隨著航空工業的發展，航空結構件日趨大型化、復雜化，對相應的數控加工裝備及數控加工技術的要求不斷提高。同時，無紙化設計與制造已經成為制造業發展的主流趨勢，零件的三維數字模型開始逐漸代替零件藍圖成為制造的*依據。作為制造依據，要求三維數字模型能夠表達零件的所有特征，并在保證零件性能的前提下，zui大化滿足零件加工的工藝性。
　　
　　從國內各個航空項目的開展情況來看，設計人員已經開始全面使用三維數字模型作為零件的制造依據，這是我國航空工業開始逐漸邁向數字化制造的重要標志之一。但是，在設計零件的三維數字模型過程中，由于與工藝人員之間缺乏溝通，設計人員不能很好地解讀零件特征的工藝性，對加工的流程和各類零件的加工策略涉入不深，導致了設計的三維數字模型工藝性差，不能直接指導工藝和生產，不能*工藝對模型的現代化要求。
　　
　　三維數字模型是設計人員與工藝人員的重要紐帶，是產品結構信息的集中體現。但是，設計人員與工藝人員對三維數字模型需求的出發點是不同的，設計人員是基于產品性能的角度考慮的，而工藝人員主要考慮的是產品的可制造性和制造成本等因素。
　　
　　現階段的三維數字模型還普遍存在滿足了性能要求但工藝性差的現象，這直接導致了制造成本的提高和效率的降低。
　　
　　本文從航空結構件的發展特點出發，結合航空結構件數控加工技術對三維數字模型的要求，對飛機結構數字模型建模技術進行探討，論述了當前航空結構件三維數字模型建模技術的基本思路和發展方向。
　　
　　國內航空結構件三維數字模型建模技術現狀
　　
　　1工藝均需對三維數字模型進行工藝性二次建模
　　
　　現階段，零件模型很難整體反映工藝信息，程編工藝員為增加工藝信息需二次建模，對模型中的點、線需要進行移動，對面需要進行偏移或二次擬合，*改變了模型的原始依據，同時增加了更多的信息，容易導致模型的“污染”和“退化”等問題。模型的更改同時造成了數據的二次處理和傳遞，為后續編制數控加工程序而進行的數據處理帶來了諸多的不便。
　　
　　2零件工藝性較差的現象還普遍存在
　　
　　由于設計人員對制造部門現有設備和工藝技術等情況不了解，對加工的流程和方法涉入不深，導致在有限的設計周期內，零件模型的工藝性很難得到保證。
　　
　　如圖1所示，是2個典型的設計對制造了解不足造成的難加工零件。設計在建模過程中設置了很多封閉區域，這些地方不參與裝配沒有特殊要求。但對于加工而言，這些地方都是難加工區域，大大提高了加工難度和成本。

　　
　　3沒有對設計建模進行指導的建模標準
　　
　　工藝與設計都沒有既定的標準規范，同一設計在不同項目或不同的設計在同一項目都可能出現相同的工藝性問題，工藝員在每次新機型工藝審查時，對模型提出的問題幾乎都是重復性的。
　　
　　4與差距較大
　　
　　隨著數字化制造技術的不斷發展，波音、空客國外兩大航空企業已經在向無紙化設計、無紙化制造方向發展，都有各自規范的、可操作的建模標準，其對結構件建模過程中進行嚴格的控制，充分考慮零件制造的性能以及制造要求。
　　
　　如圖2所示為空客公司的建模標準。
 

　　
　　面向裝配協調和加工工藝的建模技術
　　
　　1影響結構件數字建模的要素
　　
　　一個合格結構件模型的zui基本的要求是滿足使用要求，也就是結構尺寸滿足要求并能滿足航空結構件高精度裝配的要求。在此基礎上，本文就以下幾個方面討論數字建模的影響要素。
　　
　　1.1硬件條件對設計建模的影響
　　
　　設備加工能力是零件設計需要考慮的重要要素。不同結構、尺寸、功率、精度的設備所適應的被加工零件都有所不同。設備的這些因素決定了加工零件的材料、尺寸、結構等各個方面，是數字化建模需要重點考慮的因素之一。
　　
　　刀具消耗是數控加工中成本消耗的主要部分，對產品的制造成本、制造周期都有直接的影響。刀具的結構、材料、精度等對零件的加工效率以及成本控制都有很大的影響。如公式（1）中，刀具的長徑比A是指刀具長度H與刀具直徑D之間的比值，是刀具使用的重要參數。充分考慮刀具成本和加工性能，一般情況下，加工過程中推薦長徑比A為2.5，在槽腔設計過程，應盡量保證加工過程中各刀具長徑比不大于2.5。
　　
　　A=H/D。（1）
　　
　　1.2裝配要求對設計建模的影響
　　
　　結構件作為個體其zui終要通過裝配形成組合件實現其功能，所以裝配要求對設計建模是非常重要的。裝配的協調關系、精度要求和尺寸鏈都直接影響到結構件的三維數字建模。對于一個結構件而言，參與裝配協調的特征一般加工要求較高。充分考慮裝配要求，在建模過程中合理設置結構尺寸和精度要求能夠合理配置資源。
　　
　　1.3工藝技術水平對設計建模的影響
　　
　　工藝技術水平對設計建模有很大的影響。比如鈦合金的加工、鈦合金整體框的加工、插銑技術、制造技術等直接影響航空結構件中鈦合金零件的應用比例。另外，隨著材料學和材料加工工藝的不斷發展，復合材料在航空結構件中開始大量應用，這也對復合材料的數字建模提出了新的要求。
　　
　　2面向裝配協調和加工工藝的建模方法
　　
　　2.1充分考慮結構件裝配及加工要求
　　
　　通過對航空結構件的工藝特性進行研究，將所有零件分成整體框、半框、細長梁、側梁、接頭、型材、肋、壁板、復材等9大類，并進一步按大小分成18小類。每類零件都有其裝配要點和加工工藝特點，如何在*的條件下加工出滿足裝配使用要求的結構件，就需要綜合考慮裝配和加工的要求，其根本在于對于結構件的特征進行分析，建立相應的建模標準規范。
　　
　　2.2面向加工工藝的建模方法
　　
　　零件加工過程中，具體局部結構特征的加工處理極為重要，是形成零件故障的主要因素，所以，局部結構特征的建模非常重要。通過對航空結構件的典型特征進行分析，抽取出槽、筋、腹板、凸臺、下陷、型面、孔等典型特征，對各特征加工過程中的影響要素進行清理，對結構特征本身特點和加工工藝進行關聯分析，總結各種具體結構可能發生的工藝性問題，并提出設計改進辦法，同時對難以加工或存在隱患的部分進行重點考慮。
　　
　　如圖3所示，是一個航空結構件局部結構綜合模型。結合裝配協調要求和加工工藝條件，下面針對槽類結構做一個介紹。

