呂斌， 王細(xì)洋， 孫心宇

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌330063）

0 引 言

飛機(jī)產(chǎn)品作為一種復(fù)雜的航空工業(yè)產(chǎn)品，逐漸趨向于數(shù)字化制造［1］，數(shù)控技術(shù)集微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)控制于一體。數(shù)控加工作為一種高效率、高精度和高柔性的數(shù)字化和自動(dòng)化加工方法而廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工［2］。 趙鳴［3］提出一種基于模型定義的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程方法，解決了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工效率不高和自動(dòng)化程度低的問題。王偉等［4］針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件零件尺寸大、加工特征多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、包含大量自由曲面和相交特征的特點(diǎn)，提出了面向加工過程的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工排序方法，優(yōu)化了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的路徑。

本文借鑒以上飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工經(jīng)驗(yàn)，提出基于MBD的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工方法，該方法以飛機(jī)結(jié)構(gòu)件MBD模型為加工過程中的唯一依據(jù)，合理選擇刀具和規(guī)劃刀軌路徑，以縮短飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工周期。

1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件MBD工藝模型

MBD（Model Based Definition），即基于模型的定義，是一個(gè)用集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法，它詳細(xì)規(guī)定了三維模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方式［5］。美國機(jī)械師工程協(xié)會(huì)在20世紀(jì)末開始了有關(guān)MBD標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定，并于2003年成為了美國國家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為 ASME Y14.41［6］。隨后，ISO組織借鑒ASME Y14.41標(biāo)準(zhǔn)制定了ISO16792標(biāo)準(zhǔn)，為歐洲以及亞洲等國家的用戶提供支持［7］。

MBD模型定義了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件幾何信息和非幾何信息，MBD模型中非幾何信息的自動(dòng)獲取大大減少了人工交互，避免了由于人員個(gè)體輸入產(chǎn)生的數(shù)據(jù)異意性、不完整性和冗余性，提高了工藝決策、數(shù)控編程和在線檢測(cè)的自動(dòng)化程度、質(zhì)量和效率。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件MBD工藝模型由三維工序模型組成，如圖1所示。三維工序模型包含一道工序所需的所有信息，包括零件模型、注釋和屬性。

圖1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件MBD工藝模型

零件模型是逐步對(duì)毛坯模型進(jìn)行切除形成的。用Fij代表第i道工序切除的第j個(gè)體積特征；Hi為第i道工序切除的體積數(shù)。設(shè)Mp代表最終零件模型，Ms代表毛坯模型，n為總工序，則零件的制造過程可表達(dá)為

工序是組成零件加工過程的基本單位，通常含有多個(gè)工步。工序模型是零件在加工過程中任一工序或工步的狀態(tài)。工序模型是基于毛坯模型與加工區(qū)域特征的布爾減形成。設(shè)Mk代表第k道工序模型，則由式（1）可得

2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征分類

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是飛機(jī)的主體框，一般用來構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體骨骼和氣動(dòng)外形?，F(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)件大多采用整體飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，這種結(jié)構(gòu)件外形準(zhǔn)確，重量輕，氣密性好。整體結(jié)構(gòu)件的使用使得飛機(jī)的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到了大幅度的提升。從數(shù)控加工的角度看，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件有以下的特點(diǎn)：1）外形復(fù)雜，尺寸大，加工特征數(shù)目多；2）飛機(jī)結(jié)構(gòu)件壁薄，切削量大，往往需要進(jìn)行多面加工，加工時(shí)候容易產(chǎn)生干涉；3）輪廓的加工精度和質(zhì)量要求高，且多為直紋面；4）加工材料各異，加工工序繁瑣。

青辰的繩子已經(jīng)被巖鷹啄斷，而為了救青辰，唐玉煙的繩子也已經(jīng)被斬?cái)啵F(xiàn)在只剩了手中不足三丈長的一段。他們無法再沿著繩子回到崖頂。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件由總體特征、加工特征和輔助特征組成。加工特征是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中最基本的組成單元和信息的載體，根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件特征的幾何形狀，又可將加工特征分為槽特征、筋特征、孔特征和輪廓4類，每一類又以加工方式不同分為不同的小類，如圖2所示。用Asp表示飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，Pij表示第i層上第j個(gè)加工特征，則飛機(jī)結(jié)構(gòu)件可用集合表示為

圖2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件分類

3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工工藝

3.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工總體原則

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工具有工序多、精度要求高等特點(diǎn)，使得飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工越來越趨于自動(dòng)化和數(shù)字化，數(shù)控加工能有效地保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的質(zhì)量和精度。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的總體原則如下：

1）加工順序。由高至低，由外至內(nèi)。即先加工緣高、外形，后加工腹板、內(nèi)形。

2）加工內(nèi)容。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工在保證總體效率的情況下，應(yīng)盡可能選用數(shù)控加工。需要兩面加工的零件，翻面前后切除的余量基本相同或翻面后比翻面前略多一點(diǎn)。兩側(cè)加工的零件遵循相同的原則。一般情況下，零件的外形、內(nèi)形、腹板、緣高、筋高等需要加工到尺寸，外形下陷、內(nèi)形下陷的邊界允許不加工到位，但需要安排相應(yīng)的常規(guī)補(bǔ)加工工序，并且，補(bǔ)加工時(shí)應(yīng)先加工外形，后加工內(nèi)形。緣條和筋條的轉(zhuǎn)角可以留少量的殘余，閉角加工的殘余應(yīng)該符合閉角加工原則。而由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的高精度要求，選擇的計(jì)算容差應(yīng)該盡可能精確。

