大曲率整體蒙皮鏡像加工工藝數模設計技術

楊開海 ， 雷玉如 ， 李仁花 ， 張文俊 ， 陳志敏

（航空工業洪都工藝裝備技術中心，江西 南昌 330024）

傳統的飛機蒙皮加工工藝涉及化銑、成型、數控加工等多個環節，存在工藝協調性差、加工精度難保證和環境污染等問題。蒙皮鏡像銑加工設備，在大飛機蒙皮零件銑切減重區域、切通窗、切邊及鉆孔等工藝中廣泛使用，實現了大飛機蒙皮的精確、高效、綠色制造[1]。可將其制造技術運用在某機型機身整體蒙皮加工中時，銑刀支臂與蒙皮相碰，銑切加工無法進行。經查看機身整體蒙皮外形，發現此機身整體蒙皮，尺寸大，曲率大，半徑小，外形陡峭式變化且凸凹相間，不符合鏡像加工的基本條件。采用蒙皮過渡工藝數模的設計技術，通過對零件數模曲率的改變，重新構建滿足鏡像銑加工條件的過渡工藝數模，用于鏡像銑切，完成整體蒙皮的制造[2]。對提高小型飛機整體蒙皮的加工質量，縮短整體蒙皮制造周期，有著重大的適用與經濟價值。

1 機身整體蒙皮外形與結構特征

圖1 某型號機身蒙皮的產品數模

機身整體蒙皮是集蒙皮、口框、連接帶板為一體的整體構件，代表著現代飛機設計的發展方向，在減輕飛機重量及提高零件抗疲勞性方面有著較大的優勢。如圖1所示為典型機身整體蒙皮零件。

2 采用鏡像銑切工藝后的整體蒙皮零件加工流程

大曲率整體蒙皮加工先后順序依次為下料、預成型、定位孔、吊裝標識孔、鏡像銑切、二次成型、切邊、檢驗。從采用鏡像銑切工藝后的大曲率整體蒙皮加工流程可以看出，過渡工藝數模用于設計與制造預成型模具及鏡像銑切減重區與開孔[3]。

3 過渡工藝數模交接狀態內容（工藝要求）

1）零件長度單邊留230mm余量，寬度單邊80mm余量。2）制出2-φ8定位孔，二次成型使用的定位孔耳片。3）制出φ8標志孔，距離毛坯邊緣線10mm。4）工藝數模滿足R＞600，表面光順無凹凸變化。

4 過渡工藝數模的設計

大曲率整體蒙皮過渡工藝數模的設計，首先需要從產品數模中提取有效元素建立一個符合要求的過渡外形面，在過渡外形面的基礎上實現零件模型重構，然后按照交接狀態要求添加工藝特征，最后完善與規范過渡工藝數模。設計過程依次為提取原始數模有效元素，建立過渡外形面，重構數模特征，添加工藝特征等步驟。

4.1 過渡外形面的設計

過渡外形面的設計，主要是變形面的創建，是大曲率整體蒙皮過渡工藝數模建立最關鍵的一個步驟，也是其他設計步驟的基礎，決定了數控鏡像銑加工能否實現。在設計過渡外形面的同時需考慮工藝要求。

4.1.1 初始過渡外形面的創建

以某型號機身整體蒙皮過渡工藝數模設計為例。選擇典型框切面曲線，縱向基準選擇長桁曲線，通過改變曲線曲率，保證與原始弧長相等，3點確定樣條方式，創建框切面修正樣條，以框切面修正樣條為截面曲線，長桁為引導線建立一個初始過渡外形面。具體建模步驟如下：

1）在CATIV5 創成式外形設計模塊環境下，抽取框及長桁軸線樣條曲線。

2）經檢測框原始樣條和長桁軸線樣條凹凸相間，局部R<600mm。在弧長相等的前提下，對框處長桁原始樣條上的點進行放棄或修改，使長桁樣條線保凸光順，R>600mm。

