劉 適

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司數(shù)控加工廠，四川 成都 610091)

數(shù)控加工是當(dāng)前飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的主要制造方式，為滿足強(qiáng)度好、重量輕的要求，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件以薄壁多槽腔結(jié)構(gòu)為主，同時(shí)具有大量復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，精度要求高，相比其他行業(yè)，對(duì)加工的要求更為嚴(yán)苛。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件高效、高質(zhì)量的設(shè)計(jì)與制造是保證飛機(jī)性能和研制進(jìn)度的重要條件。它不僅要求將數(shù)字化技術(shù)簡(jiǎn)單的組合應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造中，更強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同性[1]。隨著飛機(jī)性能要求的提高，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件大量采用整體化設(shè)計(jì)，這使得單個(gè)結(jié)構(gòu)件的尺寸越來(lái)越大，集成的功能特征越來(lái)越多，結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜[2]。例如圖1所示，新一代飛機(jī)的整體框零件(圖1a)相比上一代飛機(jī)(圖1b)，將其相鄰零件整合到整體框的設(shè)計(jì)中，使零件結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，制造難度相應(yīng)提升，這對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同性提出了更高要求。一旦設(shè)計(jì)缺乏對(duì)其可制造性的考慮，使設(shè)計(jì)過(guò)程和制造過(guò)程出現(xiàn)斷裂，必然會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品制造工藝復(fù)雜程度提高、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)加大、生產(chǎn)成本增加。

隨著制造業(yè)信息化的發(fā)展，面向制造的設(shè)計(jì)(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(shè)計(jì)方法，是在并行工程環(huán)境下改進(jìn)、優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)哲理，其主要思想是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段引入制造過(guò)程的約束，盡早地考慮制造的可能性和經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的可制造性進(jìn)行評(píng)價(jià)，改善設(shè)計(jì)不合理的地方，提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可制造性[3]。雖然DFM的概念已誕生很長(zhǎng)時(shí)間，但如何有助于新一代產(chǎn)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(shè)計(jì)方法

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件雖然外型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但特征技術(shù)在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中被廣泛運(yùn)用[4]。零件的特征涵蓋多方面內(nèi)容，如總體特征、材料特征、精度特征、功能特征、幾何結(jié)構(gòu)特征等，就數(shù)控加工而言，最關(guān)注的是影響數(shù)控工藝方案及程序編制的零件幾何結(jié)構(gòu)特征。薄壁零件的結(jié)構(gòu)剛性對(duì)工藝方案制定具有重要影響，而零件設(shè)計(jì)的具體細(xì)節(jié)將直接決定程編的難易程度。當(dāng)然，零件的材料、精度等特征對(duì)制造工藝方案依然有較大影響，但這些特征基本不會(huì)面向制造而發(fā)生改變，是設(shè)計(jì)的固有特征，本文不作更多探討。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于專(zhuān)業(yè)的限制，缺少適當(dāng)?shù)妮o助工具以及良好的載體，設(shè)計(jì)人員更多地是根據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣構(gòu)造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致零件的可加工性、加工時(shí)間和加工成本等因素得不到控制，零件的設(shè)計(jì)水平差異較大，良莠不齊，給產(chǎn)品制造帶來(lái)了較大困難。為此，必須要讓設(shè)計(jì)和制造相融合，形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，建立規(guī)范，形成可獲取和重用的知識(shí)體系。如圖2所示，結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)特征，將其典型化，運(yùn)用知識(shí)工程形成工藝知識(shí)庫(kù)，并從中提煉出設(shè)計(jì)規(guī)范和程編規(guī)范，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)融合，使面向制造的設(shè)計(jì)成為可能。

表1 典型特征列表

航空結(jié)構(gòu)件從結(jié)構(gòu)類(lèi)型看，主要包括框、梁、肋和接頭等幾類(lèi)典型零件[5]。不論是何種類(lèi)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(lái)構(gòu)造完整的機(jī)械零件，定義和記錄組成零件的各個(gè)邊界曲面及加工特征信息[6]。因此，無(wú)論是設(shè)計(jì)與程編，現(xiàn)有的主流CAD/CAM軟件都是建立在特征的基礎(chǔ)之上。對(duì)于數(shù)控程編而言，零件的幾何結(jié)構(gòu)特征是數(shù)控編程的最小化單元。同時(shí)，特征具有相似性的〗特點(diǎn)，根據(jù)其幾何形態(tài)和功能的不同，可以對(duì)其進(jìn)行典型化定義。國(guó)內(nèi)外針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工特征及其定義方法開(kāi)展了眾多較為深入的理論研究，其中典型的一類(lèi)是通過(guò)程編走刀策略的不同對(duì)特征進(jìn)行分類(lèi)定義。經(jīng)過(guò)工藝程編專(zhuān)家對(duì)新一代飛機(jī)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的大量分析總結(jié)，建立了如表1所示的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件典型特征列表。

