一种飞机框肋类钣金零件工艺模型设计方法

技术领域

本发明属于飞机制造技术领域，具体涉及一种飞机框肋类钣金零件工艺模型设计 方法。

背景技术

框肋零件是飞机钣金零件的主要零件，常用于机翼翼肋、机身隔框等处，大多与 蒙皮搭接，担负着控制飞机外形、保证气动特性的作用，占飞机钣金件总量的50%以 上。零件腹板大多是平的或略带曲度，周围有弯边，弯边上经常有下陷和长桁缺口。 随着飞机外形的复杂度增加，弯边一般为具有变曲率变截面特征的曲面。本发明所针 对的零件腹板为平面。零件实例如图1所示。

框肋零件作为飞机结构组成的重要部分，直接影响着飞机的外形准确度和结构承 载能力，其制造成为决定飞机整体性能的重要环节。现代飞机的发展使得其外形变化 更为复杂，同时对疲劳性能、飞行寿命的要求也越来越高，对钣金件的精度和质量提 出了更高的要求。这就要求制造出的钣金件可以尽可能接近最终形状，特别是要求尽 量减少手工修整量，甚至不允许手工敲修，实现“一步法”成形，提高产品品质和外 观，以达到钣金件精密成形的要求。

框肋零件主要采用橡皮囊液压成形方式进行生产制造。橡皮囊液压成形具有成形 效率高、成形零件表面质量好、成形模具为半模等优点，然而同样存在着钣金件成形 共有的回弹、起皱和破裂问题。其中，回弹问题是影响框肋零件成形质量的突出问题。

框肋零件成形回弹量的控制与材料性能、成形工艺参数等多种因素相关，通过对 成形工艺过程进行相应的改进与控制虽然能在一定程度上减小板料的回弹量，但是并 不能完全消除回弹，并且由于各种工艺参数对成形过程的影响机理复杂，对于参数值 的确定不具有普适性。因此，为了使板料在卸载后形状与所要求的零件形状一致，最 有效地途径为修正模具形状。

模具设计的依据即为考虑了回弹补偿的零件工艺模型。工艺模型作为工艺补偿参 数的载体，可以便捷准确地将结构参数传递到成形模具上，是保证零件成形精度的关 键。而框肋零件单件数量少、品种多、尺寸变化大、结构特征难以参数化表达，也为 框肋零件回弹修正中间态模型的确定，即框肋零件工艺模型定义，带来了困难。

实际生产中，橡皮囊液压成形框肋零件工艺模型设计及成形模具设计，并未考虑 回弹预测与补偿，为防止干涉仅在下陷区进行了下陷加深处理；论文与期刊中，韩盛 夏与闫红勇在对液压成形模具设计技术的研究时，都提出了对零件进行了截面离散， 采用离散截面来表达液压成形零件的方法，弯曲类零件信息采用二维截面线包含的弯 曲角度和弯曲半径来表示出来，但是仅止于对直线弯边类零件以及独立的各类规整弯 边表达的研究，并未涉及变截面的弯边零件或弯边线曲率变化时弯边表达的研究，以 及完整零件考虑回弹补偿的工艺模型设计的研究。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种飞机框肋类钣金零件工艺模型设 计方法，根据零件的设计模型，设计出可以直接应用于模具工作型面设计的零件工艺 模型。

技术方案

一种飞机框肋类钣金零件工艺模型设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1构成工艺模型的参考模型：

步骤1a：以腹板内表面S^W所在平面F^WU，与弯边设计参考面相交，形成交线将平面F^WU沿法向向弯边方向平移h，得到平面F^WD，平移距离 h＝最大弯边高度+(10～15)mm；以F^WD与弯边设计参考面相交形成交线以交线 与交线截取弯边设计参考面取两个交线之间的部分作为弯边分割参考面 所述i＝1,2,…,G；

步骤1b：建立弯边设计参考面所对应弯边外表面j＝1,2,…,C_i的投影分割 扩展参考面，以及零件腹板内表面扩展分割面，所述C_i∈N,1≤C_i≤(H-G+1)， 且具体步骤如下：

