面向飛機結構件數控加工的DFM方法研究

劉 適

(航空工業成都飛機工業集團公司數控加工廠，四川 成都 610091)

數控加工是當前飛機結構件的主要制造方式，為滿足強度好、重量輕的要求，飛機結構件以薄壁多槽腔結構為主，同時具有大量復雜曲面結構，精度要求高，相比其他行業，對加工的要求更為嚴苛。飛機結構件高效、高質量的設計與制造是保證飛機性能和研制進度的重要條件。它不僅要求將數字化技術簡單的組合應用到飛機結構件的設計與制造中，更強調設計與制造的協同性[1]。隨著飛機性能要求的提高，飛機結構件大量采用整體化設計，這使得單個結構件的尺寸越來越大，集成的功能特征越來越多，結構也越來越復雜[2]。例如圖1所示，新一代飛機的整體框零件(圖1a)相比上一代飛機(圖1b)，將其相鄰零件整合到整體框的設計中，使零件結構更為復雜，制造難度相應提升，這對飛機結構件設計與制造的協同性提出了更高要求。一旦設計缺乏對其可制造性的考慮，使設計過程和制造過程出現斷裂，必然會導致產品制造工藝復雜程度提高、質量風險加大、生產成本增加。

隨著制造業信息化的發展，面向制造的設計(DFM)為解決這一需求提供了選擇。DFM是面向并行工程的一種設計方法，是在并行工程環境下改進、優化產品的設計的一種產品設計哲理，其主要思想是在產品設計階段引入制造過程的約束，盡早地考慮制造的可能性和經濟性，通過對產品的可制造性進行評價，改善設計不合理的地方，提高設計產品的可制造性[3]。雖然DFM的概念已誕生很長時間，但如何有助于新一代產品的研制，值得思考和探索。

1 基于典型特征的面向制造的設計方法

飛機結構件雖然外型結構較為復雜，但特征技術在設計和制造過程中被廣泛運用[4]。零件的特征涵蓋多方面內容，如總體特征、材料特征、精度特征、功能特征、幾何結構特征等，就數控加工而言，最關注的是影響數控工藝方案及程序編制的零件幾何結構特征。薄壁零件的結構剛性對工藝方案制定具有重要影響，而零件設計的具體細節將直接決定程編的難易程度。當然，零件的材料、精度等特征對制造工藝方案依然有較大影響，但這些特征基本不會面向制造而發生改變，是設計的固有特征，本文不作更多探討。

在設計過程中，由于專業的限制，缺少適當的輔助工具以及良好的載體，設計人員更多地是根據各自的經驗和習慣構造產品結構特征，導致零件的可加工性、加工時間和加工成本等因素得不到控制，零件的設計水平差異較大，良莠不齊，給產品制造帶來了較大困難。為此，必須要讓設計和制造相融合，形成統一的標準，建立規范，形成可獲取和重用的知識體系。如圖2所示，結合零件的結構特征，將其典型化，運用知識工程形成工藝知識庫，并從中提煉出設計規范和程編規范，從而實現知識融合，使面向制造的設計成為可能。

表1 典型特征列表

航空結構件從結構類型看，主要包括框、梁、肋和接頭等幾類典型零件[5]。不論是何種類型的零件，都可以將其看成是若干特征的集合。特征可以作為基本模塊來構造完整的機械零件，定義和記錄組成零件的各個邊界曲面及加工特征信息[6]。因此，無論是設計與程編，現有的主流CAD/CAM軟件都是建立在特征的基礎之上。對于數控程編而言，零件的幾何結構特征是數控編程的最小化單元。同時，特征具有相似性的〗特點，根據其幾何形態和功能的不同，可以對其進行典型化定義。國內外針對飛機結構件的加工特征及其定義方法開展了眾多較為深入的理論研究，其中典型的一類是通過程編走刀策略的不同對特征進行分類定義。經過工藝程編專家對新一代飛機零件的結構特點的大量分析總結，建立了如表1所示的飛機結構件典型特征列表。

該列表把飛機結構件典型加工特征分為一、二兩級，一級特征包括槽腔、筋條、輪廓及孔四大類，而二級特征是一級特征的構成子元素，但同時也可以各自獨立歸納為一類特征，主要分為轉角、腹板、內形及筋頂過渡區四類。每類特征下包含了若干子特征共計56個，對每個子特征都進行了編碼。這樣，針對每一個典型特征，就可以開展工藝知識的獲取、表達和建模，建立飛機結構件的設計和制造知識的獲取、重用和融合技術。

2 典型案例

根據上述思路，結合數控工藝程編的具體特點，對每一類典型特征的結構設計提出了通用設計要求，形成設計規范，給設計人員提供參考，為更好地展示說明，例舉一些典型案例。

2.1 基于筋條頂面特征的面向制造的設計通用要求案例

(1)平頂筋頂設計要求

一般情況下筋條、緣條頂面盡量采用平頂。而在不同高度的筋條、緣條之間過渡部位留出不小于0.3 mm的偏移量，避免2次加工影響零件質量，如圖3所示。

(2)斜頂筋設計要求

在槽內的筋頂斜面盡量能保證刀具一次加工到位，在較低一端的過渡圓弧半徑(r)盡量設計成比刀具底齒半徑(R)大1 mm(r=R+1)。斜筋與腹板面連接時，應避免直接與腹板底面連接，建議設計成臺階，臺階最小高度為刀具底齒半徑R+1。如圖4所示。較高一端的過渡方式采用尖角結構，避免單獨加工過渡圓弧時與平筋頂形成接刀不平。

在筋條頂面避免凹陷結構，如確實需要應采用平頂凹陷結構，平頂凹陷區域最小寬度應不小于刀具直徑(D+1) mm(加工筋頂一般采用直徑為20 mm的銑刀)。筋高變化最小過渡圓弧r應保證與刀具底角R一致，筋頂凹陷應避免曲線凹陷結構。如圖5所示。

筋條頂面的方向應該與主要加工方向一致，并保持與腹板面平行，避免采用五坐標方式加工筋條頂面。如圖6所示。

2.2 基于深槽腔特征的面向制造的設計通用要求案例

在深槽設計時，確保加工每一把刀具滿足刀具工作長度在系列化刀具的優選范圍以內，按高度不同設計不同的轉角R，如圖7所示。在高度方向設計成按臺階狀，如圖8所示。

2.3 基于輪廓特征的面向制造的設計通用要求案例

零件曲面外形設計時應簡化成直紋面，采用刀具側齒加工以提高加工效率和表面質量。將外形曲面簡化成直紋面，拱高不大于0.2 mm時，作成單直紋面，拱高不小于0.2 mm時，可做成多直紋面。零件曲面內形面原則上簡化成一個直紋面，在不影響裝配的情況下最優選內形與腹板成直角。

針對零件數模中型面碎面過多的情況，在設計建模時應先進行修整處理，避免最終零件緣條內外形型面碎面存在而大大增加程編工作量，如圖9所示，值得一提的是，在構造直紋面時，必須要檢查所構造面與實際零件面的誤差，如圖10所示。

3 結語

通過DFM技術的應用，大大加強了設計的規范性，使零件的可制造性得到了明顯的提高，降低了數控加工的難度，提升了產品質量和制造效率，此外，也減輕了程編人員的工作量，在新一代飛機的研制中，取得了明顯的效果。同時，企業和設計所也獲得了大量的知識積累，加強了人員知識儲備，為后續更好地融合，提高產品品質，加速產品研制的進度，占領市場新高地創造了條件。