飞机复合材料构件工装的数字化设计

◎马吉川

引言：设计方法的创新，是简化飞机复合材料设计流程、提高复合材料加工精度的有效措施。基于数字化、模块化的设计理念，运用计算机辅助设计平台，除了可以快速得到符合使用需求的构件模型外，还能够自动检测复合材料构件工装的加工精度，基本上实现了从前期设计、后期加工的全流程自动化，取得了较好的经济效益。将数字化设计推广至飞机复合材料构件工装中，已经成为现阶段飞机制造公司的一项重要任务。

一、复合材料构件成型工装数字化设计

1.模具的设计。

（1）数控加工技术。

数控加工是复合材料成型模具常用的加工制造方法。框架式模具的型板、缠绕成型的芯模、成型模具的型腔以及一些有配合要求的工装等，都需要采用数控加工来保证加工精度和表面质量。近年来，高速数控铣削技术发展迅速，其具有较高的材料切除效率、高切削表面质量。从技术应用效果来看，数控加工可以通过自动识别各类构件的形状、尺寸以及其他详细参数，自动的生成模具的三维坐标。然后通过计算机的调控指令，控制前端的铣削工具，完成对模具的自动化制作，最终得到高精度的模具。

（2）表面处理技术。

模具内表面的光滑度、脱模能力等，也是衡量复合材料构件模具制作质量的重要指标。通过采用不同的表面处理技术，可以改变模具表层的成分、组织、性能，从而大幅度地改善模具的表面性能，如硬度、耐磨性、摩擦性能、耐腐蚀性、抗氧化性及脱模能力等。根据具体处理方式的不同，又可以将这一技术分成物理法、化学法、激光法等几种。其中，从表面处理速度、处理效果上来看，激光法应用效果较好。其原理是，由激光器发出激光，在数控设备的控制下，完成对模具内表面的强化处理，对提高模具表面光滑度、耐腐蚀等效果有积极帮助，从而达到延长模具使用效果的作用。

2.支架的设计。

支架位于模具体与底架之间，一般由金属板材组成，用于支撑和固定位于其上的模具体。支架的结构包括内支撑板、外支撑板、内底板和外底板4 种结构，特征为散热孔和卡槽，散热孔有4 种形状：圆形、长条形、矩形和矩形倒角。各零件之间具有约束关系，如支撑板与模具体的下表面贴合，内支撑板之间的位置关系为垂直或平行，底板的上表面与对应支撑板的下表面贴合，内外支撑板上的散热孔尽量在同一直线上，以保证成型过程中气流通畅。

二、复合材料构件装配工装数字化设计

1.骨架的设计。

基于复合材料组成的骨架，其数字化设计方案主要有两种，其一是根据现有的骨架设计方案，通过数字化转化的方式，将其在计算机中重新呈现，为下一步开展数字化设计提供便利；其二是基于新产品的型架骨架，通过扫描的方式，获取其三维坐标，然后利用特定的软件，在计算机中快速生成新的骨架。由于骨架的结构较为复杂，基于数字化设计能够将立体的骨架视作抽象的线段，将骨架转化为线框结构。在骨架的数字化设计中，根据产品装配需求，使用到哪些骨架，可以从资料库中单独获取其参数，保证了整个设计界面的精简。

2.批量装配技术。

根据复合材料构件工装装配设计中的具体需求，即在不改变现有工装模型的基础上实现相关零组件的快速装配，本文提出了零组件的“批装配”技术，只需对为数不多的零组件库模型添加一些简单的装配特征，即可满足对已有工装模型直接进行快速装配设计的要求。在分析待装配零组件与工装模型之间的约束关系特点的基础上，用户只需在工装模型上选择很少的几个装配约束几何对象，快速装配模块就能够实现装配约束的自动定义，从而实现零组件的快速成批装配。

三、复合材料构件模具的数字化检测

飞机中使用到的大量复合材料，具有型式复杂多样、精度要求极高等特点，这些构件工装在完成初步的数字化设计中，还要对其设计精度进行复核，确保设计精度能够满足使用需求。在数字化检测中，可以分为接触式和非接触式两种。

1.接触式测量检测。

接触式测量是指通过测量仪的测头与模型轮廓接触进行测量获得模型轮廓点云数据的一种测量方式，主要有三、五坐标测量机、便携式测量机等。这种测量检测方法的应用优势在于具有较好的可重复性，可以一次性测量3-5 组数据，然后计算平均值，进一步消除误差，保证了测量结果的精确性。但是也存在一定的缺陷，例如在接触式测量过程中，可能会对构件表面造成损害。另外，对于一些形状、结构复杂的构件，也不适合采用接触式测量，并且测量结果的精确性也会因此受到一定程度的干扰。

2.非接触式测量检测。

与接触式测量检测相对的，非接触式测量检测就是保证测量工具与待测模具之间有一定距离，利用设备接收反馈信息进而分析出测量结果。非接触式测量主要有计算机辅助经纬仪、激光跟踪仪、照相测量术等。其中较为成熟的是光学测量法，包括结构光法、激光三角形法、激光干涉法、图像分析法等。激光法是应用较为广泛，且测量结果精确性较高的技术方法。非接触式测量的优势在于适用性更强，对于一些结构、形状复杂的复合材料模具，也可以无障碍、高精度的完成检测。缺点是非接触式测量的噪声较大，可能会对测量结果的精确性造成一定的干扰。

结语：模具的制作质量，对复合材料构件的加工效果产生了直接影响。随着技术的发展，特别是数字化技术在工装设计中的推广使用，在提高复核材料构建模具设计效率、精度等方面提供了技术支持。目前数字化设计已经在模具的骨架、支架等方面的设计中发挥了重要应用，今后还要继续坚持技术创新和技术融合，例如将大数据技术、人工智能技术等，应用到数字化设计中，在实现自动化、高精度设计中更好的发挥技术优势。