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中国民用航空工艺装备发展报告之国内航空工艺装备现状

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随着未来中国航空工业的持续发展,不仅自身规模庞大,管理、技术水平先进,其带动效应也将随之增强,相关配套民营企业也必将随之发展壮大。

来源:吕家兴 赵会善

本报告为连载,今天分享第二章节,余下内容敬请关注微信号工业4点0,后续将继续更新!

以下为文章目录:

第二章 国内航空工艺装备现状

第三章 国内航空工艺装备发展

第二章 国内航空工艺装备现状

数字量协调方法

即CAD/CAM工作法,是以飞机结构外形数学模型为基础,以计算机、激光跟踪仪、数控加工技术、照相检验为主要手段进行测量安装,必要时采用加强架/板、增加ERS点等方法,来完成工艺装备的设计制造与协调,其依据是同一数学模型。

数字量协调的特点:

(1)减少了制造误差的积累,提高了协调准确度。

(2)减少了标准工装,缩短了生产准备周期并减少了库房占用面积

(3)提高了机械加工零件的生产效率和质量。

数字量协调方法对于外形、结构复杂、机加件多以及协调要求高的产品,更显此方法的优越性。对于数控设备重复定位精度、加工精度、刀具选择、编程人员及设备操作人员水平、数控(照相)检测手段等的要求也不可忽视。同时仅有工程数据还不足以支撑制造。这就需要制造数据集和检验数据集——通过专业技术人员把工艺设计信息、检验信息加入到工程数据集中去,形成一种衍生数据集。这是数字量协调的重要一环。

数字量和模拟量协调方法的综合运用,充分发挥各自的优点。当协调公差小于0.1mm时,尽量选用模拟量协调。这就需要工程设计人员(飞机设计师、工装设计师、工艺设计师)对几何公差有正确深刻的理解和运用;需要工艺设计人员正确理解几何公差并进行容差分配,正确选择标准工艺装备和生产工艺装备;需要工装设计人员正确理解几何公差进行工装设计来满足工装制造工艺性、可靠性、经济性,进而满足飞机设计、制造需求。

设计基本要求

数字化工艺装备完全依据数学模型进行设计、制造、检验;其检验依据以数字量形式出现(如工具球坐标参数、形状参数等)。工艺装备基本结构形式与传统工艺装备无本质区别。大型工装应有永久性的光学工具定位球座和设置目标的定位孔,并记录工具球中心的三维空间理论坐标值及实测值。

数字化工艺装备

数字化标准工艺装备,也称数字化主工装或数字化标准工装(简称数字化标工),是包含并通过统一基准系统(坐标系、主尺寸表面、几何基准)和实体几何(几何形状、尺寸公差)反应飞机产品结构之间、工艺装备之间、飞机产品与工艺装备之间协调关系,并以数字量形式存在的三维数字化飞机产品或工艺装备几何定义模型,并作为设计、制造、检验所有飞机产品零部件加工工装、装配工装、检验工装的数字量标准。采用一致的几何形状尺寸与合理的公差分配,达到各要素间的互换协调。

1.1 数字化标工建立

数字化标工的设计就是数字标工在建立过程中包含的要求、提取的飞机几何信息。数字化标工设计应考虑以下内容:

(1)数字化标工应采用通用的计算机3D设计软件;

(2)数字化标工应包含所有与飞机理论外形有关的几何信息;

(3)数字化标工应包含所有与飞机基准有关的信息(如水平基准面、对称基准面、飞机坐标原点、中心线方向);

(4)数字化标工应包含所有飞机结构轴线信息(如梁轴线、长桁轴线、肋轴线);

(5)数字化标工应包含所有飞机关键控制信息(如发动机安装交点、机身机翼对接交点等);

(6)数字化标工应包含所有飞机水平测量点;

(7)数字化标工应包含需要控制的容差分配等工艺制造信息。

1.2 数字化标工标注

数字化标工的标注就是在三维环境下进行飞机各种几何信息的三维标注。

(1)以三维文字标注所有信息;

(2)以三维文字标注飞机关键控制的位置及坐标值;

(3)以三维文字标注飞机水平测量点位置及坐标值。

1.3 数字化标工对产品制造协调互换的益处

数字化标工在实际应用时,可以保证工装、零部件在几何形状及尺寸之间相互转换,并且借助自身所具备的技术手段,推动产品数字化建设,构建专门测量系统。数字化标工本质就是借助三维模型协调转换功能,为生产工艺装备及其定位器数字化协调设计及研发提供依据,保证不同产品及工艺装备之间可以相互协调,设计效果与实物之间并不存在任何差别。

