大型飞机零件展开工艺模型设计技术与应用

◎金立强

现代大型飞机中的零件种类比较多，其中包括许多复杂曲面零件，这类零件在进行生产加工的过程中需要应用展开工艺模型，展开工艺模型设计技术的应用能够确定具体零件的尺寸，不用进行后续修边处理工作，而且还可以避免材料上的浪费，保证零件尺寸的准确性提高零件成形质量。因此，加强对大型飞机展开工艺模型设计技术的研究与应用对航空制造行业的发展有着重要意义。

一、机翼整体壁板的展开设计

1.展开流程。

作为连接设计和制造的纽带工艺，机翼整体壁板展开设计主要涉及展开外形曲面、映射结构特征和重构板坯模型3个步骤。整体壁板外形曲面多为几何上不可精确展开的双曲率曲面，强制展开需要进行合理的工程近似，难免产生一定的展开误差。根据展开原理的不同，双曲率曲面展开方法可分为几何方法和力学方法2类。将外形曲面展开为平面后，需要进一步确定壁板结构特征在展开平面的对应位置，这一过程称为结构特征的映射。

2.展开工艺模型关键技术。

（1）复杂外形曲面的精确展开。整体壁板的制造精度要求高，展向长度20m左右的整体壁板，制造允许误差通常只有2mm-3mm。无论采用何种曲面展开方法，都容易出现展开误差过大的情况，导致最终建立的展开工艺模型超差。为有效控制外形曲面的展开精度，展开前后应进行展开误差检测和必要的曲面优化处理。CATIA软件提供的多种曲面处理功能，包括多截面曲面、网格曲面以及通过点云构造曲面等，都可以用于壁板外形曲面的优化。

（2）变厚度壁板蒙皮的快速展开。构造变厚度壁板蒙皮板坯的传统方法是手工在内型面上取大量点，逐个测量各点处壁板蒙皮的厚度值，然后基于这些厚度值在外形展开面上拟合内型面，进而构造出蒙皮板坯。

（3）壁板成形延展的预先补偿。由于环境温度、成形工艺参数以及材料本身应力状态等因素的交错影响，壁板在成形过程中会有不同程度的延展变形，且变形量随机性大，难以精确计算。计算壁板成形延展量主要有解析计算、有限元分析和试验测量3类方法。获得壁板的成形延展量后，就可以对壁板展开板坯模型进行补偿修正。

二、长桁零件的拉直展开

1.“拉直展开“工艺。

长桁的最新加工工艺与整体壁板类似：首先将长桁拉直展开，建立零件的展开工艺模型，然后加工出展开板坯，最后采用弯扭冷加工工艺将其成形为最终形状。与“靠模铣”方法相比，这种加工方法效率高，节省工装，零件成形性能好。需要说明的是，整体壁板的展开方法对于长桁具有一定借鉴意义，但长桁展开一般要求底面和立筋面均为平面状态，这与壁板零件仅底面为平面有着明显的区别。

2.长桁“拉直展开”关键技术。

（1）基于基准线的展开方法。提取长桁的基准线，构造一条等长的直线作为展开基准线，然后在基准线上选取一定数量的法向切面去切长桁，形成一组长桁截面。接着，将所有截面转换到展开基准线的对应位置，并扭转摆正。最后，以展开基准线为引导线，通过摆正的截面拉伸出长桁的主体结构，在主体结构添加局部特征即可得到展开工艺模型。

（2）局部特征的处理。对于凸台、下陷、变截面、复杂端头等局部特征，需要确定它们在基准线和展开基准线上的基准点，通过在基准点建立坐标系实现局部特征由设计模型向展开工艺模型的定位和转换。此外，将长桁立筋面摆正为平面的过程中，长桁底面会发生扭曲，这就需要对长桁截面形状进行修型优化，以保证零件的展开质量。

（3）长桁成形延展的预先补偿。传统上，当长桁零件上没有位置精度要求高的局部特征时，成形前在零件端头预留一定加工余量，成形后将加工余量和延展变形量一并切除。然而，随着长桁特征复杂度的不断提高，零件上往往会出现配合精度要求高的局部特征，导致加工出来的零件超差。为避免这种现象，应在拉直展开过程中预先补偿零件的成形延展。

三、机身蒙皮的展开

1.化学铣切工艺。

这项工艺技术主要是使用腐蚀性较强的溶液对机身零件中多余的部分进行处理，在实际进行工艺操作时需要使用专门的保护膜，根据零件的尺寸要求来进行针对性操作，确保机身蒙皮尺寸和形状能够达到相关标准。这种化学铣切工艺在航空飞机制造行业得到了广泛应用，也是目前大型飞机生产制造中不可缺少的一项工艺内容，在机身蒙皮的加工处理中取得了良好的应用效果，整体的生产效率比较高还可以控制零件变形，整体的应用优势较为明显。但是这项工艺技术在使用过程中也存在一些弊端，由于使用的强腐蚀溶液会产生化学污染，同时加工处理过程中需要消耗较多的资源能源，进而需要进行优化与完善。

2.“先铣后弯”工艺。

“先铣后弯”工艺也是机身蒙皮展开设计中比较常用的一项工艺技术，这项工艺在应用时首先建立零件模型，再根据模型的尺寸标准在使用的零件材料上进行加工处理，最后采用滚弯或者拉伸的方法对其进行成形处理。该工艺在使用中对周围环境的影响比较小，可以保证零件尺寸参数的准确性，不需要工作人员进行较多操作，与化学铣切工艺相比应用优势较为明显。但是这项技术应用时必须要保证材料性质的稳定性，不能出现大幅度变形的情况这样才能保证零件的应用性能和使用强度。因此，该工艺特别适用于单曲率机身蒙皮的滚弯成形。

结语：零件展开过程中会对零件的工艺性能产生较大影响，若没有进行针对性处理就会影响建模质量和整体的加工效率，因此，对零件展开过程中的工艺方法进行细致分析，并在建模过程中进行优化和完善能够提高飞机零件展开技术的应用水平。由于展开工艺模型设计过程中涉及到的内容比较多，有许多重复性作业，在反复操作期间容易出现操作失误而影响零件质量，基于这种情况可以研发设计一个通用性的操作软件，能够根据不同的零件展开设计需求进行针对性处理，以此提高展开工作的开展效率。