飛機(jī)鈑金零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造

    在航空工業(yè)中，鈑金零件是組成現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)體的主要部分，占飛機(jī)零件總數(shù)量的70%，制造工作量約占整架飛機(jī)勞動(dòng)量的15%，并有品種多數(shù)量少，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外廓尺寸大、剛性小等特點(diǎn)，直接影響飛機(jī)整機(jī)質(zhì)量和生產(chǎn)周期。伴隨航空制造水平的提高，現(xiàn)代加工方法及設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，飛機(jī)鈑金零件加工的概念、方法和手段也在發(fā)生深刻的變化。將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)運(yùn)用于飛機(jī)鈑金加工已成為航空企業(yè)加快產(chǎn)品開發(fā)，提高產(chǎn)品質(zhì)量的有力措施。

    計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造，簡(jiǎn)稱CAD/CAM，是指以計(jì)算機(jī)為主要技術(shù)手段來生成和運(yùn)用各種數(shù)字信息，以進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造。用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造飛機(jī)鈑金零件，從零件的設(shè)計(jì)開始，經(jīng)過展開、排樣，到剪切、沖壓、折彎，其中最主要的是制件的設(shè)計(jì)展開以及數(shù)控指令編制。

1計(jì)算機(jī)輔助鈑金零件設(shè)計(jì)與展開

    飛機(jī)鈑金零件一般可分為三類:平板類，即一般的平面沖裁件;彎曲類弓即板料彎曲或彎曲加工成形構(gòu)成的零件;成形類，即板料由拉伸等成形方法加工而成的規(guī)則曲面類或自由曲面類零件。對(duì)于各種規(guī)則形狀或復(fù)雜飛機(jī)鈑金零件的設(shè)計(jì)、展開，可劃分為基于模型的方法和造型方法兩種方法。

    傳統(tǒng)的鈑金零件下料方法有作圖法和計(jì)算法兩類，作圖展開的基本方法有平行線法、放射線法、三角線法等;計(jì)算法是用解析計(jì)算代替作圖法中的放樣和作圖過程，計(jì)算出展開圖中特征點(diǎn)的坐標(biāo)、線段長(zhǎng)度，再由計(jì)算結(jié)果繪制出圖形。用計(jì)算機(jī)來完成這些計(jì)算機(jī)來完成這些計(jì)算工作就是最基本的急于模型的鈑金零件CAD方法。對(duì)于常用的接頭、門板類鈑金件，基于模型的鈑金件設(shè)計(jì)展開方法構(gòu)造模型時(shí)需要一定的工作量，使用時(shí)十分可靠、高效。

    針對(duì)現(xiàn)金飛機(jī)鈑金零件特點(diǎn)而提出來的幾何造型方法有2D鈑金件的幾何造型和3D鈑金件的幾何造型。前者包括編碼法、面素拼合法和交互尺寸輸人法等;后者原有彎曲交換拼合法、體素拼合法等方法。各種CAD/CAM系統(tǒng)的造型功能和方式不盡相同，簡(jiǎn)單的造型方法只用規(guī)則的面、體造型;復(fù)雜的造型方法具有高級(jí)的曲面造型和實(shí)體造型功能，如零件設(shè)計(jì)應(yīng)用全參數(shù)化及基于特征造型的技術(shù)，提供如掃描、提拉、肋板、螺旋、切割等功能，飯奔設(shè)計(jì)可自動(dòng)折彎工藝孔、自動(dòng)展開和回折。

1.1拼合造型操作方法

    利用薄片立方體、空心圓柱體等基本體元，逐形體生長(zhǎng)成制件幾何模型，是鈑金件造型的基本方法。拼合造型方法所用的元素可以是無厚度的面元素，也可以是有厚度的體元素。許多鈑金件都由等厚度的板料制成，這就有可能在造型過程中使用無厚度的面塊，構(gòu)造出鈑金零件的基本結(jié)構(gòu)后再指定長(zhǎng)出厚度的方向，生長(zhǎng)出制件，這種先設(shè)計(jì)出無厚度的結(jié)構(gòu)框架再生長(zhǎng)出有厚度的制件的方法也適用于覆蓋件等復(fù)雜鈑金零件。