2.1 装配工艺装备

2.1.1 整体式-焊接

骨架主要是由型材元件焊接而成。主要包括转动式、四支点式、三支点式、多支点可调式等。

图2.1 骨架支点形式

2.1.2 整体式-焊接工艺装备特点

(1)优点:刚性好,准确度高。

(2)缺点:灵活性差,适用面小;精度保证和校正困难。

2.1.3 整体式-组合

整体结构主要是由底座、立柱、支臂和梁等标准化元件组成。

图2.2 骨架支点形式

整体式-组合工艺装备特点

(1)优点:标准化程度高,研制周期短、成本低,元件可重复利用。

(2)缺点:标准件难以储备齐全,整体刚性差(采用间隙配合所致),破坏地基整体性(型架与地面要固定)。

2.1.4 底座式

在一个整体底座上固定其它骨架和定位夹紧元件,底座式多支点可调支撑。底座式工艺装备特点:

(1)优点:降低对地基要求;通过定期检查消除地基变动的影响;搬动方便。

(2)缺点:耗材。

2.1.5 分散式

不设整体骨架,各定位夹紧件固定在以地基为基础的分散骨架上。分散式工艺装备特点:

(1)优点:节省材料(较组合式,省约50%);结构简化;空间开敞。

(2)缺点:要求地基稳固;地基与工件膨胀系数差较整体式骨架与工件间的差值大,影响型架准确度。

2.2 对接工艺装备

2.2.1 立柱式结构

构成:底座与移动柱

自由度:单自由度、双自由度、三自由度

驱动方式:手动、自动

2.2.2 塔式结构

构成:主体采用焊接结构

自由度:根据站位不同定位塔可固定或者移动

控制方式:激光跟踪仪等测量反馈主动伺服控制

图2.3 立柱式结构

图2.4 塔式结构

2.2.3 塔柱混合式

构成:塔式结构与立柱式结构共同完成

控制方式:激光跟踪仪等测量反馈主动伺服控制

3.1 复合材料工艺装备特点分类

复合材料工艺装备(简称为复材工艺装备或复材工装)用于航空机体复合材料零部件成型,主要应用热压罐成型、RTM成型、模压成型。其中热压罐成型在大型复合材料壁板中广泛应用铺叠工装(LM)。要求内外表面粗糙度要求高的产品使用金属组合工装。

复合材料与金属材料截然不同,材料成型与结构件成型是同时完成的,复合材料的结构性能对制造工艺过程、复材工装结构敏感,材料的最终性能也是通过工装与制造过程赋予的,制造过程与工装结构直接影响复合材料结构件的质量,一旦工艺过程和复材工装某个环节不合理,复合材料零件会产生制造缺陷和尺寸偏差,严重影响其性能甚至造成构件报废。

复材工装是复合材料构件制造用的主要工艺装备,用以确定零件形状、结构关系、控制外缘和获得良好的表面质量,在工装上完成复合材料聚合固化,复合材料工装设计合理性直接影响复合材料结构件质量,决定复合材料结构件是否制造成功。

3.1.1 热压罐成型

空袋封装复合材料坯件组合件放入热压罐中,在加热加压条件下固化成型复合材料制件的一种工艺方法。是先进复合材料构件成型最常见的一种工艺方法,将先进复合材料毛坯、蜂窝夹心结构或者胶结结构用真空袋密封在模具上,置于热压罐中,在真空(或非真空)状态下,经过升温—加压—保温—降温和卸压过程,使零件成为所需的形状和质量状态的成型工艺方法。

3.1.2 树脂传递模塑成型(RTM成型)

将纤维或其预成型体预先装入模具中,再注入液态的基体树脂,经固化成型复合材料制件的复合材料制造方法。此类方法适用于对内、外表面精度要求高的产品。

3.1.3 模压成型

将一定量的预混料或预浸料坯件装入闭合模具中,在一定温度、压力下预混料或预浸料充满模腔固化成型的方法。

3.2 设计要求

复合材料工艺特殊性要求复合材料工装的设计、制造和操作都必须和所生产的构件、所用复合材料的性能及其相关的制造和固化工艺协调一致。工装设计过程中应该详细考虑在制造过程中可能出现的各种问题。复合材料工装在设计过程中应该注意以下几点:

(1)分析零件的工程结构。复合材料结构件通常有蒙皮壁板、梁、肋、长桁、框、以及整体盒段等。根据零件结构形式,可对模具有个整体概念,初步确定工装的结构形式,确定采用阴模还是阳模形式。根据零件产量、质量、零件大小及工艺要求确定是采何种成型方法。

(2)分析零件的工程界面。一般选用气动面、装配面、胶接面等作为贴膜面;但如果这些面结构较复杂时,设计可考虑在工程界面侧添加补偿层。此时贴膜面可设计在工程界面的背面。

(3)分析零件的质量要求。制件的外形轮廓尺寸精度直接影响到模具的质量要求及成本,可通过设计合理的工装结构、定位方法及加工方法来达到精度要求。

(4)分析制件的成型工艺方法,是共固化、共胶接还是二次胶接。共固化中,所有层为湿铺层一次进罐,需要较多模具组合到一起同时使用,通常整套模具较复杂;共胶接为干湿件进罐固化,需要一部分零件的成型模具,及已固化零件与湿铺层二次进罐固化的模具;二次胶接时所有零件已固化,通过胶膜把他们固化到一起,需要所有零件的成型模以及二次胶接的定位模具。

