单曲度化铣蒙皮数字化精确制造技术

王惜晨 钟李欣 张钊

摘  要：目前，在飞机单曲度化铣蒙皮制造过程中，还未完全做到数字量传递，多是采用数字量加模拟量的协调方法生产零件。本文主要论述了如何通过全数字量协调、制造达到单曲度化铣蒙皮精确制造的目标，实现飞机钣金行业数字化制造能力的提升。以某新机型研制为契机，本文阐述了技术人员应用全数字量协调法，采用先进的数字化设备，实现单曲度化铣蒙皮精确制造的方法。

关键词：数字量协调;数字化制造;铣切

中图分类号：TG54      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）12-0168-02

Abstract：At present，in the manufacturing process of aircraft single curvature milling skin，digital quantity transfer has not been achieved completely，and most parts are produced by the coordinated method of digital quantity plus analog quantity. This paper mainly discusses how to achieve the goal of precise manufacturing of single curvature milling skin through full digital coordination and manufacturing，and how to improve the digital manufacturing capability of aircraft sheet metal industry. Taking the development of a new type of machine as an opportunity，this paper expounds the method that technicians use full digital coordination method and advanced digital equipment to realize the precise manufacturing of single curvature milling skin.

Keywords：digital quantity coordination;digital manufacturing;milling

0  引  言

当前数字化技术的发展应用已经广泛涉及各行各业，同样也给航空制造技术带来深刻的变革，引领航空制造技术飞速发展。但受诸多因素影响，一方面，钣金件制造的数字化发展相对滞后，传统的“机械作业+手工敲打”模式已经无法满足现代飞机对结构外形的高要求，要实现飞机制造技术的整体发展，钣金件制造技术必须有所突破;另一方面，随着航空企业的不断发展，钣金行业拥有先进数字化制造设备，像五坐标数控钣金轮廓铣铣切、數控龙门激光刻型机及其柔性托架设备的引用、应用也大大提升了钣金蒙皮零件数字化制造能力。以蒙皮类零件作为数字化钣金件制造发展的突破口，结合新机研制契机，在单曲度化铣蒙皮制造过程中，通过全数字量协调、制造淘汰了数字量加模拟量协调、制造，实现单曲度化铣蒙皮精确制造技术，满足型号发展需求。

1  现状概述

某型机部件装配采用蒙皮净边无余量装配方式，零件装配定位孔孔位公差为0.2mm。严格的装配需求，给化铣蒙皮零件的制造提出了更高的要求。但在实际生产过程中，由于各环节的公差积累以及零件回弹问题，给单曲度化铣蒙皮的精确制造提出难题。

在现有的数字化产品定义条件下，单曲度化铣蒙皮目前采用的加工方法为：下料滚弯成形→按化铣样板制两定位孔→激光刻型→激光跟踪仪检测→化铣→化铣区检测→轮廓铣铣切→用明胶图或样板检查轮廓。

这样的单曲度化铣蒙皮制造过程，并未完全做到数字量传递，而是采用数字量加模拟量的协调方法来制造零件，零件制造过程必须使用展开样板、切钻样板、化铣样板、切面样板等工艺装备来制造、协调或验收，即通过展开样板和切面样板的共同协调使用，保证零件的外形准确性;使用零件外形和切钻样板协调取制零件定位孔，作为协调化铣样板的依据，并在激光刻线中作为外形定位的依据，成为协调化学铣切的基准孔。而在零件交检时因缺乏数控测量技术，将切钻样板、明胶板作为最终零件交检依据。化铣样板和切钻样板属于工作样板，是通过标准样板手工研合的，在传统的模拟量协调法中是传递零件化铣刻线以及切割零件轮廓、制孔用的。在数字化制造过程中，先进的激光刻型技术已经淘汰了传统的手工刻线，化铣过程中不再需要化铣样板，同时五坐标数控轮廓铣也取代了手工切割，只要采用数字量传递法，CAD/CAM工作法协调即可达到单曲度化铣蒙皮精确制造的目的。

2  技术方案

2.1  研究对象

对传统的采用数字量加模拟量协调制造的单曲度化铣蒙皮零件，以及采用化铣样板/明胶板作为交检依据的单曲度化铣蒙皮零件，采用CAD/CAM工作法协调，通过零件的CAE仿真、数字化成形、数控轮廓铣切、数字化检测技术，去除其中的协调检测实物样板，全面实现单曲度化铣蒙皮零件的全数字化加工。

中机身单曲度化铣蒙皮精确制造过程中存在以下问题：如何数字化协调蒙皮定位基准及孔的取制;蒙皮成形回弹对精确制造的影响;激光刻型、轮廓铣加工完后，在柔性托架上的数字化检测方法。

2.2  全数字化协调法

为了实现数字化产品定义的单曲度化铣蒙皮精确制造技术，以及减少化铣样板的应用，降低零件的制造成本，提供一种全数字量协调的适用于单曲度化铣蒙皮精确制造的方法，其特征在于采用数字量传递法，CAD/CAM工作法协调零件，取消化铣样板、切钻样板带来的制造和使用误差。

