飞机框类重件的逆向设计及数字化加工

1 引言

    逆向工程技术是利用一定的测量手段对实物表面进行测量，根据测量数据，通过三维几何建模方法重构实物CAD模型的过程。并通过此模型编制完整的数控五坐标加工程序，完成由传统的常规加工到数字化加工的转化，从而提高产品的加工效率。

2 CAD模型的数学机理

    通过CATIA V5 (Computer Aided Three&Two Dimensional Interaction Application System，计算机辅助三维/二维交互式应用系统）的强大功能，完成逆向工程的转化。实体模型主要由各种各样的曲线构成，而曲线按数学形式可以分为直线、二次曲线(如圆弧、圆、椭圆、双曲线、抛物线等)、样条曲线等。样条曲线(即B样条曲线)是通过一系列离散点连接的光滑曲线。

    由于样条曲线都是由多条样条曲线组合而成，这就涉及曲线的连续性问题。连续性通常有点连续、切线连续和曲率连续。因为只有曲线的连续扫掠出的曲面才能连续，构成所需要的实体的框架。

    坐标测量机测量点由坐标测量机控制系统执行的一组指令控制。在选取测量点时曲线长度每25.4mm至少取一点，小于127mm至少取3点，表面超过127×127mm或0.16m²时至少取5点。在表面上的点距应不大于152.4mm。值得注意的是测量点不要取在切点处，提供的测量点必须以工装孔中心、基准面、工装表面(平面)等为基准的点。

    逆向设计中，需要大量的曲面设计及处理。其中曲线的光顺性调节非常重要。由于测量过程中测量得到的是离散点数据，缺乏必要的特征信息，常常存在一定的误差。这时需要对其进行光顺处理。为了构造出一条光顺的插值曲线，需要修正原型值点顺序，利用软件的相关功能模块进行调整。设计的准则是曲率的极值点尽可能少，相邻两极值点之间的曲率尽可能接近线性变化。

    基于以上几点设计原理，可在CATIA V5下进入创成式曲面设计单元，利用软件的相关功能构建数模曲面，最后缝合曲面填充实体。完成的某型机数模如图1所示。

图1 零件三维结构图

3 零件的数字化加工

    3.1 零件分析

    零件材料为高强度钢，材料牌号状态为30CrMnSiNi2A，由模锻件经机械加工而成。其最大外廓尺寸为985mm×490mm×135mm，由腹板、缘条、耳片等组成，两侧理论内(外)缘为双曲面，如图2所示。

图2 零件结构图

    30CrMnSiNi2A具有良好的抗疲劳性能，是飞机常用的一种镍基高强度钢，主要用于制造飞机的关键承力结构，如机翼主梁、起落架和平尾大轴等。其热处理之后的抗拉强度σ_b=1570MPa-1810MPa，硬度为HRC49左右。与高速钢刀具的硬度HRC64相似，非常硬，难于加工，切削性能很差。