1.2特征造型操作方法

    特征是產(chǎn)品描述信息的集合，它不僅具有按一定拓?fù)潢P(guān)系組成的特定形狀，而且反映特定的工程語(yǔ)義，適宜在設(shè)計(jì)、分析和制造中使用。特征可以分為:形狀特征、精度特征、材料特征等，其中形狀特征是關(guān)鍵，是其他特征的載體或基體，也是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化特征造型的核心，它可以定義一定工程意義的幾何形體或?qū)嶓w。飛機(jī)鈑金零件都可以分解成一個(gè)或多個(gè)形狀特征，從特征構(gòu)型的角度來看，鈑金件是由一系列特征構(gòu)成，它們之間的相互聯(lián)系便構(gòu)成一個(gè)完整的零件。根據(jù)鈑金件特點(diǎn)，可以歸納出如下主要特征:平面特征，構(gòu)成零件的平面形狀，是零件的基本部分，是連接彎曲的部分，也是局部成形和沖孔的母體;彎曲特征，是由彎曲加工工序產(chǎn)生的形狀，最簡(jiǎn)單的彎曲特征是由圓柱面表示的彎曲區(qū);孔特征，作為一般子特征而依附于其他特征，如在平面或彎曲特征上沖孔;局部成形特征，由局部成形工序在沖壓件上產(chǎn)生的形狀，通常形狀和特征參數(shù)類型固定，數(shù)值變化，因此可以用參數(shù)來表達(dá)。

1.3展開操作方法

    飛機(jī)鈑金零件展開方法的基本原理是在設(shè)計(jì)過程中，紀(jì)錄下各面塊與其相連面塊之間的拓?fù)潢P(guān)系，以此為依據(jù)進(jìn)行展開。功能較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可以先指定一個(gè)基準(zhǔn)面，再逐個(gè)指定待展開的面，一步步展開整個(gè)鈑金零件。高級(jí)的CAD/CAM系統(tǒng)可以一次操作展開多個(gè)表面。

2計(jì)算機(jī)輔助坯料排樣

    飛機(jī)鈑金零件的生產(chǎn)成本主要包括材料費(fèi)、設(shè)計(jì)費(fèi)和模具費(fèi)等，其中材料費(fèi)占很大的比例，計(jì)算機(jī)輔助排樣系統(tǒng)是降低材料費(fèi)用的重要途徑。

     目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化排樣法是現(xiàn)金航空鈑金應(yīng)用范圍比較廣泛的一種排樣方法。其基本原理是以同類坯料塊復(fù)制時(shí)的參數(shù)△x(X方向平移△x)、△y(Y方向平移△y)、△φ(旋轉(zhuǎn)△φ)為變量，再根據(jù)參加排樣的坯料塊類型、輪廓形狀和數(shù)量關(guān)系等得到函數(shù)關(guān)系式，構(gòu)造一定的目標(biāo)函數(shù)。圍繞目標(biāo)函數(shù)按一定的算法進(jìn)行迭代，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)達(dá)到設(shè)定的精度目標(biāo)時(shí)，即停止，按停止迭代時(shí)的參數(shù)進(jìn)行排樣。為了提高工作效率，可以限定部分參數(shù)的變動(dòng)范圍。

    當(dāng)參加排樣的坯料塊類型多，對(duì)各類坯料塊復(fù)制的參數(shù)△x、△y和△φ都不加限制時(shí)，排樣效果將大為降低。這時(shí)可以做一些排樣預(yù)備工作，如判斷參加排樣的坯料塊的幾何屬性;或在搜索△x、△y和△φ的過程中包容坯料塊，但是線條較簡(jiǎn)單、較少的封閉輪廓來代替原來的坯料輪廓。

不同的排樣系統(tǒng)的具體功能操作可能不同，基本內(nèi)容包括:

(1)選擇板料，從板材庫(kù)中選取供排樣的板料，包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的板料及以前用過一部分的剩余板料。(2)指定坯料塊，從鈑金零件展開后建立的坯料塊庫(kù)中指定要參加排樣的坯料塊種類和各類要復(fù)制的塊數(shù)。(3)優(yōu)化排樣，在選定的板材上就指定的板料塊及其數(shù)量排樣。這一級(jí)菜單可以選擇分支項(xiàng)，如單排、對(duì)頭雙排、混合套排、人們交互排樣等。(4)排樣編輯，對(duì)參加排樣的坯料塊進(jìn)行預(yù)處理或?qū)ε艠咏Y(jié)果進(jìn)行干涉檢查、手工調(diào)整，必要時(shí)決定重新排樣。(5)排樣結(jié)果輸出，包括輸出排樣結(jié)果圖及相應(yīng)的數(shù)據(jù)丈件、材料利用率、下料計(jì)劃報(bào)表。

3數(shù)控指令編制

    數(shù)控編程是目前CAD/CAM系統(tǒng)中最能明顯發(fā)揮效益的環(huán)節(jié)之一，在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)加工自動(dòng)化、提高加工精度和加工質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期等方面發(fā)揮著重要作用。數(shù)控編程是從零件圖樣到獲得數(shù)控加工程序的全過程。其主要任務(wù)是計(jì)算加工走刀點(diǎn)(cutter location point，簡(jiǎn)稱CL點(diǎn))以及決定走刀順序、確定工藝參數(shù)等工藝路線設(shè)計(jì)，針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的具體格式編制數(shù)控指令文件，對(duì)數(shù)控指令文件的運(yùn)動(dòng)方針等內(nèi)容。在復(fù)雜形體鈑金件的CADICAM中，工藝設(shè)計(jì)工作也往往非常復(fù)雜，可以由專門的CAP 系統(tǒng)完成。

