飛機復合材料構件工裝的數字化設計

◎馬吉川

引言：設計方法的創新，是簡化飛機復合材料設計流程、提高復合材料加工精度的有效措施。基于數字化、模塊化的設計理念，運用計算機輔助設計平臺，除了可以快速得到符合使用需求的構件模型外，還能夠自動檢測復合材料構件工裝的加工精度，基本上實現了從前期設計、后期加工的全流程自動化，取得了較好的經濟效益。將數字化設計推廣至飛機復合材料構件工裝中，已經成為現階段飛機制造公司的一項重要任務。

一、復合材料構件成型工裝數字化設計

1.模具的設計。

（1）數控加工技術。

數控加工是復合材料成型模具常用的加工制造方法。框架式模具的型板、纏繞成型的芯模、成型模具的型腔以及一些有配合要求的工裝等，都需要采用數控加工來保證加工精度和表面質量。近年來，高速數控銑削技術發展迅速，其具有較高的材料切除效率、高切削表面質量。從技術應用效果來看，數控加工可以通過自動識別各類構件的形狀、尺寸以及其他詳細參數，自動的生成模具的三維坐標。然后通過計算機的調控指令，控制前端的銑削工具，完成對模具的自動化制作，最終得到高精度的模具。

（2）表面處理技術。

模具內表面的光滑度、脫模能力等，也是衡量復合材料構件模具制作質量的重要指標。通過采用不同的表面處理技術，可以改變模具表層的成分、組織、性能，從而大幅度地改善模具的表面性能，如硬度、耐磨性、摩擦性能、耐腐蝕性、抗氧化性及脫模能力等。根據具體處理方式的不同，又可以將這一技術分成物理法、化學法、激光法等幾種。其中，從表面處理速度、處理效果上來看，激光法應用效果較好。其原理是，由激光器發出激光，在數控設備的控制下，完成對模具內表面的強化處理，對提高模具表面光滑度、耐腐蝕等效果有積極幫助，從而達到延長模具使用效果的作用。

2.支架的設計。

支架位于模具體與底架之間，一般由金屬板材組成，用于支撐和固定位于其上的模具體。支架的結構包括內支撐板、外支撐板、內底板和外底板4 種結構，特征為散熱孔和卡槽，散熱孔有4 種形狀：圓形、長條形、矩形和矩形倒角。各零件之間具有約束關系，如支撐板與模具體的下表面貼合，內支撐板之間的位置關系為垂直或平行，底板的上表面與對應支撐板的下表面貼合，內外支撐板上的散熱孔盡量在同一直線上，以保證成型過程中氣流通暢。

二、復合材料構件裝配工裝數字化設計

1.骨架的設計。

基于復合材料組成的骨架，其數字化設計方案主要有兩種，其一是根據現有的骨架設計方案，通過數字化轉化的方式，將其在計算機中重新呈現，為下一步開展數字化設計提供便利；其二是基于新產品的型架骨架，通過掃描的方式，獲取其三維坐標，然后利用特定的軟件，在計算機中快速生成新的骨架。由于骨架的結構較為復雜，基于數字化設計能夠將立體的骨架視作抽象的線段，將骨架轉化為線框結構。在骨架的數字化設計中，根據產品裝配需求，使用到哪些骨架，可以從資料庫中單獨獲取其參數，保證了整個設計界面的精簡。

2.批量裝配技術。

根據復合材料構件工裝裝配設計中的具體需求，即在不改變現有工裝模型的基礎上實現相關零組件的快速裝配，本文提出了零組件的“批裝配”技術，只需對為數不多的零組件庫模型添加一些簡單的裝配特征，即可滿足對已有工裝模型直接進行快速裝配設計的要求。在分析待裝配零組件與工裝模型之間的約束關系特點的基礎上，用戶只需在工裝模型上選擇很少的幾個裝配約束幾何對象，快速裝配模塊就能夠實現裝配約束的自動定義，從而實現零組件的快速成批裝配。

三、復合材料構件模具的數字化檢測

飛機中使用到的大量復合材料，具有型式復雜多樣、精度要求極高等特點，這些構件工裝在完成初步的數字化設計中，還要對其設計精度進行復核，確保設計精度能夠滿足使用需求。在數字化檢測中，可以分為接觸式和非接觸式兩種。

1.接觸式測量檢測。

接觸式測量是指通過測量儀的測頭與模型輪廓接觸進行測量獲得模型輪廓點云數據的一種測量方式，主要有三、五坐標測量機、便攜式測量機等。這種測量檢測方法的應用優勢在于具有較好的可重復性，可以一次性測量3-5 組數據，然后計算平均值，進一步消除誤差，保證了測量結果的精確性。但是也存在一定的缺陷，例如在接觸式測量過程中，可能會對構件表面造成損害。另外，對于一些形狀、結構復雜的構件，也不適合采用接觸式測量，并且測量結果的精確性也會因此受到一定程度的干擾。

2.非接觸式測量檢測。

與接觸式測量檢測相對的，非接觸式測量檢測就是保證測量工具與待測模具之間有一定距離，利用設備接收反饋信息進而分析出測量結果。非接觸式測量主要有計算機輔助經緯儀、激光跟蹤儀、照相測量術等。其中較為成熟的是光學測量法，包括結構光法、激光三角形法、激光干涉法、圖像分析法等。激光法是應用較為廣泛，且測量結果精確性較高的技術方法。非接觸式測量的優勢在于適用性更強，對于一些結構、形狀復雜的復合材料模具，也可以無障礙、高精度的完成檢測。缺點是非接觸式測量的噪聲較大，可能會對測量結果的精確性造成一定的干擾。

結語：模具的制作質量，對復合材料構件的加工效果產生了直接影響。隨著技術的發展，特別是數字化技術在工裝設計中的推廣使用，在提高復核材料構建模具設計效率、精度等方面提供了技術支持。目前數字化設計已經在模具的骨架、支架等方面的設計中發揮了重要應用，今后還要繼續堅持技術創新和技術融合，例如將大數據技術、人工智能技術等，應用到數字化設計中，在實現自動化、高精度設計中更好的發揮技術優勢。