基于典型薄壁件的設計特征分析

周俊

摘 要：薄壁件產品是構成宇航器的常見的定制化零件，結構復雜、質量要求高。本文結合實際的宇航薄壁件產品設計及可制造性分析要求，著重分析了回轉體和腔內結構的設計特征及其對應的制造特征。

關鍵詞：典型薄壁件設計特征；宇航器；定制化零件

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

薄壁件產品是構成宇航器的最為常見的定制化零件，這些產品結構復雜、技術含量高、質量要求高，是典型的技術密集、知識密集和資金密集的復雜部件，其設計過程需要涉及很多部門的協同作業。傳統制造業中，制造過程與設計過程是分開的，各自有各自獨立的特點，雖然在制造的過程中相互聯系，但是在設計者進行設計的時候，往往會考慮加工制造的特性，忽略了產品的可制造性，很容易造成因為無法加工而進行返工，這樣既降低了加工效率，又增加了設計制造成本。結合實際的薄壁件產品設計及可制造性分析要求，以下主要針對典型的回轉體和腔內結構的設計特征及其對應的制造特征進行分析。

1 圓柱孔的設計特征

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；按臺階數可以分為二級臺階孔、三級臺階孔。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大

這僅針對盲孔而言，因為它只有一個可選進刀方向，即沿盲孔開口方向進刀，而一定直徑的刀具有效長度是有限的，按照經驗，如果這個比值（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刀方向，不存在上述問題。具體的系統判斷方法：獲取孔軸線所在的射線，求該射線與實體的交點，如果有且僅有一個交點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即得到孔深度。通過計算孔的直徑和深度比值，判斷其是否合理。

1.2 孔徑尺寸是否標準

刀具庫中刀具直徑為孔徑的標準直徑，建議無特殊要求采用與刀具庫中刀具匹配的直徑。具體的實現方法為先獲取孔直徑，再通過與刀具庫中相應刀具直徑的比較，判斷孔徑是否標準；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，在鉆孔加工時會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體的交點，交點中包含孔分布在底面圓周上的點情況下，判斷這些點所在的平面是否與孔軸線垂直，據此判斷孔軸線是否垂直于孔端面。

1.4 進刀過程中刀具是否與零件發生干涉

進刀過程中，如果刀具與零件發生干涉，極易造成零件報廢。系統判斷方法：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，如果在孔的所有可選進刀方向上均存在交點，則判定進刀過程中將發生干涉，提示無法加工。否則，繼續向四周延伸射線，直到在可選進刀方向出現交點，記錄此時射線到孔軸線的距離以及最遠一個交點到孔開口平面間的距離分別作為孔中心到側壁的距離和側壁的高度。結合孔、刀具參數，由幾何關系判斷刀具、刀柄等是否與側壁發生干涉，從而判定該孔能否加工。

2 腔類零件的設計特征

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，對表面質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 腔的側壁與底面的夾角是否為銳角

型腔的側壁與底面的夾角若為銳角時，需要用組合夾具裝夾零件加工，加工難度大，因此型腔的側壁與底面的夾角盡可能避免設計為銳角。系統判斷方法：由用戶選擇得到腔的側壁和底面，調用Pro/E函數獲取平面的法向量，通過判斷兩個面的法向量的夾角來判定側壁與底面的夾角。

2.2 腔的深度與轉接圓角半徑比值是否過大

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

2.3 腔內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接圓角半徑。因此，此分析在建模過程中進行，根據用戶輸入的相關參數，在創建特征前檢查腔內部的最小間距是否小于選擇的刀具直徑。

2.4 腔的轉接圓角半徑是否一致

如果所有的轉接圓角半徑一致，可以一次加工完成，提高工作效率。系統判斷方法：獲取腔內每個轉接圓角的半徑，進行比較。同時判斷圓角半徑是否為最常用的R5、R8和R10。

2.5 腔的側壁與底面之間圓角半徑是否一致、是否過大

在銑削加工腔時由刀具自動附帶的角度在側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行單獨加工。如果半徑超過R5，需要專用刀具進行加工。為此，一般不對側壁與底面之間的圓角進行限定，由刀具角度自動保證。系統判斷方法：通過圓角軸線與腔的方向垂直來區分轉接圓角與底部圓角，并對其半徑進行判斷。

以上簡要分析了回轉體和腔內結構的設計特征及其對應的制造特征。在此基礎之上，從設計特征過程的拉伸層面數據出發可以實現薄壁件產品的設計特征到制造特征的轉換。

參考文獻：

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