(6)工装的设计补偿:对于大曲率复合材料蒙皮、梁、肋、长桁等零件的工装设计需要考虑零件固化脱模后的回弹影响。回弹与成型工艺、制件结构及铺层角度、模具材料、模具形式等多种因素相关。模具设计时进行回弹的补偿可在一定程度上减小制件固化后的变形,降低装配应力,但补偿系数难以确定。现阶段主要还是依靠试验件制造的方法确定回弹方向及回弹量。通过分析产品结构,在此基础上截取典型部段作为试验件进行工装设计与制造,并在该工装上进行试验件制造,将试验件与工装进行检测,根据检测结果计算试验件角度与工装角度的差值,即回弹角。

3.3 热压罐成型复材工装

热压罐成型因热压罐内压力、温度均匀,成型稳定等优点适用于大面积复杂型面的蒙皮、壁板、壳形结构件的成型。该工艺制造的结构件孔隙率低,树脂含量均匀,成型结构件力学性能稳定,产品重复性好。

3.3.1 热压罐成型复材工装的一般要求

(1)模具要有足够的刚度、强度,以保持模具本身的尺寸稳定性。

(2)热容量小、热膨胀小(与零件材料膨胀系数接近),热稳定性好。

(3)施工便捷,加工精度高,表面光度高,模具自身协调性好。

(4)导热性好,热量传递快,升温迅速。

(5)重量轻,运输方便,操作安全可靠。

(6)制造成本低,可维护性好。

(7)用于成型零件的模具表面应满足气密性要求。

图2.5 B777机翼铺叠工装(BAJ)

3.3.2 阴模与阳模选择

复合材料成型工装分为阴模和阳模两种结构形式,阴模、阳模成型各有优缺点,可以根据零件工程面,零件结构、质量要求等方面来考量选择。阴模、阳模结构如图:

图2.6 左图为阴模,右图为阳模

阴模成型出的制件外形规整模具加工成本较高;R角手工铺叠难度较大,成型质量保证较困难;不适合自动铺带技术。阳模工装易于加工,成本较低;R角成型质量容易保证;易于手工铺叠;易于自动铺丝,且生产效率高。

3.3.3 热压罐成型复材工装结构

(1)平板类工装结构

平板类工装适用于零件型面为平面或近是平板,零件尺寸在500mm以下可选用平板结构工装,该工装类型结构简单,制造方便,平板厚度在保证工装不变形的的基础上控制工装厚度。

(2)框架类工装结构

现阶段热压罐成型工装多选用框架式结构,该工装具有型面厚度均匀,通风好,升降温速率易于保持,其结构主要有以下几个部分:型面板、带通风孔的横向支撑隔板、带通风孔的纵向支撑隔板、底板、脚轮等。

3.3.4 辅助装置

(1)防滑带

用于生产纸蜂窝、铝蜂窝夹层结构零件的工装需要在铺叠余量线外安放防滑带。主要作用是夹层表面预浸料在固化过程中收缩,形成材料滑移造成表面褶皱,同时对夹层施加向下压力易把蜂窝压塌或变形,造成零件报废。防滑带起到增大预浸料与模具间摩擦力,减缓零件固化过程中对对蜂窝压力。

防滑带在零件铺叠余量线外20-30mm以外,防滑带材料由0.5mm-0.8mm、宽度在60mm左右厚薄钢板上面冲压出均匀高度在2mm-3mm凸点,可以直接采用电阻焊或粘接方式两种方式固定在工装型面边缘。

(2)真空线路

复合材料零件在铺叠过程和热压成型过程中需要抽真空压实,在工装设计过程中需考虑透气毡、零件形状、工装结构对空气流动的影响,保证零件各个位置的真空度。所以对外形复杂的结构件一般采用在铺叠余量区外开真空槽或在工装背部设置真空管路方式来保证零件各个位置的真空度。

真空槽方式真空管路接口直接打到真空袋上,可根据需要调整真空接口的位置,操作灵活,适用于研制批零件。

真空管路在工装背部开孔直接接真空管路,管路接口直接接真空接口,操作方便,但是成本较高,适用于批产零件。

(3)型面标识及孔位

a.产品线:即产品的外形轮廓线,用于非数控切边时使用,决定了产品的外形尺寸的精度;设计时应考虑模具材料的膨胀因素作适当缩放处理,产品线的位置精度和宽度精度都需要根据复材制件外形尺寸精度要求定义在模具设计中。