    鈑金零件下料過程中，加工對(duì)象是平面的板料，采用切割、剪切、沖壓等方法，工藝設(shè)計(jì)工作比較簡(jiǎn)單，可以包含在數(shù)控編程系統(tǒng)中。在切割、剪切、沖壓三者種，數(shù)控沖壓指令文件最為復(fù)雜，下面以數(shù)控沖壓為例介紹鈑金制件的數(shù)控編程。

3.1數(shù)控沖壓指令編制中的設(shè)計(jì)信息輸入

    鈑金件設(shè)計(jì)、展開、排樣后可以提供圖形、數(shù)據(jù)文件等輸出，圖形上可以有尺寸標(biāo)注。最簡(jiǎn)單的數(shù)控指令編制的方法是手工編制，由人工閱讀、分析圖形和數(shù)據(jù)。

    鈑金制件沖壓加工一般只涉及平面圖形信息的處理，采用基于點(diǎn)、線的數(shù)控刀具軌跡生成方法，可以直接以可視化方式對(duì)圖形進(jìn)行編程操作。用光標(biāo)指定距離光標(biāo)位置最近的圖素，由計(jì)算機(jī)確認(rèn)該圖素的幾何信息。

3.2數(shù)控沖壓指令編制中的工藝設(shè)計(jì)

    數(shù)控沖壓時(shí)的工藝設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容主要包括:選擇沖模，確定各圖素的沖壓順序，確定步?jīng)_時(shí)的步距量和板料移動(dòng)速度，設(shè)置夾爪位置等。同樣形狀、尺寸的輪廓可能依操作者習(xí)慣采用不同的沖壓方式，如對(duì)大孔、槽的沖壓，可以采用面積小的沖模，只沖出孔，槽的輪廓，然后移開沖模，暫停機(jī)床，人工取走孔中的余料，再繼續(xù)加工;也可以選用面積大的沖模，不僅沖出孔、槽輪廓，而且將內(nèi)部的材料全部沖壓成碎片。這種方式的選擇方式可以放到編程過程中選擇不同的菜單分支來處理;功能較全的CAD系統(tǒng)中，可以有沖碎和不沖碎兩種指令方式。

3.3數(shù)控沖壓指令編制

    計(jì)算機(jī)輔助編程就是用計(jì)算機(jī)完成原來由手工完成的那些與編程有關(guān)的工作。在鈑金沖壓指令編寫過程中，最基本的操作只要指定沖模、指定待編程的圖素，然后就可以由編程系統(tǒng)自動(dòng)編制出數(shù)控指令文件。

    對(duì)功能較強(qiáng)的指令系統(tǒng)，編程操作還包括是否選用成組沖壓指令，是否調(diào)用子程序功能等。

3.4數(shù)控沖壓指令的優(yōu)化和仿真

    編制出數(shù)控指令文件后，還需要進(jìn)行后置處理，基本的后置處理操作是優(yōu)化和仿真。

    沖壓指令的優(yōu)化通常包括沖模優(yōu)化和軌跡優(yōu)化兩部分。沖模優(yōu)化的目的是將同一沖模完成的沖壓指令集合到一起，以減少加工過程中的模具轉(zhuǎn)換;二是q對(duì)不同類型的沖模排列順序，通常面積較小的沖模在前，面積較大的沖模在后。軌跡優(yōu)化主要是為了減少?zèng)_壓過程中的空行程長(zhǎng)度。

    仿真功能一般可以顯示沖壓指令文件的執(zhí)行過程，檢查沖壓指令是否合理、沖模運(yùn)動(dòng)時(shí)是否可能與夾爪發(fā)生干涉等。還可以由沖壓指令文件逆向轉(zhuǎn)換為圖形，將其與編程前的圖形相比較，分析兩個(gè)圖形的一致性，從而判斷沖壓指令文件的正確性。

4結(jié)束語(yǔ)

    CAD/CAM技術(shù)具有高智力、知識(shí)密集、更新速度快，綜合性強(qiáng)、效益高等特點(diǎn)。CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)鈑金零件的設(shè)計(jì)與制造，深刻地改變了各航空企業(yè)能夠借以設(shè)計(jì)和制造鈑金零件的常規(guī)方法，影響到企業(yè)的管理和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，任何航空企業(yè)要想保持發(fā)展優(yōu)勢(shì)，就必須在包括鈑金零件的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中努力研究、開發(fā)或使用CAD/CAM技術(shù)。