数字化加工技术在飞机整体圆弧风挡工装制造中的应用

陈明英,谢飞舟,张同利

（航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，技术装备公司，成都 610092）

风挡零件是飞机前机身座舱段的重要部件，它的透光度（表面畸变率）直接影响到飞机的使用和飞行员的安全[1]。飞行时，风挡零件既要承受各类载荷作用，又要抵抗各种外来物的撞击，还要为飞行员提供清晰的视野，因此，其性能要求非常高[2]。而用于成型圆弧风挡的工装，其表面光洁度及母线直线度更是要求为圆弧风挡零件制造精度的1/3—1/5。航空工装是制造飞机零件及装配的必备装备，航空企业的工装设计和制造水平代表着企业的飞机制造水平，也是飞机制造的关键技术之一。航空工装的设计、制造水平的提高是航空制造技术发展的关键环节之一。国际上波音公司、空客公司的飞速发展都得益于航空工装技术的快速发展[3]。

近年来，我国的航空工装设计制造飞速发展，但也存在一些亟待解决的问题。就飞机圆弧风挡玻璃成型而言，长期以来，J7系列飞机风挡圆弧玻璃分块制造，其工装制造采用传统的按样板、样件加工模具型面的模式，制造工序多，生产周期长。随着航空技术的发展，对飞机的气动外形要求越来越苛刻。目前，J10飞机采用外形更加流畅视野更加开阔的整体圆弧风挡玻璃。传统的圆弧风挡工装，已难以满足越来越高的成型零件精度需求。其制造工艺，也难以适应现阶段快速、精确的成型工艺装备的加工要求。

本文研究了数字化加工技术在飞机整体圆弧风挡工装制造的应用，取代了过去通过靠模，样件协调加工的方法，通过数字化制造工艺，显著提高了工装表面质量、缩短了制造周期，成型出了合格的整体圆弧风挡零件，保证了其相关技术要求。

1.圆弧风挡成型工装传统加工方法

J7系列等老机型飞机使用的是圆弧风挡组合件。圆弧风挡组合件由中间一块、两侧各一块共三块风挡玻璃组成。J7系列圆弧风挡成型模具主要采用传统的加工方法，即：利用靠模铣削加工，然后取过渡模利用正反模型垫料厚协调制造，或按样件协调制造。

以制造J7Ⅱ飞机风挡组合件为例，J7飞机风挡组合件成型模具采用模拟量传递加工技术，即按样件制造航空模具的方法（见图1）。

图1 传统圆弧风挡成型模制造流程图

具体方法：按样件分段、分截面反复修配出反型面的木模型面框（此框的型面即是风挡零件的型面），风挡零件的型面模靠在木模框内，抽真空将风挡玻璃完全吸附在框型面上，保压成型后，再按木模型面框检验。该方法制造出的模具型面误差为0.2—0.3 mm，局部高达0.5 mm及以上。成型模具余量不均匀，后续的钳工修配量非常大。显然，这样的传统的依靠“模拟量”传递的制造工艺工序繁琐，生产周期长，后序钳工修模工作量大，且其成形零件精度难以满足如今整体圆弧风挡更高的要求。

2.整体圆弧风挡零件及其成型工装的技术要求

整体圆弧风挡零件的材料为“定向聚甲基丙烯酸板材”。现代飞机对整体圆弧风挡零件的形位精度、表面质量、成型性能、成型过程稳定性以及产品合格率等要求都非常严格，其主要技术要求如下：

在透过圆弧风挡零件观察用于检测表面质量的网格检测板时不能有折光和波纹（标准要求飞行器圆弧风挡零件表面光学畸变率≤1/8），确保飞行员观查外部事物的真实性和清晰度，（见图2）。圆弧轮廓度的偏差一般不小于0.5 mm，不平滑度小于 0.05—0.15 mm，零件表面雾度≤Ra1.6，58%≤定向度≤70%[4]。因此，对圆弧风挡成型模具型面的精度要求更严格：弯边的精度要求控制在-0.1—0.2 mm。模具型面母线直线度每1600 mm≤0.15 mm。模具型面不仅要紧密贴合圆弧风挡零件，并且要有良好的、稳定的质量和性能。常温检测50 mm范围贴模度变化率为0.3≤贴模度≤1。

图2 网格检查零件表面雾度、母线直线度、畸变率示意图

3.数字化加工技术在整体圆弧风挡成型模具中的运用

整体圆弧风挡成型模具主要由模体、底座、挡板、支撑块、支脚、滑轮组成，模体主要起风挡零件成型作用，担负着飞机风挡零件外形成型和承受气动载荷的双重任务。虽然其它部件与风挡零件有数据关联关系，但不是本文研究的重点，故本论文不做讨论。本文重点讨论整体圆弧风挡成型模具模体的数字化制造。

由于圆弧风挡零件在成型后易发生回弹，采用基于制造模型的数字量传递方法时，风挡零件成型模具型面设计并不是直接依赖于零件原始数字模型，而是依赖于制造模型中的成形工艺模型。成形工艺模型即：在零件原始数字模型的基础上，将零件回弹、模具使用变形等因素考虑在内，对模具型面和尺寸进行的预修正之后的模型。