铺贴线:由于零件边缘铺贴不完全齐整,以及流胶、挡胶条、打真空袋等因素导致固化后产品边缘质量不高,需要在产品线外一定距离开始铺贴,在制件上将留有一定余量待加工掉。同时,铺贴线用于无激光投影时手工铺贴定位,以控制铺贴余量,既不浪费太多的料,又能保证产品质量。通常铺贴线到产品线可留20~30mm。

b.基准孔:用于工艺装备机加和检测时作为基准,精度要高,并保证可重复使用。基准孔坐标值通常刻于模具上用于工艺装备后续定检返修。

c.靶标孔:用于手动铺贴时放置激光投影的靶标,以定位铺层区域,同时也作为激光跟踪仪测量工装的基准孔。靶标孔按实测值即可,坐标值刻于工装上或打在工具球标牌上。每套工装至少要求有四个或以上靶标孔,尺寸较大工装一般每500mm设置一个激光靶标孔。

d.复材制件定位孔:也叫制件工艺耳片孔,用于复材制件在脱模后检测、机加和装配时作定位基准,精度要求高。此孔需要有相应的钻模板来准确定位,钻孔需要在脱模前进行,孔应该在工装的法线方向。

e.余量区:在铺贴线到工装边缘需要留有一定距离用于打真空袋及自动铺带退料。通常手工铺贴模具的余量区在100~200mm,而自动铺带则需要200~300mm。

f.铺层角度线:在工装型面余量区外刻45°、0°、-45°纤维铺层角度线,以便在铺叠过程中进行参考。

(4)热电偶接口

根据适当位置安装热电偶接头,需要考虑工装热分布要求。

3.3.5 工装材料选择

制造复材工装可选择的材料有多种,常见有铝、钢、殷钢、复合材料、代木等,工装材料的选择从零件的结构、工装使用频率、成本等方面考虑,但是最主要的因素还是要材料的热膨胀系数是否与复合材料膨胀系数一致。

工装材料选择可以参照下表:

表2.1 复材工装材料选择

3.4 金属组合工装

组合模具通常采用金属制造(工装材料可按表2.1选择),主要用于压机成型、模压成型、树脂传递模塑成型和注射模成型。组合模具通常由上下两个半模构成。其加热方式可以通过模具的上下压盘传导加热,也可以通过附近的热源给模具加热,或内置的模具加热系统加热。

金属组合工装基本使用要求:

(1)保证零件尺寸、形状的精度以及上下模匹配的精度;

(2)夹具有夹紧和顶开上下模的装置及零件脱模装置;

(3)在模压力、注射压力及开模压力下表现出足够的强度和刚度;

(4)可加热、并且模具材料能经受树脂同化放热峰值的温度;

(5)具有合理的注射孔、排气孔,上下模具密封性能好;

(6)寿命长,成本要尽量低廉。

飞机金属结构件的胶接和复合材料结构件的成形,需要在一定压力、温度条件下进行,应根据结构件的不同结构特点和工艺要求,采用不同类型的胶接成型工装。

4.1 胶接工艺装备结构设计

4.1.1 胶接工艺装备的结构类型

根据胶接成型工装基本型面的特点,其种类如下表:

表2.2 胶接成型工装种类

4.1.2 胶接工艺装备的一般技术要求

(1)外廓尺寸

满足进出加热设备和封装技术要求,工艺装备的专用架车的车轮要考虑加热设备的轨道要求,对进出净化间保护防静电地板要求;压模的高度要小于热压机的最大工作高;要考虑加热设备的有效工作空间。

(2)选材原则

可按表2.1选择

(3)刚度

工艺装备在运送过程中,以及随产品一起进出加热设备而反复加热和冷却,其变形量不得超出允许的范围。

(4)型面

工艺装备的工作表面要光滑,表面粗糙度不大于Ra1.6μm;零件边缘线、余量线要划清楚,局部以点代替,点、线仅供参考;所有标记要刻在边缘线(有余量线的按余量线)之外。对于易回弹形状,考虑进行适当补偿。

(5)气密性

工艺装备的模板焊缝要保证气密。模板上钻制的各种联接孔、定位孔均有为盲孔。工装必须进行气密试验。

(6)热均匀性

工艺装备的模板厚度要尽可能的均匀一致,框架均风系统方向统一布置,以保证工艺装备整体吸热和散热速度较均匀。必要时将工艺装备置于均风架车上。

(7)表面修饰

工艺装备上的定位块、定位边条、定位销、压紧装置等不允许有尖角,棱边,要光滑流线过渡,以防止划伤产品,扎破真空袋。

(8)辅助设施

把手、吊环的安装位置与重心位置关系协调合理,保证使用方便和安全可靠。

图2.7 可调型面胶接装配夹具

5.1 钣金工艺装备特点

飞机钣金成型工艺装备是飞机制造工程中的重要组成部分,对整个飞机的研制起着重要作用。飞机钣金成型工艺装备的特点:

