面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的DFM方法研究

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)簡單的組合應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計與制造中，更強(qiáng)調(diào)設(shè)計與制造的協(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，這使得單個結(jié)構(gòu)件的尺寸越來越大，集成的功能特征越來越多，結(jié)構(gòu)也越來越復(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)計中，使零件結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，制造難度相應(yīng)提升，這對飛機(jī)結(jié)構(gòu)件設(shè)計與制造的協(xié)同性提出了更高要求。一旦設(shè)計缺乏對其可制造性的考慮，使設(shè)計過程和制造過程出現(xiàn)斷裂，必然會導(dǎo)致產(chǎn)品制造工藝復(fù)雜程度提高、質(zhì)量風(fēng)險加大、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(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)計的一種產(chǎn)品設(shè)計哲理，其主要思想是在產(chǎn)品設(shè)計階段引入制造過程的約束，盡早地考慮制造的可能性和經(jīng)濟(jì)性，通過對產(chǎn)品的可制造性進(jìn)行評價，改善設(shè)計不合理的地方，提高設(shè)計產(chǎn)品的可制造性[3]。雖然DFM的概念已誕生很長時間，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)計和制造過程中被廣泛運用[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)剛性對工藝方案制定具有重要影響，而零件設(shè)計的具體細(xì)節(jié)將直接決定程編的難易程度。當(dāng)然，零件的材料、精度等特征對制造工藝方案依然有較大影響，但這些特征基本不會面向制造而發(fā)生改變，是設(shè)計的固有特征，本文不作更多探討。

在設(shè)計過程中，由于專業(yè)的限制，缺少適當(dāng)?shù)妮o助工具以及良好的載體，設(shè)計人員更多地是根據(jù)各自的經(jīng)驗和習(xí)慣構(gòu)造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致零件的可加工性、加工時間和加工成本等因素得不到控制，零件的設(shè)計水平差異較大，良莠不齊，給產(chǎn)品制造帶來了較大困難。為此，必須要讓設(shè)計和制造相融合，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，運用知識工程形成工藝知識庫，并從中提煉出設(shè)計規(guī)范和程編規(guī)范，從而實現(xiàn)知識融合，使面向制造的設(shè)計成為可能。

表1 典型特征列表

航空結(jié)構(gòu)件從結(jié)構(gòu)類型看，主要包括框、梁、肋和接頭等幾類典型零件[5]。不論是何種類型的零件，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構(gòu)造完整的機(jī)械零件，定義和記錄組成零件的各個邊界曲面及加工特征信息[6]。因此，無論是設(shè)計與程編，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，特征具有相似性的〗特點，根據(jù)其幾何形態(tài)和功能的不同，可以對其進(jìn)行典型化定義。國內(nèi)外針對飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工特征及其定義方法開展了眾多較為深入的理論研究，其中典型的一類是通過程編走刀策略的不同對特征進(jìn)行分類定義。經(jīng)過工藝程編專家對新一代飛機(jī)零件的結(jié)構(gòu)特點的大量分析總結(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，一級特征包括槽腔、筋條、輪廓及孔四大類，而二級特征是一級特征的構(gòu)成子元素，但同時也可以各自獨立歸納為一類特征，主要分為轉(zhuǎn)角、腹板、內(nèi)形及筋頂過渡區(qū)四類。每類特征下包含了若干子特征共計56個，對每個子特征都進(jìn)行了編碼。這樣，針對每一個典型特征，就可以開展工藝知識的獲取、表達(dá)和建模，建立飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和制造知識的獲取、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，對每一類典型特征的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了通用設(shè)計要求，形成設(shè)計規(guī)范，給設(shè)計人員提供參考，為更好地展示說明，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)計通用要求案例

(1)平頂筋頂設(shè)計要求

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，在較低一端的過渡圓弧半徑(r)盡量設(shè)計成比刀具底齒半徑(R)大1 mm(r=R+1)。斜筋與腹板面連接時，應(yīng)避免直接與腹板底面連接，建議設(shè)計成臺階，臺階最小高度為刀具底齒半徑R+1。如圖4所示。較高一端的過渡方式采用尖角結(jié)構(gòu)，避免單獨加工過渡圓弧時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)計通用要求案例

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

2.3 基于輪廓特征的面向制造的設(shè)計通用要求案例

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

針對零件數(shù)模中型面碎面過多的情況，在設(shè)計建模時應(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，必須要檢查所構(gòu)造面與實際零件面的誤差，如圖10所示。

3 結(jié)語

通過DFM技術(shù)的應(yīng)用，大大加強(qiáng)了設(shè)計的規(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，企業(yè)和設(shè)計所也獲得了大量的知識積累，加強(qiáng)了人員知識儲備，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)市場新高地創(chuàng)造了條件。