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长桁类零件三维模型展开方法的研究

摘要：本文通过分析飞机长桁类零件的结构特点及制造工艺关键技术，以某型机的典型长桁类零件生产为例，提出基于长桁类零件结构特征，以工艺分析为基础，长桁类零件的工程数据集做为依据，明确长桁类零件三维展开模型设计原则，基于CATIA V5数字化环境，掌握典型结构特征的长桁类零件展开数模设计的技术解决方案，为长桁类零件的生产提供可借鉴的范例。
关键词：结构特征；长桁类零件；数字化；展开技术

引言
现代飞机为达到良好气动效果，外形愈发复杂多变，导致作为飞机主要结构连接件的长桁也具有外形曲率复杂、结构特征多变、成型精度要求高等特点，长桁类零件作为现代飞机的典型结构件，具有强度高、重量轻等优势，在飞机结构中大量应用，也使得长桁类零件的制造工艺成为数字化环境下航空制造领域的一个重要研究方向。作为长桁类零件制造技术中关键环节之一，其工程数据集的展开不仅是制造工艺的要求，也是数字化制造的基础，长桁类零件结构的特殊性导致其展开精度影响装配精度，快速精确的进行三维展开数据集的设计，有利于提高零件加工质量、飞机装配效率，降低制造成本。对于缩短整体飞机的研制周期，提高飞机研制性能以及促进现代飞机制造技术的发展具有重要意义。
1. 结构特点及工艺分析
1.1结构特点
长桁类零件是指结构细长，长宽高比值大的薄壁类零件，其具有以下结构特点：长度尺寸较大、长宽比、长高比巨大；截面结构多样；加工面多；无加强结构；毛坯多为型材。

图1 典型长桁类零件结构图
1.2工艺分析
在长桁类零件的加工中，需要以工程数据集为依据的三维展开数据集来辅助数控铣切程序编程。长桁类零件制造的常规流程可分为如下步骤：首先分析零件结构，通过CATIA V5软件将工程数据集进行展开，得到三维展开数据集，数控加工厂依据三维展开数据集进行数控编程并对型材板坯进行精铣外形轮廓区、精铣内形轮廓区、精铣腹板等数控铣切步骤，得到展开板坯，使用拉弯成型和压下陷对展开板坯进行成型，得到最终状态的长桁类零件用于飞机装配，如图2所示。

图2 长桁类零件加工流程
2. 长桁类零件三维展开数据集设计原则
长桁展开就是已知长桁零件的最终形状，求取成型该零件的毛料形状，是成型的逆过程。从曲面变形角度来说，长桁类零件外形一般为双曲度，曲面展开后易变形，无法精确控制，导致曲面展开结果不唯一且无限近似理论值。零件成型状态下主要是通过在基础特征上添加局部特征形成零件最终形状，基础特征包括型材类型，如T型材、工字型材、Z型材在内的型材结构，局部特征包括切边、下陷、孔等结构，三维展开数据集的设计也要遵循这样的设计方法，采用展开外形曲面、映射结构特征、重构结构体三个步骤来完成建模。
基于通用三维展开数据集设计原则：面积不变原则、协调尺寸优先原则、翼展方向误差最小原则。而又根据型材材料本身结构特点，增加设计原则如下：
1. 三维展开数据集外形不能超过型材材料标准所规定尺寸；
2. 长桁轴线应为删除底R后的最大长度位置线而不是中性层；
3. 三维展开数据集应沿长桁轴线方向拉直，对于T型材应保持腹板与立筋角度与型材材料标准一致。
3. 局部特征设计关键技术
3.1 包裹曲线在外形轮廓区的应用
某型机长桁零件为达到保持结构强度不变而又减重的目的，将零件外形轮廓进行特殊设计，增加波浪状结构来进行长桁结构设计，通过建模分析可得知，波浪区为阵列排布，方法一为逐一测量外形轮廓区关键尺寸，将波浪区在CATIA V5草图中进行1:1还原，通过凸台、凹槽等命令完成波浪区的结构体重构。方法二是使用CATIA V5软件创成式外形设计模块中“高级曲面”工具条中“包裹曲线” 命令来进行对长桁类零件外形轮廓区域进行展开，首先对工程数据集进行区域划分，分为外形轮廓区、下陷区、过渡区，对外形轮廓区曲面并进行分割，得到需要曲面的展开结果，即参考曲面，基于参考曲面做外形轮廓区的平行线作为参考线，如图3所示。

图3 外形轮廓区特征展开过程
然后将参考曲面展开，得到曲面2，即展开曲面，使用“包裹曲线” 命令将外形轮廓区进行展开得到，并选取在展开曲面上依据区域划分结果做出与外形轮廓区长度相等的一条直线作为参考轴线坐标轴，在此基础上建立坐标系1，即参考轴系，在已经建立基本特征的展开板坯上选取适当点建立坐标系2，即目标轴系，使用定位转换 命令对外形轮廓进行定位转换，使之与目标轴系重合，建立外形轮廓区域草图，使用“凹槽”等命令完成波浪区的结构体重构。
3.2 下陷的长度收缩量
由于三维展开数据集设计过程没有考虑材料延展性，实际零件在生产过程中受外力影响会导致零件发生延展变形，导致零件设计值与实际值不符，传统做法是在成型前预留一定余量，装配时另行去除余量。但随着对零件制造精度要求越来越高，传统方法已经难以满足零件制造要求，这样就需要考虑工艺收缩量，在三维展开数据集设计阶段进行补偿，如表1，通过实际零件生产过程中试验测量数据总结得出下陷的长度收缩量。
表1 下陷长度收缩量(mm)
下陷深度
≤2
＞2~4
＞4~6
长度收缩量
不考虑
0.1~0.3
0.5
结论
经工艺审评，生产厂认为满足设计使用要求，达到了预期的目的，生产的零件可以用于飞机的装配。随着航空工业的发展，我们要追求用最精益的设计方法，提供符合设计和生产要求的数据集，高效数字化设计、生产模式将是零件生产方向的必然趋势。基于CATIA V5环境，长桁类零件三维模型展开展开方法的成功应用，有助于保证三维展开模型设计质量和提高零件生产效率，具有良好的推广应用价值。

参考文献
[1] 范玉青．现代飞机制造技术[M]；北京：航空航天大学出版社，2001：
[2] 张耀平，陈金平等．飞机长桁类零件工艺板坯数模的展开设计[J]；航空制造技术,2015(15)：
[3] 阳波，苟文博等．大型长桁类零件展开技术研究[J]；机械制造，2017（1）：

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