(1)钣金工艺装备涉及不同类型、不同成型机理和各种工艺方法,要求根据零件形状、尺寸、材料特性、生产批量和精度要求,作出最佳的设计选择。

(2)钣金成型工艺装备与各类专用成型设备相互匹配,从工艺装备参数的选择、结构设计和定位要求,都必须符合各类设备的技术要求。

(3)飞机性能不断提高,新结构、新材料、新工艺和新技术不断涌现,要求钣金工艺装备及时适应新技术的发展,设计合理的工艺装备结构以满足新产品研制的要求。

(4)钣金工艺装备的功能达成度与成形工艺条件以及工人操作技术水平密切相关,必须随时采用相应的工艺措施以最终符合零件设计技术条件。

5.2 压型模

5.2.1 压型模(也称作型胎、型模)

用于飞机各类内部结构件——框板、肋板、缘条、口框、口盖、以及各种复杂形状的钣制拉深零件的橡皮成型。它是飞机钣金成型零件工艺装备中应用最广、数量最多、效率最高的工艺装备。

利用液压橡皮垫或液压橡皮囊作为凹模(或凸模),将金属板材按压型模加压成型,通常称为单模结构。工艺装备结构简单,并能完成冲裁、弯曲、拉深、切边等各类成型工艺,通过工序安排,可适用于较复杂的钣制零件成型。工艺装备工艺性好、成本低、周期短,也便于返修和应用数控加工工艺技术。

以往利用压型模制造钣金零件一般情况不考虑回弹,目前按照钣金精确成型的发展方向要求一次精确成型,此时压型模结构设计必须考虑回弹。其值的给出需要考虑零件的形状和弯边高度;材料牌号、状态、厚度;成型单位压力和温度以及工人操作水平等。一般按工艺试验经验值总结并形成系列标准给出。

5.2.2 压型模材料的选择准则:

(1)新机试制、研制,以制造周期为主要决定因素,选用易加工材料(如非金属可循环树脂Fx3000、SAM900和有色金属9系高强铝合金、6系铝合金T651状态)。这类材料的强度刚度也适用于批产。

(2)零件批量大、材料厚、局部型面复杂、单位成型压力高以及修正回弹工作量大的压型模,一般均选用钢材(Q235、45),以确保零件压制质量和减少由于工艺装备材料原因造成的大批返修和报废。

(3)大型飞机的内部结构件,一般均选用轻合金材料,必要时制成局部镶块结构。

(4)以自身的设备条件和工艺技术优势,充分发挥灵活处理。

常用材料如下表:

表2.3 压型模材料类别及应用

5.3 模胎和拉型模

模胎用于单曲面、双曲面和不规则曲面钣金零件的手工修整成型,配套和检验等。拉型模用于在拉型机上成型表面面积大、曲度变化缓、外表光滑、质量要求高的单、双曲度蒙皮。模胎和拉型模结构简单,一般只有凸模或凹模。其基体一般为铸铝,型面采用可循环树脂铺制后机加,自润性好、制造周期短、协调性好,型面易于返修、改制。

5.3.1 模胎、拉型模的分类及适用范围,见下表:

表2.4 模胎、拉型模类别及应用范围

5.3.2 设计制造原则

(1)尽量选用典型结构

(2)型面的空间位置要尽量使蒙皮纵向两端点连线与底面平行。拉型模的型面空间位置还应尽量使毛料工作状态受力均匀,成形安全可靠。

(3)拉型模四周要采用合理的包角和侧面斜角。

(4)重量要小于使用和制造单位所用吊车的起吊能力。

(5)设计制造依据为切面样板;正、反模型;标准实样和数学模型。目前主要以数学模型为设计制造依据。

(6)按飞机制造协调系统选择路线最短的协调方案,定位基准尽量与装配工装一致。

(7)材料选择与结构设计要确保工艺装备有足够的刚度和强度。铸造及焊接结构必须进行时效处理。

(8)加工误差要控制在各类机型规定的容差范围内。一般型面取产品规定容差的1/3至1/2;孔位置度、垂直度取产品规定容差的1/4至1/3。产品容差特别紧的可适当放宽。

(9)要划必要的基准线、框肋轴线和零件边缘线(或带切割余量的余量线),并打冲点做标记。

(10)有时模胎和拉型模的某一局部为另一零件工装的制造依据时,则要在模胎上投影出此零件的外形线,并标记。

(11)模胎和拉型模材料选择:常用基体材料为铸铝、铸钢、钢;面层材料为塑料(可循环树脂、环氧树脂、聚胺酯塑料等)。对于大型及特大型模胎或拉型模,必须考虑轻量化问题,注意选用低密度材料,并在满足强度、刚度基础上尽量优化结构以减重。

5.4 型材拉弯模

5.4.1 功能与特点:

(1)拉弯模用于成形飞机框缘零件,使其具有一定的弯曲外形。其特点:

