周俊

摘 要：薄壁件產(chǎn)品是構(gòu)成宇航器的常見(jiàn)的定制化零件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量要求高。本文結(jié)合實(shí)際的宇航薄壁件產(chǎn)品設(shè)計(jì)及可制造性分析要求，著重分析了回轉(zhuǎn)體和腔內(nèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特征及其對(duì)應(yīng)的制造特征。

關(guān)鍵詞：典型薄壁件設(shè)計(jì)特征；宇航器；定制化零件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.057

薄壁件產(chǎn)品是構(gòu)成宇航器的最為常見(jiàn)的定制化零件，這些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高、質(zhì)量要求高，是典型的技術(shù)密集、知識(shí)密集和資金密集的復(fù)雜部件，其設(shè)計(jì)過(guò)程需要涉及很多部門的協(xié)同作業(yè)。傳統(tǒng)制造業(yè)中，制造過(guò)程與設(shè)計(jì)過(guò)程是分開的，各自有各自獨(dú)立的特點(diǎn)，雖然在制造的過(guò)程中相互聯(lián)系，但是在設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，往往會(huì)考慮加工制造的特性，忽略了產(chǎn)品的可制造性，很容易造成因?yàn)闊o(wú)法加工而進(jìn)行返工，這樣既降低了加工效率，又增加了設(shè)計(jì)制造成本。結(jié)合實(shí)際的薄壁件產(chǎn)品設(shè)計(jì)及可制造性分析要求，以下主要針對(duì)典型的回轉(zhuǎn)體和腔內(nèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特征及其對(duì)應(yīng)的制造特征進(jìn)行分析。

1 圓柱孔的設(shè)計(jì)特征

孔類特征按是否打通可分為通孔、盲孔；按是否帶有螺紋可以分為螺紋通孔、螺紋不通孔；按孔底部形狀可以分為錐孔、平底孔；按臺(tái)階數(shù)可以分為二級(jí)臺(tái)階孔、三級(jí)臺(tái)階孔。按照上述分類，孔類特征的可制造性分析主要在以下幾方面：

1.1 孔的直徑和深度比值是否過(guò)大

這僅針對(duì)盲孔而言，因?yàn)樗挥幸粋€(gè)可選進(jìn)刀方向，即沿盲孔開口方向進(jìn)刀，而一定直徑的刀具有效長(zhǎng)度是有限的，按照經(jīng)驗(yàn)，如果這個(gè)比值（孔的直徑和深度比值）大于10，使用普通刀具將難于加工。通孔則具有兩種可選進(jìn)刀方向，不存在上述問(wèn)題。具體的系統(tǒng)判斷方法：獲取孔軸線所在的射線，求該射線與實(shí)體的交點(diǎn)，如果有且僅有一個(gè)交點(diǎn)與孔某一底面圓的圓心重合，可判定該孔為盲孔。然后獲取孔圓周面積，用其除以孔底面圓周長(zhǎng)即得到孔深度。通過(guò)計(jì)算孔的直徑和深度比值，判斷其是否合理。

1.2 孔徑尺寸是否標(biāo)準(zhǔn)

刀具庫(kù)中刀具直徑為孔徑的標(biāo)準(zhǔn)直徑，建議無(wú)特殊要求采用與刀具庫(kù)中刀具匹配的直徑。具體的實(shí)現(xiàn)方法為先獲取孔直徑，再通過(guò)與刀具庫(kù)中相應(yīng)刀具直徑的比較，判斷孔徑是否標(biāo)準(zhǔn)；最后選擇合適的刀具。

1.3 孔軸線是否垂直于孔端面

如果斜面上的孔不垂直于斜面，在鉆孔加工時(shí)會(huì)因斜表面上切削抗力的分力使鉆頭偏離正確位置，造成加工精度難于保證，并易折斷鉆頭。具體的系統(tǒng)判斷方法為先獲取孔的軸線，并向四周平行延伸孔的半徑，得到位于孔圓柱面上的射線；再求這些射線與零件實(shí)體的交點(diǎn)，交點(diǎn)中包含孔分布在底面圓周上的點(diǎn)情況下，判斷這些點(diǎn)所在的平面是否與孔軸線垂直，據(jù)此判斷孔軸線是否垂直于孔端面。