该工装成形工艺模型的修正，主要是圆弧风挡成型模具支撑筋的修正。在常温下与高温使用时，支撑筋的热膨胀变形情况见图3、图4、图5所示，其错位变形量ΔΧ具体计算如下：

ΔΧ=（Lb-La）*δ*TΔ

其中，TΔ=T1-T0

T0：高温使用时温度；

T1：制造时的室温；

Lb：型面横截面线性长度（圆弧长度）；

La：底板横截面线性长度；

（Lb-La）为实测值；

δ：Q235A热膨胀系数，取1.2x10-5℃；

当温度升高到160℃的成型温度时，平均线性变形量为2.4544 mm，即模体型面线性变长，引起型面变形，变形区域出现在刚性最差的圆弧中段两侧。有加强筋的位置没有变形，这样就在变形区域形成“凸变”(见图8)。表明筋条与型面相互拉扯导致型面出现细微的类似‘波浪形凸起’，影响成型模型面的表面母线直线度（图9），从而降低圆弧风挡成型模具的型面质量。

图3 成型支撑筋受热变形示意图

图4 模体框架截面示意图

图5 模体框架“凸变”示意图

图6 风挡零件网格检测畸变示意图

3.1 CATIA建模

J7机型的圆弧风挡零件没有数字模型，我们在加工时采用靠铣头扫描样件，技术员通过扫略采集数据后建立的线条建相似数模[5][6][7]。现在J10飞机整体圆弧风挡工装是按零件工艺数模建模，模拟修正，得到实际的试验后得到的工装数模。

3.2 模体加工工艺性分析

从整体圆弧风挡零件成型模具的三维数字模型中可以看出，该工装的模体由模体型面、加强板、底板、前后封板构成。

其中，圆弧风挡模具模体的型面呈曲面圆弧形，且按气动流线呈锥度曲率变化，模体锥面的母线直线度要求在1600 mm内小于0.15，表面光洁度Ra1.6，一般的数控加工无法满足这样高的技术要求。经过数字模型模拟分析，将模体型面按圆形进行配重，即将模体模拟成规则的圆锥，这样就可以将模体通过配重采用数控车进行回转加工。

经上述分析后，制定工艺路线如下：依据数模，模体型面采用板料，焊接前滚弯预成型，然后与加强板、底板、前后封板焊接在一起。再将模体型面按回转圆形进行配重数控车、数控磨加工模具型面。

3.3 配重数控加工方法

(1)在模体两等高、等中心的位置预装两毛头，将模体用数控镗找正，在两端毛头上制中心孔。

(2)对顶装夹，在模体底板上装配重块，在数控车床上用百分表采用旋转平衡确定配重情况，多次配重后模体达到圆周平衡，将配重块固定牢固，采用数控车回转初加工，每沿模体母线加工完一次后减轻对应的配重量，从而达到圆周平衡，数次配重车削至型面符合数字模型型面。数控车因高速均匀圆周转动，切屑不积累，这样保证了材料的纤维连续、散热快，从而减小了型面变形。

（3）在初加工后，为了达到表面光洁度，我们采用同样的配重技术，利用原毛头对顶装夹进行数控磨加工。加工完后，将配重块取下。型面光亮如镜面。

3.4 结果与分析

经检测，加工完的模体型面直线度1600 mm内小于0.1 mm，表面光洁度Ra 0.8,完全符合技术要求。将该工装用于成型圆弧风挡零件，成型后的零件经光学角偏差检测、光学畸变检测、其他光学质量检测，该风挡零件也完全满足使用技术要求。采用数字化技术加工整体圆弧风挡零件成型模具，其工艺流程见图7。

图7 改进后风挡模具数字加工工艺流程图

从流程图可以看出，相比于传统工艺流程，数字模型取代了木制靠模，通过数控加工取代了靠模加工。数字化圆弧风挡零件模具加工技术，不仅缩短了生产周期，节约了制造靠模的成本，并且数控加工后的粗坯与实际需要的状态非常的接近，减轻了后续钳工的劳动强度甚至取消了钳工对型面的修配，最重要的，该方法提高了工装制造精度。同时，特别针对截面为不等料厚的模具又存在料厚关系按样件制造的模具，采这种方法也具有很大的借鉴意义[8,9]。

4.结束语

本文研究了数字化加工技术在整体圆弧风挡工装的制造中的应用，建立了工装数字模型，采用了配重数控加工方法,制造了圆弧风挡工装。其成型零件满足了圆弧风挡表面雾度、母线直线度、畸变率等相关技术需求。相比传统的工装的加工方法，数字化加工技术使得航空工装制造更加高效，精确，成功实现了由“模拟量”向“数字量”的传递。

[1]孙明明.整体圆弧风挡玻璃透光度、雾度检测系统设计[D]成都:四川大学,2007.

[2]王炳炎.整体圆弧风挡玻璃光学畸变照相检测系统研究[D].成都:四川大学,2007.

[3]韩志仁.航空工装的现状与发展[C].北京:民用飞机制造技术及装备高层论坛.2010.

[4]杨汉,陈佳,兰勇,等.数字化技术在航空钣金成形模具制造中的应用[J].航空制造技术,2012(17):60-62.

[5]景智,许学军.航空工装负角度面和型面最大外棱边测量技术研究[C].北京:2011航空试验测试技术学术交流会论文集.2010.

[6]单岩，谢龙汉.CATIA V5自由曲面造型[M].北京:清华大学出版社,2004.

[7]宁贵欣.CATIA V5工业造型设计实例教程[M].北京:清华大学出版社,2004.

[8]联合编写组编写.机械设计手册[M].化学工业出版社,2011.

[9]金属机械加工工艺人员手册修订组.金属机械加工工艺人员手册[M].上海:上海科学技术出版社,1981.