(2)拉弯模尺寸较长、曲率半径较大的型材零件外形准确度高、质量好;拉弯模成形效率高;拉弯模结构简单,制造容易,成本低。

(3)材料选择:钢模、铸铁模、精制层板、夹布胶合板模、聚氯乙烯板模。前两种材料适合于大批量生产,后三种材料适用于试制、研制批。

5.4.2 设计原则

(1)型材零件腹板面一般为平面。

(2)型材零件上有下陷时,一般不在拉弯模上制出,单独在敲修模上进行下陷成形。

(3)模具结构尺寸必须根据所选用的拉弯机进行设计。

(4)要有良好的开敞性,便于拉弯时观察和敲修。

(5)模具必须搬运方便,装夹和卸件简单易行。

(6)模具底部螺钉要制成沉头的,吊挂要安装在模具上表面。

5.4.3 在拉弯复杂型面的型材时,为了防止型材失稳和畸变,可用填充蛇形块或低熔点合金的方法来解决。蛇形块一般用可循环树脂、铸锌、塑料、硬木等制造,尺寸大小要符合型材内形,用钢铰链、细钢丝、或橡皮绳串联,拉弯时垫在型材内腔中。

5.5 型材下陷模

5.5.1 型材下陷模用于在型材零件腹板上制出具有一定深度和一定过渡区长度的下陷区域以满足型材零件的装配。型材下陷模一般由结构简单的模块组成,与通用模座配套使用。与型材弯曲模结构相似,很多情况下是同时弯曲和成型下陷。按其用途可分为通用型材下陷模和专用型材下陷模;按型材类别可分为挤压型材下陷模和钣弯型材下陷模。

5.5.2 设计原则:保证在装入型材和取出型材零件时,方便易行、安全可靠;与模座配套使用,上模在开始运动时应能进入模座导向面,若模具闭合状态高,上模不能进入模座导向面,模具要增加导向装置;型材支承面必须高度一致,一般按原始型材设计;在下陷较深,型材带有负角度时,模具两侧或一侧应制挡板,防止失稳或擦伤;有色金属型材下陷模一般选用45钢制造,淬火硬度35~40HRC,钢型材下陷模一般选用工具钢或模具钢制造,淬火硬度52~56HRC。

6.1 专用夹具

6.1.1 高速铰孔夹具

此类夹具必须采用滚动导套结构为刀具导向。结构简单的滚珠式导套应用广泛,工艺性较好;结构紧凑的滚柱式导套承载抗振性好,工艺性稍差,用于孔距小,切削力大的结构中;结构尺寸大的单列向心球轴承适用于孔径和孔距较大的镗床夹具中,承载能力大,耐振性好,可用于加工IT9级的孔;密封性好且结构尺寸及承载能力更大的单列向心推力球轴承,适用于大型夹具,用预加载荷和调整间隙的办法可提高导向准确度,可用于加工IT7的孔;试制和研制批生产中可用球墨铸铁固定导套,或用于孔距小无法使用滚动导套的条件。

夹具体的设计要求:要有足够的刚度,一般采用铸铁件,可设计成盒形或半封闭结构,整体性好,其截面尺寸比一般钻模大0.5倍左右。大型夹具不得不采用焊件时,应设计整体架构式,用腹板及加强筋互相连接起来,增强结构刚性。夹具前引导下方必须有通孔,机床工作台也应具备过刀孔,为了降低夹具高度,增强系统刚性。夹具有供压板将夹具压紧在工作台的结构。试片装置的设计必须与工件的定位、夹紧、测量、装卸等机构同时设计,通盘考虑,并尽可能与工件相应机构共用。试片在夹具上安装后,应保证其待加工表面所处的位置与工件在夹具上定位后的相应待加工表面所处位置完全相同。试片夹紧可靠且不发生孔径向夹紧变形。当试片与产品安装、加工、测量等发生相互干涉时,试片装置允许设计成可卸式,但装卸要方便易行。

6.1.2 数控铣切夹具

数控铣切夹具加工准确度高,加工误差小于0.1mm,重复定位精度误差小于0.07mm。工序集中原则充分体现,除定位面外几乎所有能加工到的表面,尽可能一次定位加工完成。加工范围广,能铣切各种金属、非金属工件;能加工各种平面、曲线和各种曲面,能加工位置准确的孔。能加工多个相同的工件或互相对称的工件。

数控铣切夹具的设计基本原则:必须具备对刀点和找正基准面,用来找正和安装夹具。通过找正,将机床坐标系统和工件定位基准的空间关系确定下来,以保证加工面的位置准确度。对刀点和找正面可以是专门设计的,也可以借用夹具的定位基准和工艺基准。为满足工件多表面粗加工需要,夹紧装置通常采用快卸、可卸和三维可调整机构。应事先了解刀具运行预定的运行轨迹,夹具结构必须充分避让,以保证加工的安全。在确保夹具结构刚性前提下,应尽量降低夹具高度,保证机床有足够的垂标活动量。为提高效率,夹具应尽可能采用动力夹紧装置。