3）各框切面原始樣條線曲線首點與末點連線L1（其中框切面樣條以調整后的樣條曲線首點與末點連線），通過首末點按一定角度建立工具體兩直線L2及L3，作L1平行線L4，兩端延伸至L2、L3，以L2、L3與延伸線的兩交點及基準長桁點，3點確定一根修正樣條。

4）以框修正樣條為截面，調整后長桁為引導線建立一個外形面即為初始過渡外形面，如圖2所示。

圖2 初始過渡外形面圖

4.1.2 調整縱向長桁和橫向框軸線

框平面及長桁平面同初始過渡外形面相交得到的框軸線和長桁軸線不能滿足要求，需要以新的方式獲取并進行調整，步驟如下：

1）按相交命令在初始過渡外形面上重新獲取過渡數模的中間框切面外形。

2）各切面以基準長桁為基準點，以弧長相等為條件，獲取各切面上的長桁交點，用樣條命令得到各長桁軸線。

3）縱橫向曲線曲率光順檢測。同樣通過調整平行線和直線的角度，修正縱向長桁樣條線在各框軸線的交點位置，直到各切面間長桁軸線弧長與原始長桁曲線弧長相等并光順，各長桁軸線間框切面弧長與原始框曲線相等并光順止[4]。

4.1.3 建立過渡外形面

以所有調整后的修正框軸線為截面，修正長桁軸線為引導線重新建立一個保凸光順，R＞600mm的外形面即為過渡外形面。

4.1.4 過渡外形面的弧長檢測

分別對過渡外形面上長桁的總弧長和各框切面間長桁的弧長進行檢測。

長桁總弧長偏差較大，某長桁在過渡外形面的邊緣部位，在數模有效外形之外，最大誤差位于框切面間，影響較小。弧長變化主要由曲率和半徑的變化引起。

4.1.5 過渡數模的重構

在CATIA V5零件模塊中實現過渡數模的重構。先將前文建立好的外形面內法向增厚2.4mm，然后按照原始數模的建模步驟，以過渡外形面上調整好的修正框軸線和長桁軸線為基準，通過曲面增厚和布爾操作等命令進行過渡數模口蓋孔和銑切區的重構。通過倒角的方式生成底角、轉角等各種倒角和圓角，完善過渡數模。

4.2 添加工藝特征

按交接狀態要求做出定位孔、標志孔等工藝孔，給出兩個定位孔耳片邊緣線，提取零件邊緣線、裝配余量線，并置于相應的幾何圖形集，添加工藝特征后的過渡工藝數模。

5 零件誤差分析

對過渡數模和產品數模分別進行尺寸檢測，過渡數模和產品數模的口蓋孔和銑切槽尺寸檢測。經檢測外形輪廓最大誤差在斜切面部位，斜切部位多屬材料流動區域，弧長變化主要是由曲率變化及與其他零件斜切面相交引起的。同時原始曲面扭曲較大，凹凸不光滑，過渡曲面保凸光滑也會引起弧長的變化。通過放加工余量的方式，修正過渡工藝數模的誤差。

在相同密度下，測量得出產品數模質量為4.322kg，過渡數模質量為4.326kg，質量增加0.004kg。通過CATIA測量得出產品數模質量外形面總面積為2.357m2，過渡數模質量外形面總面積為2.358m2，面積增加0.001m2。質量和面積的誤差均控制在零件制造誤差之內。

6 結束語

通過大曲率整體蒙皮過渡工藝數模的設計，使整體蒙皮從原曲面凹凸相間，曲率較大，半徑較小轉換為保凸光順，R＞600mm的過渡工藝數模，解決了在數控鏡像銑加工型面與銑刀刀軸相碰的問題，將數控鏡像銑加工技術應用到小飛機機身整體蒙皮的加工制造中。本項目已通過工程部及使用單位專家評審，且過渡工藝數模已投入生產使用，鏡像銑加工效果良好。