2.3  滚弯成形回弹

滚弯成形应用于机身、机翼蒙皮、副油箱外蒙皮等单曲度零件，是航空制造领域广泛应用的一种板材成形方法，通过设置三轴滚床滚轴的中心距，调整板材弯曲角度，使板材发生塑性变形，最终达到预期理论型面的过程。

2.4  数字化检测技术

航空领域常用的现有数字化检测设备有关节臂、激光跟踪仪、激光雷达、照相测量系统、三维扫描仪等等。

关节臂FARO Q08，关节臂式坐标测量系统由多个关节构成，安装有测量探头的测量臂为测量端，可由人牵引在物体表面滑动扫描。有效测量半径为2.4m，取点测头最小为3mm。具有操作方便，灵活性强，测量精度高，成本低等特点。目前主要应用于检测小零件的孔距、倒角等。对于大尺寸的蒙皮类零件，存在以下问题：因测量范围局限，需多次转站才能完成蒙皮零件信息获取，转站次数多势必导致测量精度降低;再有就是球形测头很难识别化铣刻线。

激光跟踪仪是空间大尺寸三维坐标测量仪器，具有高精度、高效率。也是目前唯一在化铣蒙皮零件上开展应用的测量设备。主要应用激光跟踪仪对单曲度蒙皮零件激光刻型准确度进行检测，技术较成熟，以应用在各机型化铣蒙皮激光刻型检测中。

三维数字摄影测量技术是建立在数字成像、图像处理和精密测量原理基础上的新型精密测量技术。它是一种高精度、非接触式测量的数字化测量手段，其具有测量现场工作量小、快速、高效和不易受温度变化、振动等外界因素的干扰等优点。

手持式激光扫描仪通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率的快速获取被测对象表面的三维坐标数据。并且可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。

3  实施应用

以某型机中机身侧上左蒙皮为例，它是一种单曲度化铣蒙皮，材料为2524-T3-δ0.10。传统数字量加模拟量协调时，以零件定位基准孔、化铣区以及边缘线、窗框开口制造、检验依据为样板，公差积累大，难以满足部件无余量装配及定位孔0.2mm位置度需求。而采用单曲度化铣蒙皮精确制造协调方法，是基于数字化产品定义的CAD/CAM工作法，能够实现全数字量传递，提高零件制造精确度，满足装配需求。

3.1  工艺数模建立

在产品数模基础上取制零件定位基准孔，为了更好地定位及防差错，一般在零件外毛料上取制3个定位基准孔（A、B、C）。A、B孔为主定位孔，取在零件长度方向两端外延等宽线中点，定位孔中心距零件边缘至少40mm;C孔为从定位孔取在A或B孔同侧，间距100mm以上;3孔均为点的法向孔，直径为Φ8。

3.2  蒙皮毛坯展开计算

按工艺数模中性层半径计算展开长度。提取中性层曲面，利用CATIA V5曲面展开模块展开，;展开毛坯周边增加30mm化铣余量;长度方向两端沿化铣余量再增加70mm余量，用于取制定位孔。数控铣切加工零件毛坯，同时取制出零件上3个定位基准孔（A、B、C），毛坯上窗框内孔不开通。

3.4  化学铣切

使用工艺数模构建激光刻型模型、编制数控程序;柔性立柱位姿调整至最佳理论外形，以A、B、C基准孔定位，蒙皮理论外形贴合、吸附在柔性立柱上保型，进行零件所有化铣区域的精确刻型。在蒙皮内表面取化铣区域特征点，应用激光跟踪仪对蒙皮刻线特征点进行检测，其X、Y方向公差满足±0.5mm（包含设备误差、测量误差）。完成零件化学铣切，使用测量工具（卡尺、钢板尺）检查化铣筋条宽度，公差满足±0.75mm。

3.5  数控铣切

使用工藝数模编制数控铣切模型及程序，柔性立柱位姿调整至最佳理论外形，以A、B、C基准孔定位，蒙皮理论外形贴合、吸附在柔性立柱上保型，通过数控铣切粗加工和精加工分步实现零件轮廓铣切、定位孔取制，加工完成。零件依托于柔性立柱保型，使用激光跟踪仪等数字化检测设备，匹配坐标系对零件进行数字化测量，其型面及轮廓线公差满足±0.5mm以内。

4  结  论

通过数字化协调、制造实现单曲度化铣蒙皮精确制造技术，推进钣金件数字化制造技术发展能力。但在蒙皮件数字化发展过程中，数字化检测技术仍是瓶颈。检测时间长、点云数据降噪处理、轮廓点的数量及密度、柔性立柱位姿分布对保型的影响等都是需要进一步细化研究的内容。随着航空工业的不断发展，新型号产品中的钣金件复杂性不断增加，新材料不断应用，新结构不断涌现，同时对制造周期和质量要求不断提高，钣金件制造面临着层出不穷的新挑战、新突破，以数字化为核心不断发展钣金件制造技术转型升级。

参考文献：

[1] 《航空制造工程手册》总编委会.航空制造工程手册·飞机钣金工艺 [M].北京：航空工业出版社，1992.

[2] 王俊彪，刘闯，王永军，等.钣金件数字化制造技术 [M].北京：国防工业出版社，2015.

作者简介：王惜晨（1983-），女，汉族，陕西西安人，主管工艺，工程师，本科，研究方向：钣金成形。