6.1.3 蜂窝铣切夹具

根据蜂窝芯材在夹具上固定方式的不同,蜂窝铣切夹具可分为三种形式。

第一种是双面粘结带铣切夹具。用双面粘结带,一面粘在蜂窝芯材上,另一面粘在夹具工作型面上。该方法加工方便,但固定力小,通常适用于加工纸蜂窝。夹具通常用厚18mm左右的铝板制造。发生少许变形时,可借助于螺栓在机床上安装时消除。一倍铣时铣切夹具为平面定位,二倍铣时定位面可按数学模型或样板制造。

第二种是聚乙二醇铣切夹具。利用聚乙二醇加热到70℃~90℃熔化和冷却到常温固化的特性,来固定蜂窝芯材于夹具型面上。该方法固定简便,适仅用于加工铝蜂窝芯材。

第三种是隔膜铣切夹具。用塑料胶片或玻璃纤维增强塑料制成的隔膜粘在蜂窝芯材定位面上,再利用真空和双面粘结带固定在夹具上,切削加工后将隔膜去掉。该方法粘结较费时,但固定可靠,用于铝或纸蜂窝。

6.2 组合夹具

组合夹具是在机床夹具元件通用化、标准化、系列化的基础上发展而来的新型夹具,它是由预先制造好的标准化夹具元件根据被加工工件的工序要求组装而成的。组合夹具灵活多变,元件长期重复使用。主要元件比其它形式的夹具零件具有高精度、高强度、高硬度、高耐磨性的特点,单个元件功能多样,并有安全互换性。按元件定位联接方式不同,组合夹具分成槽系组合夹具和孔系组合夹具两大类。

(1)槽系组合夹具元件之间的定位联接是采用高精度的槽、键定位,螺栓紧固。

(2)孔系组合夹具元件之间的定位联接是采用高精度的孔、销定位,螺栓紧固。

6.3 组合夹具与专用夹具区别

组合夹具元件周而复始使用的特点与专用夹具使用规律形成明显差异:

组合夹具的优点及缺点:

(1)组合夹具一般是为某一工件的某一工序组装的专用夹具,也可以组装成通用可调夹具或成组夹具。组合夹具适用于各类机床,但以钻模和车床夹具用得最多。

(2)组合夹具把专用夹具的设计、制造、使用、报废的单向过程变为组装、拆散、清洗入库、再组装的循环过程。可用几小时的组装周期代替几个月的设计制造周期,从而缩短了生产周期;节省了工时和材料,降低了生产成本;还可减少夹具库房面积,有利于管理。

(3)组合夹具的元件精度高、耐磨,并且实现了完全互换,元件精度一般为IT6~IT7级。用组合夹具加工的工件,位置精度一般可达IT8~IT9级,若精心调整,可以达到IT7级。

(4)由于组合夹具有很多优点,又特别适用于新产品试制和多品种小批量生产,所以近年来发展迅速,应用较广。组合夹具的主要缺点是体积较大,刚度较差,一次投资多,成本高,这使组合夹具的推广应用受到一定限制。

随着计算机技术,微电子技术,通信技术及传感器技术的不断发展,液压计算机复制测试系统(CAT),虚拟仪器技术等现代测试技术已经成为当今试验测试系统发展的方向,液压系统目前已经广泛应用于部队武器装备、民用设备、航空等领域中,液压系统的故障机理分析、状态监测与故障诊断技术也日趋成熟。但是对液压系统分析、监测与诊断技术需要到工程实践中进行可靠性试验,一般试验周期长,成本高。多功能液压试验台能模拟液压系统常见故障,加速设备运行,缩短试验周期,降低成本。同时缩短诊断理论技术到工程应用的时间。

试验工艺装备现有的制造依据是根据现行国家、行业、企业标准及相关的设计资料;经过生产实践验证、性能优越的试验工艺装备典型结构和相关资料;满足客户要求、结构合理、性能可靠、规避风险、使用安全、便于维护、简化操作。选择工装成品应具备合理性、必要性、经济性,稳定性。确定设计方案生成数据,并编制使用说明书。

7.1 液压系统的设计步骤

7.2 工况分析

根据机械机构和需求力矩选定液压执行元件。明确压力和流量参数即为液压系统的主要参数。未明确压力时,压力的选择要根据载荷大小而定。

7.3 制定基本方案

(1)控制液压执行元件的运动方向

(2)控制液压执行元件的运动速度

(3)制定压力控制方案

(4)制定顺序动作方案

(5)绘制液压系统图

7.4 主要液压元件的选择

7.4.1 液压泵的选择

(1)液压泵的压力确定:按大于液压缸或液压马达最大工作压力0.2-0.5MPa选取。

(2)液压泵的流量确定:按液压缸或液压马达最大流量的1.1-1.3倍选取。

(3)液压泵的驱动功率确定:

式中p--液压泵的最大工作压力(Pa);

q--液压泵的流量(m3/s);