步骤ⅰ：各弯边设计参考面所对应弯边外表面的周向最远端的两条边界线分 别为和将其沿和方向分别投影到弯边分割参考面上，形成投影线和投影线与交线相交形成交点和其中和分别为弯边外 表面和与设计模型中弯边设计参考面之间的偏移方向；

步骤ⅱ：将交点和沿交线向外延至点和并过点和做交线 的法平面和使投影线和在法平面和之间，法平面和与弯边设计参考面相交为交线和

步骤ⅲ：在交线和交线之间得到弯边分割参考面形成弯边投影分割扩 展参考面其边界线段分别为

步骤ⅳ：以弯边设计参考面法平面和在腹板内表面所在平面F^WU截取 得到腹板扩展内表面

步骤c：在腹板扩展内表面与弯边投影分割扩展参考面相交的边界线段处，按照零件弯边内型面圆角半径进行倒角，形成弯边参考圆角面

与腹板扩展内表面相交形成扩展腹板弯边线分割腹板扩展内表面 形成扩展腹板面

与弯边投影分割扩展参考面相交形成凸缘参考弯边线分割投影分割 扩展参考面形成弯边参考凸缘面

以扩展腹板面弯边参考圆角面和弯边参考凸缘面共同构成工艺模型 的参考模型；

步骤2构成工艺模型的建模依据模型：

步骤2a：对扩展腹板弯边线进行等距离散，弯边线弧长为l_i，离散间距为d_i， 形成离散点k＝1,2,…,Q_i，其中d_i＝1～3mm，

步骤2b：过离散点做扩展腹板弯边线的法平面与弯边参考圆 角面和弯边参考凸缘面相交，形成圆角面曲线段和凸缘面曲线段以和 共同构成切向连续的截面曲线段L_ik；其中圆角面曲线段由半径为圆心角为 的圆弧段构成；凸缘面曲线段由变曲率曲线段构成；点处切向 方向为点处切向方向为点与点重合于点P_ik，切向方向为

步骤2c：对截面曲线段L_ik进行回弹计算与回弹补偿，具体步骤为：

步骤（ⅰ）：计算圆角面曲线段回弹补偿后的圆心角半径 其中Φ_ik为截面曲线段L_ik的回弹角度，根据《航空制造工程手 册》飞机模线样板分册中“D-Φ”值表中查询得到，λ_ik为补偿系数取值为1，K_ik为 展开系数，根据《航空制造工程手册》飞机模线样板分册中计算展开长度用K值表中 查询得到，δ为材料厚度；

步骤（ⅱ）：以点为起点，为切向方向，为半径，为圆心角，做圆弧 段完成回弹补偿后的圆角面曲线段

步骤（ⅲ）：在法平面内，将凸缘面曲线段沿平移使点与点重合于点P′_ik，并绕在点P′_ik处的法矢旋转，使圆弧段和曲线段 在点P′_ik处切向连续得到凸缘面曲线段

步骤（ⅳ）：使用CAD软件中的创成式外形设计模块中多截面曲面定义功能，依 次选择回弹补偿后的凸缘面曲线段k＝1,2,…,Q_i为多截面曲面的截面线，完成凸缘 面的多截面曲面定义，生成回弹补偿后的弯边参考凸缘面

步骤（ⅴ）：以回弹补偿后的凸缘参考弯边线为边界，对回弹补偿后的弯边参 考凸缘面进行曲率连续的外插延伸，延伸长度为所得曲面即为回弹补偿后 的弯边参考面与扩展腹板面共同构成工艺模型的建模依据模型；

步骤3：依据工艺模型的建模依据，应用CAD软件中的零件设计模块和创成式外 形设计模块中的功能，完成工艺模型的设计，具体步骤如下：

步骤3a：以回弹补偿后的弯边参考面与扩展腹板面为建模依据，应用凸台 定义功能完成回弹补偿后的零件初始外形实体E^P建模，得到初始弯边外形面其 中：C_i∈N,1≤C_i≤(H-G+1),且的限制曲面为弯边外表面相对应弯边 设计参考面回弹补偿后的弯边参考面偏移参数分别采用弯边外表面相对应 弯边设计参考面之间的偏移方向和偏移值；

