基于MB D的飛機結構件數控加工方法

呂斌， 王細洋， 孫心宇

（南昌航空大學 航空制造工程學院，南昌330063）

0 引 言

飛機產品作為一種復雜的航空工業產品，逐漸趨向于數字化制造［1］，數控技術集微電子、計算機、信息處理、自動檢測及自動控制于一體。數控加工作為一種高效率、高精度和高柔性的數字化和自動化加工方法而廣泛地應用于飛機結構件的加工［2］。 趙鳴［3］提出一種基于模型定義的飛機結構件數控編程方法，解決了飛機結構件數控加工效率不高和自動化程度低的問題。王偉等［4］針對飛機結構件零件尺寸大、加工特征多、結構復雜、包含大量自由曲面和相交特征的特點，提出了面向加工過程的飛機結構件加工排序方法，優化了飛機結構件數控加工的路徑。

本文借鑒以上飛機結構件數控加工經驗，提出基于MBD的飛機結構件數控加工方法，該方法以飛機結構件MBD模型為加工過程中的唯一依據，合理選擇刀具和規劃刀軌路徑，以縮短飛機結構件數控加工周期。

1 飛機結構件MBD工藝模型

MBD（Model Based Definition），即基于模型的定義，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法，它詳細規定了三維模型中產品尺寸、公差的標注規則和工藝信息的表達方式［5］。美國機械師工程協會在20世紀末開始了有關MBD標準的研究和制定，并于2003年成為了美國國家標準，標準號為 ASME Y14.41［6］。隨后，ISO組織借鑒ASME Y14.41標準制定了ISO16792標準，為歐洲以及亞洲等國家的用戶提供支持［7］。

MBD模型定義了飛機結構件幾何信息和非幾何信息，MBD模型中非幾何信息的自動獲取大大減少了人工交互，避免了由于人員個體輸入產生的數據異意性、不完整性和冗余性，提高了工藝決策、數控編程和在線檢測的自動化程度、質量和效率。

飛機結構件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 飛機結構件MBD工藝模型

零件模型是逐步對毛坯模型進行切除形成的。用Fij代表第i道工序切除的第j個體積特征；Hi為第i道工序切除的體積數。設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為

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

2 飛機結構件加工特征分類

飛機結構件是飛機的主體框，一般用來構成飛機機體骨骼和氣動外形?，F代飛機結構件大多采用整體飛機結構件，這種結構件外形準確，重量輕，氣密性好。整體結構件的使用使得飛機的強度、剛度和可靠性得到了大幅度的提升。從數控加工的角度看，飛機結構件有以下的特點：1）外形復雜，尺寸大，加工特征數目多；2）飛機結構件壁薄，切削量大，往往需要進行多面加工，加工時候容易產生干涉；3）輪廓的加工精度和質量要求高，且多為直紋面；4）加工材料各異，加工工序繁瑣。

青辰的繩子已經被巖鷹啄斷，而為了救青辰，唐玉煙的繩子也已經被斬斷，現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。

飛機結構件由總體特征、加工特征和輔助特征組成。加工特征是飛機結構件中最基本的組成單元和信息的載體，根據飛機結構件特征的幾何形狀，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表示飛機結構件，Pij表示第i層上第j個加工特征，則飛機結構件可用集合表示為

圖2 飛機結構件分類

3 飛機結構件數控加工工藝

3.1 飛機結構件數控加工總體原則

飛機結構件加工具有工序多、精度要求高等特點，使得飛機結構件加工越來越趨于自動化和數字化，數控加工能有效地保證飛機結構件加工的質量和精度。飛機結構件數控加工的總體原則如下：

1）加工順序。由高至低，由外至內。即先加工緣高、外形，后加工腹板、內形。

2）加工內容。飛機結構件的加工在保證總體效率的情況下，應盡可能選用數控加工。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。兩側加工的零件遵循相同的原則。一般情況下，零件的外形、內形、腹板、緣高、筋高等需要加工到尺寸，外形下陷、內形下陷的邊界允許不加工到位，但需要安排相應的常規補加工工序，并且，補加工時應先加工外形，后加工內形。緣條和筋條的轉角可以留少量的殘余，閉角加工的殘余應該符合閉角加工原則。而由于飛機結構件的高精度要求，選擇的計算容差應該盡可能精確。

3）刀具和刀軌。盡可能選擇大直徑標準直徑刀具，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，才采用逆銑加工。加工軌跡以刀具路徑最短為優。

3.2 刀具的選擇和切削參數的確定

高速銑削是飛機結構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應用［8］。飛機結構件高速銑削刀具不僅應具有高耐磨性、高抗彎強度和沖擊韌性、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。目前，飛機結構件加工多采用超細晶粒的硬質合金刀具和涂層的硬質合金刀具。

切削用量的確定對結構件加工成本和加工質量有著重要的影響，飛機結構件數控加工程序編制過程中，需要計算所需要的分層數量及排刀寬度。進給速度和銑削速度是影響飛機結構件加工精度的主要因素，其計算公式如下：

式中：Vc為銑削速度；Vf為進給速度；Do為刀具直徑；N為刀具轉數；Fz為每齒進給量；Z為刀具齒數。

3.3 典型加工特征刀軌規劃

圖3 槽腔結構件精加工刀軌

飛機結構件筋特征主要由筋側面、頂面及約束面組成，筋頂面根據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，平頂筋與斜頂筋應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 飛機結構件數控加工方法

基于MBD的飛機結構件數控加工，在CATIA環境下標注飛機結構件MBD模型，采用特征識別技術提取幾何信息和非幾何信息指導加工，可以大大地提高加工的效率，如圖5所示。

圖5 基于MBD的飛機結構件數控加工流程圖

1）在CATIA環境下構建飛機結構件MBD模型并標注。

2）通過基于圖的特征識別技術，構建飛機結構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，結合非幾何信息，傳遞給CAPP系統并進行CAPP工藝參數的設置，規劃加工特征的刀軌。

4）在CATIA環境下進行飛機結構件的仿真加工，檢查刀軌是否合格，若不合格則反饋給CAPP系統，重新進行工藝參數的設置，直到刀軌合格。經后置處理導出NC程序。

5 實例分析

以簡單飛機結構件為例，說明基于MBD的飛機結構件數控加工方法，在CATIA中進行標注，如圖6所示。

圖6 基于MBD的飛機結構件

圖7 CAPP基本參數設置

采用特征識別技術對圖6飛機結構件進行特征識別，提取相關幾何信息和非幾何信息，傳遞給CAPP系統，設置CAPP系統相關參數，對結構件加工刀軌進行規劃，如圖7所示。在CATIA V5中進行仿真加工，將不合理的刀軌規劃反饋給CAPP系統重新規劃，直到刀軌全部合理為止，經后置處理導出NC程序，在數控銑床上進行銑削加工，加工結果如圖8所示。

圖8 加工結果

6結 論

加工結果驗證了基于MBD的飛機結構件數控加工的可行性。以飛機結構件MBD模型為加工過程中的唯一依據，提高了工藝人員對飛機結構件幾何信息和非幾何信息提取的準確性，以幾何信息和非幾何信息指導工藝決策，提高了飛機結構件的加工效率，縮短了加工周期。

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

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

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