基于典型薄壁件的设计特征分析

周俊

摘 要：薄壁件产品是构成宇航器的常见的定制化零件，结构复杂、质量要求高。本文结合实际的宇航薄壁件产品设计及可制造性分析要求，着重分析了回转体和腔内结构的设计特征及其对应的制造特征。

关键词：典型薄壁件设计特征；宇航器；定制化零件

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

薄壁件产品是构成宇航器的最为常见的定制化零件，这些产品结构复杂、技术含量高、质量要求高，是典型的技术密集、知识密集和资金密集的复杂部件，其设计过程需要涉及很多部门的协同作业。传统制造业中，制造过程与设计过程是分开的，各自有各自独立的特点，虽然在制造的过程中相互联系，但是在设计者进行设计的时候，往往会考虑加工制造的特性，忽略了产品的可制造性，很容易造成因为无法加工而进行返工，这样既降低了加工效率，又增加了设计制造成本。结合实际的薄壁件产品设计及可制造性分析要求，以下主要针对典型的回转体和腔内结构的设计特征及其对应的制造特征进行分析。

1 圆柱孔的设计特征

孔类特征按是否打通可分为通孔、盲孔；按是否带有螺纹可以分为螺纹通孔、螺纹不通孔；按孔底部形状可以分为锥孔、平底孔；按台阶数可以分为二级台阶孔、三级台阶孔。按照上述分类，孔类特征的可制造性分析主要在以下几方面：

1.1 孔的直径和深度比值是否过大

这仅针对盲孔而言，因为它只有一个可选进刀方向，即沿盲孔开口方向进刀，而一定直径的刀具有效长度是有限的，按照经验，如果这个比值（孔的直径和深度比值）大于10，使用普通刀具将难于加工。通孔则具有两种可选进刀方向，不存在上述问题。具体的系统判断方法：获取孔轴线所在的射线，求该射线与实体的交点，如果有且仅有一个交点与孔某一底面圆的圆心重合，可判定该孔为盲孔。然后获取孔圆周面积，用其除以孔底面圆周长即得到孔深度。通过计算孔的直径和深度比值，判断其是否合理。

1.2 孔径尺寸是否标准

刀具库中刀具直径为孔径的标准直径，建议无特殊要求采用与刀具库中刀具匹配的直径。具体的实现方法为先获取孔直径，再通过与刀具库中相应刀具直径的比较，判断孔径是否标准；最后选择合适的刀具。

1.3 孔轴线是否垂直于孔端面

如果斜面上的孔不垂直于斜面，在钻孔加工时会因斜表面上切削抗力的分力使钻头偏离正确位置，造成加工精度难于保证，并易折断钻头。具体的系统判断方法为先获取孔的轴线，并向四周平行延伸孔的半径，得到位于孔圆柱面上的射线；再求这些射线与零件实体的交点，交点中包含孔分布在底面圆周上的点情况下，判断这些点所在的平面是否与孔轴线垂直，据此判断孔轴线是否垂直于孔端面。

1.4 进刀过程中刀具是否与零件发生干涉

进刀过程中，如果刀具与零件发生干涉，极易造成零件报废。系统判断方法：获取孔轴线所在的射线，并由该射线向四周平行延伸孔半径的距离，即得到位于孔圆周上且平行于孔轴线的n 条射线，求这些射线与零件的交点，如果在孔的所有可选进刀方向上均存在交点，则判定进刀过程中将发生干涉，提示无法加工。否则，继续向四周延伸射线，直到在可选进刀方向出现交点，记录此时射线到孔轴线的距离以及最远一个交点到孔开口平面间的距离分别作为孔中心到侧壁的距离和侧壁的高度。结合孔、刀具参数，由几何关系判断刀具、刀柄等是否与侧壁发生干涉，从而判定该孔能否加工。

2 腔类零件的设计特征

腔类特征按形状可分为圆形腔、三角形腔、扇形腔、矩形腔、梯形腔、多边形腔等，主要用于减重，对表面质量要求一般不高或不作要求。按照上述分类，腔类特征的可制造性分析主要在以下几方面：

2.1 腔的侧壁与底面的夹角是否为锐角

型腔的侧壁与底面的夹角若为锐角时，需要用组合夹具装夹零件加工，加工难度大，因此型腔的侧壁与底面的夹角尽可能避免设计为锐角。系统判断方法：由用户选择得到腔的側壁和底面，调用Pro/E函数获取平面的法向量，通过判断两个面的法向量的夹角来判定侧壁与底面的夹角。

2.2 腔的深度与转接圆角半径比值是否过大

在铣削加工腔时转接圆角的尺寸是由铣刀半径保证的，而在加工腔内部的区域时，为提高效率，大多采用直径较大的刀具。通常，使转接圆角半径与刀具半径相等，即可只用一把刀具，省去换刀时间，提高效率。为此，一般取深度H小于或等于转接圆角半径R的4～5倍，最大不能超过转接圆角半径的10倍。系统判断方法：获取转接圆角的半径以及1/4 圆柱面的面积，而腔深度H=2S/πR，H/R=2S/πR2，其中S为圆柱侧面积。

2.3 腔内部的最小间距是否小于选择的刀具直径

刀具的选择依赖于腔的深度以及转接圆角半径。因此，此分析在建模过程中进行，根据用户输入的相关参数，在创建特征前检查腔内部的最小间距是否小于选择的刀具直径。

2.4 腔的转接圆角半径是否一致

如果所有的转接圆角半径一致，可以一次加工完成，提高工作效率。系统判断方法：获取腔内每个转接圆角的半径，进行比较。同时判断圆角半径是否为最常用的R5、R8和R10。

2.5 腔的侧壁与底面之间圆角半径是否一致、是否过大

在铣削加工腔时由刀具自动附带的角度在侧壁与底面之间形成大约R1～R2的圆角。如果半径在R5以下，需要采用球形铣刀进行单独加工。如果半径超过R5，需要专用刀具进行加工。为此，一般不对侧壁与底面之间的圆角进行限定，由刀具角度自动保证。系统判断方法：通过圆角轴线与腔的方向垂直来区分转接圆角与底部圆角，并对其半径进行判断。

以上简要分析了回转体和腔内结构的设计特征及其对应的制造特征。在此基础之上，从设计特征过程的拉伸层面数据出发可以实现薄壁件产品的设计特征到制造特征的转换。

参考文献：

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[2]郭亚飞，侯俊杰，石胜友.面向典型宇航产品的工艺知识库研究[J].计算机科学，2013，40（05）：189-197.endprint