步骤3b：在零件初始外形实体E^P上应用倒角定义功能和面与面的圆角定义功能， 完成下陷过渡区和圆角面的实体E^C建模，其中，倒角定义中长度值与设计模型中相应 位置倒角定义的长度值一致，面与面的圆角定义中半径值与设计模型中相应位置面与 面的圆角定义的半径值一致；应用倒圆角定义功能，完成回弹补偿后零件圆角面的实 体建模，其中倒圆角定义中半径值

步骤3c：对零件实体E^C进行抽壳定义，内侧厚度为δ，外侧厚度为0，移除除腹 板和弯边之外所有的面，得到零件抽壳后的实体E^S，应用多重提取功能，提取零件抽 壳后实体的内表面S作为工艺模型。

有益效果

本发明提出的一种飞机框肋类钣金零件工艺模型设计方法，根据零件的设计模型， 设计出可以直接应用于模具工作型面设计的零件工艺模型。适用于变曲率、变截面、 带下陷、带长桁缺口的框肋弯边零件，提供了一种基于弯边参考面、考虑弯边回弹与 补偿的工艺模型设计方法。

附图说明

图1是框肋零件实例——飞机前襟20肋零件模型。

图2是实例零件的弯边设计参考面。

图3是实例零件的弯边外表面。

图4是实例零件的弯边分割参考面。

图5是实例零件的弯边投影分割扩展参考面和腹板扩展内表面。

图6是实例零件的工艺模型参考模型。

图7是实例零件工艺模型参考模型的截面离散结果。

图8是实例零件各离散截面回弹补偿示意图。

图9是实例零件弯边参考凸缘面和回弹补偿后的弯边参考凸缘面。

图10是实例零件回弹补偿后的弯边参考面。

图11是实例零件回弹补偿后的零件初始外形实体。

图12是实例零件回弹补偿后初始外形倒角实体。

图13是实例零件回弹补偿后初始外形倒角抽壳实体。

图14是实例零件的工艺模型。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

以图1实例前襟20肋零件为例，该零件由平面腹板以及两个变曲率、带下陷和长 桁缺口的弯边组成。结合附图，说明飞机框肋零件工艺模型设计方法的具体实施过程。

1.实例零件有图2所示2个弯边设计参考面和图3所示弯边外表面以为设计依据；使用平面F^WU和F^WD截取得到图4所示弯边分割 参考面边界线和的投影线和在法平面和之间，和截 取得到弯边投影分割扩展参考面和共同截取平面F^WU得到腹板扩 展内表面结果如图5所示；实例零件弯边内型面圆角半径为3mm，在上倒3mm 圆角，得到如图6所示扩展腹板面弯边圆角参考面和弯边参考凸缘面以同样的方法对弯边设计参考面进行操作，得到扩展腹板面弯边圆角参考面 和弯边参考凸缘面与图6所得共同构成工艺模型的参考模型。

2.对扩展腹板弯边线进行等距离散，弯边线长度为322.876mm，等距离散成300 个离散点（k＝1,2,…,300），过各离散点做的法平面（k＝1,2,…,300），分别与 和相交形成圆角面曲线段和凸缘面曲线段和交点为P_1k；对和 进行回弹计算与回弹补偿，得到补偿后的圆角面曲线段和凸缘面曲线段和交点为P′_1k（如图8所示），离散结果如图7所示；应用多截面曲面定义功能生成 回弹补偿后的弯边参考凸缘面（如图9所示）；以为边界，对进行曲率连续 的外插延伸，延伸长度为6mm，得到回弹补偿后的弯边参考面以同样的方法得 到回弹补偿后的弯边参考面与和共同构成工艺模型的建模依据模 型。

3.应用凸台定义功能得到如图11所示回弹补偿后的零件初始外形实体E^P；应用倒 角定义和面与面的圆角定义功能，完成下陷过渡区和圆角面等的实体建模，得到如图 12所示实体E^C；应用抽壳定义功能，取内侧厚度为实例零件材料厚度1mm，得到如 图13所示零件抽壳后的实体E^S；应用多重提取功能，提取零件抽壳后实体的内表面S 即为工艺模型。