3）刀具和刀軌。盡可能選擇大直徑標(biāo)準(zhǔn)直徑刀具，以順銑為主要加工方向。只有在去除鍛、鑄件毛坯余量或切除其硬化層時(shí)，才采用逆銑加工。加工軌跡以刀具路徑最短為優(yōu)。

3.2 刀具的選擇和切削參數(shù)的確定

高速銑削是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工最主要的方法，高速銑床和高速加工中心已普遍在大型航空企業(yè)應(yīng)用［8］。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件高速銑削刀具不僅應(yīng)具有高耐磨性、高抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性、良好的耐熱沖擊性能，而且還要求刀具表面的粗糙度低，以減小與毛坯間的摩擦和粘結(jié)。目前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工多采用超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金刀具和涂層的硬質(zhì)合金刀具。

切削用量的確定對(duì)結(jié)構(gòu)件加工成本和加工質(zhì)量有著重要的影響，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工程序編制過程中，需要計(jì)算所需要的分層數(shù)量及排刀寬度。進(jìn)給速度和銑削速度是影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工精度的主要因素，其計(jì)算公式如下：

式中：Vc為銑削速度；Vf為進(jìn)給速度；Do為刀具直徑；N為刀具轉(zhuǎn)數(shù)；Fz為每齒進(jìn)給量；Z為刀具齒數(shù)。

3.3 典型加工特征刀軌規(guī)劃

圖3 槽腔結(jié)構(gòu)件精加工刀軌

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件筋特征主要由筋側(cè)面、頂面及約束面組成，筋頂面根據(jù)幾何形狀和約束方式的不同而采用不同的銑削加工方式。加工時(shí)，平頂筋與斜頂筋應(yīng)選擇平底刀或圓鼻刀，曲頂筋使用球刀。平頂筋的加工只需從筋的任意一端下刀，曲頂筋則從曲面外進(jìn)刀，筋的加工方向均沿筋的延伸方向。筋特征加工軌跡如圖4所示。

圖4 筋特征精加工刀軌

4 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工方法

基于MBD的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工，在CATIA環(huán)境下標(biāo)注飛機(jī)結(jié)構(gòu)件MBD模型，采用特征識(shí)別技術(shù)提取幾何信息和非幾何信息指導(dǎo)加工，可以大大地提高加工的效率，如圖5所示。

圖5 基于MBD的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工流程圖

1）在CATIA環(huán)境下構(gòu)建飛機(jī)結(jié)構(gòu)件MBD模型并標(biāo)注。

2）通過基于圖的特征識(shí)別技術(shù)，構(gòu)建飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征的屬性鄰接圖，得到特征列表，提取加工特征的材料及加工方式等非幾何信息。

3）提取加工特征的幾何信息，結(jié)合非幾何信息，傳遞給CAPP系統(tǒng)并進(jìn)行CAPP工藝參數(shù)的設(shè)置，規(guī)劃加工特征的刀軌。

4）在CATIA環(huán)境下進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的仿真加工，檢查刀軌是否合格，若不合格則反饋給CAPP系統(tǒng)，重新進(jìn)行工藝參數(shù)的設(shè)置，直到刀軌合格。經(jīng)后置處理導(dǎo)出NC程序。

5 實(shí)例分析

以簡(jiǎn)單飛機(jī)結(jié)構(gòu)件為例，說明基于MBD的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工方法，在CATIA中進(jìn)行標(biāo)注，如圖6所示。

圖6 基于MBD的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件

圖7 CAPP基本參數(shù)設(shè)置

采用特征識(shí)別技術(shù)對(duì)圖6飛機(jī)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行特征識(shí)別，提取相關(guān)幾何信息和非幾何信息，傳遞給CAPP系統(tǒng)，設(shè)置CAPP系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)件加工刀軌進(jìn)行規(guī)劃，如圖7所示。在CATIA V5中進(jìn)行仿真加工，將不合理的刀軌規(guī)劃反饋給CAPP系統(tǒng)重新規(guī)劃，直到刀軌全部合理為止，經(jīng)后置處理導(dǎo)出NC程序，在數(shù)控銑床上進(jìn)行銑削加工，加工結(jié)果如圖8所示。

圖8 加工結(jié)果

6結(jié) 論

加工結(jié)果驗(yàn)證了基于MBD的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的可行性。以飛機(jī)結(jié)構(gòu)件MBD模型為加工過程中的唯一依據(jù)，提高了工藝人員對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件幾何信息和非幾何信息提取的準(zhǔn)確性，以幾何信息和非幾何信息指導(dǎo)工藝決策，提高了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工效率，縮短了加工周期。

楊海成.數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

唐剛，譚惠忠.數(shù)控加工編程與操作［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

趙鳴，王細(xì)洋.基于模型定義的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014（2）：13-17.

王偉，楚王偉，李迎光，等.面向加工過程的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征排序方法［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010（12）：1638-1645.

周秋忠，范玉青.MBD技術(shù)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用［J］.航空維修與工程，2008（3）：55-57.

［6］ Y14.41-2003 Digital Product Definition Data Practices［S］.New York：ASME，2003.

［7］ 盧鵠，韓爽，范玉青.基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2008（3）：78-81.

［8］ 王細(xì)洋.飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的高速銑削工藝［J］.航空制造技術(shù)，2013（14）：64-69.