)采用不同的表面處理技術(shù)，可以改變模具表層的成分、組織、性能，從而大幅度地改善模具的表面性能，如硬度、耐磨性、摩擦性能、耐腐蝕性、抗氧化性及脫模能力等。根據(jù)具體處理方式的不同，又可以將這一技術(shù)分成物理法、化學(xué)法、激光法等幾種。其中，從表面處理速度、處理效果上來(lái)看，激光法應(yīng)用效果較好。其原理是，由激光器發(fā)出激光，在數(shù)控設(shè)備的控制下，完成對(duì)模具內(nèi)表面的強(qiáng)化處理，對(duì)提高模具表面光滑度、耐腐蝕等效果有積極幫助，從而達(dá)到延長(zhǎng)模具使用效果的作用。

2.支架的設(shè)計(jì)。

支架位于模具體與底架之間，一般由金屬板材組成，用于支撐和固定位于其上的模具體。支架的結(jié)構(gòu)包括內(nèi)支撐板、外支撐板、內(nèi)底板和外底板4 種結(jié)構(gòu)，特征為散熱孔和卡槽，散熱孔有4 種形狀：圓形、長(zhǎng)條形、矩形和矩形倒角。各零件之間具有約束關(guān)系，如支撐板與模具體的下表面貼合，內(nèi)支撐板之間的位置關(guān)系為垂直或平行，底板的上表面與對(duì)應(yīng)支撐板的下表面貼合，內(nèi)外支撐板上的散熱孔盡量在同一直線上，以保證成型過(guò)程中氣流通暢。

二、復(fù)合材料構(gòu)件裝配工裝數(shù)字化設(shè)計(jì)

1.骨架的設(shè)計(jì)。

基于復(fù)合材料組成的骨架，其數(shù)字化設(shè)計(jì)方案主要有兩種，其一是根據(jù)現(xiàn)有的骨架設(shè)計(jì)方案，通過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)化的方式，將其在計(jì)算機(jī)中重新呈現(xiàn)，為下一步開(kāi)展數(shù)字化設(shè)計(jì)提供便利；其二是基于新產(chǎn)品的型架骨架，通過(guò)掃描的方式，獲取其三維坐標(biāo)，然后利用特定的軟件，在計(jì)算機(jī)中快速生成新的骨架。由于骨架的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，基于數(shù)字化設(shè)計(jì)能夠?qū)⒘Ⅲw的骨架視作抽象的線段，將骨架轉(zhuǎn)化為線框結(jié)構(gòu)。在骨架的數(shù)字化設(shè)計(jì)中，根據(jù)產(chǎn)品裝配需求，使用到哪些骨架，可以從資料庫(kù)中單獨(dú)獲取其參數(shù)，保證了整個(gè)設(shè)計(jì)界面的精簡(jiǎn)。

2.批量裝配技術(shù)。

根據(jù)復(fù)合材料構(gòu)件工裝裝配設(shè)計(jì)中的具體需求，即在不改變現(xiàn)有工裝模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)相關(guān)零組件的快速裝配，本文提出了零組件的“批裝配”技術(shù)，只需對(duì)為數(shù)不多的零組件庫(kù)模型添加一些簡(jiǎn)單的裝配特征，即可滿足對(duì)已有工裝模型直接進(jìn)行快速裝配設(shè)計(jì)的要求。在分析待裝配零組件與工裝模型之間的約束關(guān)系特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，用戶只需在工裝模型上選擇很少的幾個(gè)裝配約束幾何對(duì)象，快速裝配模塊就能夠?qū)崿F(xiàn)裝配約束的自動(dòng)定義，從而實(shí)現(xiàn)零組件的快速成批裝配。

三、復(fù)合材料構(gòu)件模具的數(shù)字化檢測(cè)

飛機(jī)中使用到的大量復(fù)合材料，具有型式復(fù)雜多樣、精度要求極高等特點(diǎn)，這些構(gòu)件工裝在完成初步的數(shù)字化設(shè)計(jì)中，還要對(duì)其設(shè)計(jì)精度進(jìn)行復(fù)核，確保設(shè)計(jì)精度能夠滿足使用需求。在數(shù)字化檢測(cè)中，可以分為接觸式和非接觸式兩種。

1.接觸式測(cè)量檢測(cè)。

接觸式測(cè)量是指通過(guò)測(cè)量?jī)x的測(cè)頭與模型輪廓接觸進(jìn)行測(cè)量獲得模型輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一種測(cè)量方式，主要有三、五坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、便攜式測(cè)量機(jī)等。這種測(cè)量檢測(cè)方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于具有較好的可重復(fù)性，可以一次性測(cè)量3-5 組數(shù)據(jù)，然后計(jì)算平均值，進(jìn)一步消除誤差，保證了測(cè)量結(jié)果的精確性。但是也存在一定的缺陷，例如在接觸式測(cè)量過(guò)程中，可能會(huì)對(duì)構(gòu)件表面造成損害。另外，對(duì)于一些形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，也不適合采用接觸式測(cè)量，并且測(cè)量結(jié)果的精確性也會(huì)因此受到一定程度的干擾。

2.非接觸式測(cè)量檢測(cè)。

與接觸式測(cè)量檢測(cè)相對(duì)的，非接觸式測(cè)量檢測(cè)就是保證測(cè)量工具與待測(cè)模具之間有一定距離，利用設(shè)備接收反饋信息進(jìn)而分析出測(cè)量結(jié)果。非接觸式測(cè)量主要有計(jì)算機(jī)輔助經(jīng)緯儀、激光跟蹤儀、照相測(cè)量術(shù)等。其中較為成熟的是光學(xué)測(cè)量法，包括結(jié)構(gòu)光法、激光三角形法、激光干涉法、圖像分析法等。激光法是應(yīng)用較為廣泛，且測(cè)量結(jié)果精確性較高的技術(shù)方法。非接觸式測(cè)量的優(yōu)勢(shì)在于適用性更強(qiáng)，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜的復(fù)合材料模具，也可以無(wú)障礙、高精度的完成檢測(cè)。缺點(diǎn)是非接觸式測(cè)量的噪聲較大，可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的精確性造成一定的干擾。

結(jié)語(yǔ)：模具的制作質(zhì)量，對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的加工效果產(chǎn)生了直接影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)字化技術(shù)在工裝設(shè)計(jì)中的推廣使用，在提高復(fù)核材料構(gòu)建模具設(shè)計(jì)效率、精度等方面提供了技術(shù)支持。目前數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)在模具的骨架、支架等方面的設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要應(yīng)用，今后還要繼續(xù)堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)融合，例如將大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)等，應(yīng)用到數(shù)字化設(shè)計(jì)中，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高精度設(shè)計(jì)中更好的發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)。