　　
　　（1）避免二次加工影響的偏移。
　　
　　槽類結構的作用是在滿足結構件性能要求的情況下zui大程度上減輕結構件的重量。槽一般都是采用大刀具加工大面、小刀具接轉角和底角等多次加工。如圖4所示，在不同刀具多次加工時，如筋條之間的轉角處和筋條與腹板之間的底角處，留出標準的偏移量。　

圖4槽內避免二次加工的偏移
　　

　　（2）內形加工的簡化要求。
　　
　　在槽內的筋條與腹板之間的角度盡量呈90°，簡化零件內形加工，如圖5所示。槽內底角盡量一致，不同的底角不僅有換刀具加工的問題，而且不同底角間的過渡很難表達和加工。為避免在轉角處拉刀導致轉角處壁厚尺寸超小和轉角處表面質量問題，盡量采用圖示方式確定轉角大小，并滿足公式2（其中R表示零件轉角，D為刀具直徑）。各部分進行布爾運算前將零件的轉角、底角制出來，這樣可保證與實際加工效果一致，而且所有倒角都是可以實現的R=D/2+1。（2）
 

　　
　　3）閉角設計方法。
　　
　　在結構設計要求必須使用閉角的設計，閉角殘留難以清除，在設計時盡量考慮確保殘留保留的情況下滿足裝配條件。采用刀具的方案應盡量避免。常用的標準系列化刀具技術十分成熟，質量高，而刀具的使用頻率低，技術不成熟，加工的質量也難以保證。
　　
　　（4）深槽設計方法。
　　
　　由于裝配等相關原因，部分槽深度較大，如果采用通常設計方法，加工時刀具很長，無法保證零件質量。可采用分段的臺階設計，使各段加工過程始終保持較小的刀具長徑比，利于加工。如圖6所示，筋條臺階（偏移量X），零件各個高度H與所使用的刀具直徑D之間應該滿足公式（3）的要求，且總高度H滿足公式（4）的要求。
　　

圖6深槽設計示意圖
　　

　　Hi<Di（i=1，2，3，…），（3）
　　
　　H≤ΣHi（i=1，2，3，…）。（4）
　　
　　2.3綜合考慮裝配協調要求的建模技術
　　
　　按照傳統的制造方式，裝配需要對各參裝零件進行局部控制，綜合考慮飛機外形容差與零件容差積累的總體外觀控制、套合下陷誤差積累的裝配干涉因素、兩零件間連接件長度控制積累的局部修挫余量、定位點提前預制等各種因素，以達到zui終總體協調。在新的建模思想下應該將這部分內容直接納入零件的建模中去。
　　
　　總體控制在三維數字模型中應該得到反映。如圖7所示，建模時必須考慮裝配后零件長度方向的累積誤差。長度方向裝配在一起的零件，必須在零件理論設計時留出間隙，以防止裝配后超長。模型設計應該注意套合區的設計，如圖8所示。套合區深度應該考慮制造公差滿足套合要求，留出理論間隙。充分考慮裝配干涉等問題，限制局部底角或轉角的公差，將公差控制在全正向公差或全負向公差，在零件詳細結構設計納入，將零件理論尺寸控制在不干涉的范圍，公差控制為正負向均分。
 

　　
　　另外，為了確保成品、導管在零件上快速、準確、穩定地安裝，在數模設計時，根據裝配要求，直接在結構件上設置精度要求不高的裝配初孔，從而大大提高裝配速度和精度，降低制孔成本。
　　
　　結束語
　　
　　本文在簡要分析航空結構件數字模型建立的現狀的基礎上，分析了現階段建模過程中對產品研制的不利因素，提出了一些結構件模型建立技術的思路，從而在滿足裝配協調要求的前提下，實現了航空結構件的加工。

　　（文章來源：航空制造網）