1.4 進(jìn)刀過(guò)程中刀具是否與零件發(fā)生干涉

進(jìn)刀過(guò)程中，如果刀具與零件發(fā)生干涉，極易造成零件報(bào)廢。系統(tǒng)判斷方法：獲取孔軸線所在的射線，并由該射線向四周平行延伸孔半徑的距離，即得到位于孔圓周上且平行于孔軸線的n 條射線，求這些射線與零件的交點(diǎn)，如果在孔的所有可選進(jìn)刀方向上均存在交點(diǎn)，則判定進(jìn)刀過(guò)程中將發(fā)生干涉，提示無(wú)法加工。否則，繼續(xù)向四周延伸射線，直到在可選進(jìn)刀方向出現(xiàn)交點(diǎn)，記錄此時(shí)射線到孔軸線的距離以及最遠(yuǎn)一個(gè)交點(diǎn)到孔開口平面間的距離分別作為孔中心到側(cè)壁的距離和側(cè)壁的高度。結(jié)合孔、刀具參數(shù)，由幾何關(guān)系判斷刀具、刀柄等是否與側(cè)壁發(fā)生干涉，從而判定該孔能否加工。

2 腔類零件的設(shè)計(jì)特征

腔類特征按形狀可分為圓形腔、三角形腔、扇形腔、矩形腔、梯形腔、多邊形腔等，主要用于減重，對(duì)表面質(zhì)量要求一般不高或不作要求。按照上述分類，腔類特征的可制造性分析主要在以下幾方面：

2.1 腔的側(cè)壁與底面的夾角是否為銳角

型腔的側(cè)壁與底面的夾角若為銳角時(shí)，需要用組合夾具裝夾零件加工，加工難度大，因此型腔的側(cè)壁與底面的夾角盡可能避免設(shè)計(jì)為銳角。系統(tǒng)判斷方法：由用戶選擇得到腔的側(cè)壁和底面，調(diào)用Pro/E函數(shù)獲取平面的法向量，通過(guò)判斷兩個(gè)面的法向量的夾角來(lái)判定側(cè)壁與底面的夾角。

2.2 腔的深度與轉(zhuǎn)接圓角半徑比值是否過(guò)大

在銑削加工腔時(shí)轉(zhuǎn)接圓角的尺寸是由銑刀半徑保證的，而在加工腔內(nèi)部的區(qū)域時(shí)，為提高效率，大多采用直徑較大的刀具。通常，使轉(zhuǎn)接圓角半徑與刀具半徑相等，即可只用一把刀具，省去換刀時(shí)間，提高效率。為此，一般取深度H小于或等于轉(zhuǎn)接圓角半徑R的4～5倍，最大不能超過(guò)轉(zhuǎn)接圓角半徑的10倍。系統(tǒng)判斷方法：獲取轉(zhuǎn)接圓角的半徑以及1/4 圓柱面的面積，而腔深度H=2S/πR，H/R=2S/πR2，其中S為圓柱側(cè)面積。

2.3 腔內(nèi)部的最小間距是否小于選擇的刀具直徑

刀具的選擇依賴于腔的深度以及轉(zhuǎn)接圓角半徑。因此，此分析在建模過(guò)程中進(jìn)行，根據(jù)用戶輸入的相關(guān)參數(shù)，在創(chuàng)建特征前檢查腔內(nèi)部的最小間距是否小于選擇的刀具直徑。

2.4 腔的轉(zhuǎn)接圓角半徑是否一致

如果所有的轉(zhuǎn)接圓角半徑一致，可以一次加工完成，提高工作效率。系統(tǒng)判斷方法：獲取腔內(nèi)每個(gè)轉(zhuǎn)接圓角的半徑，進(jìn)行比較。同時(shí)判斷圓角半徑是否為最常用的R5、R8和R10。

2.5 腔的側(cè)壁與底面之間圓角半徑是否一致、是否過(guò)大

在銑削加工腔時(shí)由刀具自動(dòng)附帶的角度在側(cè)壁與底面之間形成大約R1～R2的圓角。如果半徑在R5以下，需要采用球形銑刀進(jìn)行單獨(dú)加工。如果半徑超過(guò)R5，需要專用刀具進(jìn)行加工。為此，一般不對(duì)側(cè)壁與底面之間的圓角進(jìn)行限定，由刀具角度自動(dòng)保證。系統(tǒng)判斷方法：通過(guò)圓角軸線與腔的方向垂直來(lái)區(qū)分轉(zhuǎn)接圓角與底部圓角，并對(duì)其半徑進(jìn)行判斷。

以上簡(jiǎn)要分析了回轉(zhuǎn)體和腔內(nèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特征及其對(duì)應(yīng)的制造特征。在此基礎(chǔ)之上，從設(shè)計(jì)特征過(guò)程的拉伸層面數(shù)據(jù)出發(fā)可以實(shí)現(xiàn)薄壁件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特征到制造特征的轉(zhuǎn)換。

參考文獻(xiàn)：

[1]石廣豐，王景梅，宋林森等.薄壁零件的制造工藝研究現(xiàn)狀[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35（01）：68-72.

[2]郭亞飛，侯俊杰，石勝友.面向典型宇航產(chǎn)品的工藝知識(shí)庫(kù)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2013，40（05）：189-197.endprint