該列表把飛機(jī)結(jié)構(gòu)件典型加工特征分為一、二兩級(jí)，一級(jí)特征包括槽腔、筋條、輪廓及孔四大類(lèi)，而二級(jí)特征是一級(jí)特征的構(gòu)成子元素，但同時(shí)也可以各自獨(dú)立歸納為一類(lèi)特征，主要分為轉(zhuǎn)角、腹板、內(nèi)形及筋頂過(guò)渡區(qū)四類(lèi)。每類(lèi)特征下包含了若干子特征共計(jì)56個(gè)，對(duì)每個(gè)子特征都進(jìn)行了編碼。這樣，針對(duì)每一個(gè)典型特征，就可以開(kāi)展工藝知識(shí)的獲取、表達(dá)和建模，建立飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造知識(shí)的獲取、重用和融合技術(shù)。

2 典型案例

根據(jù)上述思路，結(jié)合數(shù)控工藝程編的具體特點(diǎn)，對(duì)每一類(lèi)典型特征的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了通用設(shè)計(jì)要求，形成設(shè)計(jì)規(guī)范，給設(shè)計(jì)人員提供參考，為更好地展示說(shuō)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(shè)計(jì)通用要求案例

(1)平頂筋頂設(shè)計(jì)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(guò)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(zhì)量，如圖3所示。

(2)斜頂筋設(shè)計(jì)要求

在槽內(nèi)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(guò)渡圓弧半徑(r)盡量設(shè)計(jì)成比刀具底齒半徑(R)大1 mm(r=R+1)。斜筋與腹板面連接時(shí)，應(yīng)避免直接與腹板底面連接，建議設(shè)計(jì)成臺(tái)階，臺(tái)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(guò)渡方式采用尖角結(jié)構(gòu)，避免單獨(dú)加工過(guò)渡圓弧時(shí)與平筋頂形成接刀不平。

在筋條頂面避免凹陷結(jié)構(gòu)，如確實(shí)需要應(yīng)采用平頂凹陷結(jié)構(gòu)，平頂凹陷區(qū)域最小寬度應(yīng)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(guò)渡圓弧r應(yīng)保證與刀具底角R一致，筋頂凹陷應(yīng)避免曲線凹陷結(jié)構(gòu)。如圖5所示。

筋條頂面的方向應(yīng)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(biāo)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(shè)計(jì)通用要求案例

在深槽設(shè)計(jì)時(shí)，確保加工每一把刀具滿足刀具工作長(zhǎng)度在系列化刀具的優(yōu)選范圍以內(nèi)，按高度不同設(shè)計(jì)不同的轉(zhuǎn)角R，如圖7所示。在高度方向設(shè)計(jì)成按臺(tái)階狀，如圖8所示。

2.3 基于輪廓特征的面向制造的設(shè)計(jì)通用要求案例

零件曲面外形設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)簡(jiǎn)化成直紋面，采用刀具側(cè)齒加工以提高加工效率和表面質(zhì)量。將外形曲面簡(jiǎn)化成直紋面，拱高不大于0.2 mm時(shí)，作成單直紋面，拱高不小于0.2 mm時(shí)，可做成多直紋面。零件曲面內(nèi)形面原則上簡(jiǎn)化成一個(gè)直紋面，在不影響裝配的情況下最優(yōu)選內(nèi)形與腹板成直角。

針對(duì)零件數(shù)模中型面碎面過(guò)多的情況，在設(shè)計(jì)建模時(shí)應(yīng)先進(jìn)行修整處理，避免最終零件緣條內(nèi)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(gòu)造直紋面時(shí)，必須要檢查所構(gòu)造面與實(shí)際零件面的誤差，如圖10所示。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)DFM技術(shù)的應(yīng)用，大大加強(qiáng)了設(shè)計(jì)的規(guī)范性，使零件的可制造性得到了明顯的提高，降低了數(shù)控加工的難度，提升了產(chǎn)品質(zhì)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(jī)的研制中，取得了明顯的效果。同時(shí)，企業(yè)和設(shè)計(jì)所也獲得了大量的知識(shí)積累，加強(qiáng)了人員知識(shí)儲(chǔ)備，為后續(xù)更好地融合，提高產(chǎn)品品質(zhì)，加速產(chǎn)品研制的進(jìn)度，占領(lǐng)市場(chǎng)新高地創(chuàng)造了條件。