η--液压泵的总效率;

(4)各种类型的液压泵可按经验选取;手动泵的额定压力要大于系统的工作压力,推把的推力不大于220N。手动泵每动一个循环输出的流量应不小于6ml,当系统需求流量值较大时选取大流量的手动泵。

7.4.2 液压阀的选择

(1)根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量选取。

(2)单向应根据系统功能要求选择适用的开启压力,应尽量低,以减小压力损失;做背压功能的单向阀开启压力较高,由背压值确定。

(3)溢流阀的流量按液压泵的最大流量选取。直动式溢流阀一般用于低压小流量工况,开启时有较大的震动,稳压性能差,灵敏度高,宜用于安全作用。先导式溢流阀一般用于高压大流量工况,开启时震动较小,稳压性能好,灵敏度低。低粘度介质(如燃油)时,不能选用先导式溢流阀。

(4)节流阀和调速阀选取时要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低定速度的要求。

(5)减压阀和顺序阀应根据系统的工作压力和流量合理选择通径。

(6)伺服阀和比例阀选取时,应保证稳定的控制压力或控制信号。

(7)换向阀选取时,选择滑阀的中位机能及位数和通数,人工操作时选用手动换向,自动操纵时选用液控换向阀、电控换向阀。常用手动换向阀按经验选取。

7.4.3 过滤器的选择

(1)根据使用目的、用途选择过滤器的种类,如吸油过滤器、回油过滤器、空气过滤器等,根据安装位置情况选择过滤器的安装形式,如管式、板式等。

(2)过滤器应具有足够大的通油能力,并且压力损失要小。

(3)过滤精度应满足液压系统或元件所需的污染度要求。

(4)过滤器的强度及压力损失是选择时重要因素,安装过滤器后会对系统造成局部压降或产生背压。

(5)滤芯的更换及清洗应方便。

(6)可更换滤芯的过滤器,在选型时明确滤芯型号,并落实到工装图样中。

(7)各种类型的过滤器可按经验选取。

7.4.4 蓄能器的选择

(1)根据其在液压系统中的功用,确定其类型和主要参数。

(2)液压执行元件短时间快速运动,由蓄能器来补充供油或作为应急能源:

V0—所需蓄能器的容积(m3);

VX--蓄能器的工作容积(m3);

P0--充气压力(Pa),按0.9P1>P0>0.25P2充气;

P1--系统最低压力(Pa);

P2--系统最高压力(Pa);

n--指数;等温时取n=1;绝热时取n=1.4;

(3)降低泵的脉动:

A--缸的有效面积(m3);

k--与泵有关的系数,见表4;

L一柱塞行程(m);

P0--充气压力(Pa),按系统工作压力的60%充气;

(4)吸收液压冲击:

m--管路中液体的总质量(kg);

V2--管中流速(m/s);

P0--充气压力(Pa),按系统工作压力的90%充气;

7.4.5 管道的选择

(1)管道内径计算:

q--通过管道内的流量(m3/s);

v--管中流速(m/s);

(2)管道壁厚计计算:

P--通过管道内的最大工作压力(Pa);

σb--材料的抗拉强度;

n--安全系数:钢管安全系数取值,计算出内径d和管道壁厚,按标准系列选取相应的管子。

7.4.6 油箱容积的的选择

可先按经验确定油箱容积:低压系统油箱容积为液压泵每分钟排出压力油的容积的(2-4)倍;中压系统油箱容积为液压泵每分钟排出压力油的容积的(5-7)倍。待系统确定后,再按散热的要求进行校核。还应考虑系统中最大可能充满油时,油箱剩余油量不低于最低限度。

7.5 液压系统性能验算

液压系统初步设计后,要进行性能验算。主要验算液压系统压力损失、液压系统发热功率、油箱散热功率。

7.5.1 液压系统发热功率验算:

(1)对于有执行元件的液压系统,液压系统的发热功率可统一计算为总输入功率与输出有效功率之差。总输入功率为所有液压泵的输出功率之和。输出有效功率为所有液压执行元件对外所做的功。

(2)对于循环、清洗、调试等功能的试验工艺装备,液压系统损失功率为管路沿程损失功率、管路局部损失功率和所有相关元件的损失功率之和。

(3)管路沿程损失功率:

λ--沿程阻力系数;

l--管道的长度(m);

d--管道内径(m);

v--液流平均速度(m/s)x;

p--液压油密度(kg/m3);

q--通过管道内的流量(m3/s);

当v<1.2m/s时,λ可按下式进行计算:

当v≥1.2m/s时,λ可按下式进行计算:

(4)管路局部损失功率为管路沿程损失功率的一半;

(5)单个阀类元件的损失功率按下式进行计算:

△p--阀的额定压力损失(Pa);

qv--通过阀的实际流量(m3/s);

qvn--阀的额定流量(m3/s);

q--通过管道内的流量(m3/s);

7.5.2 油箱散热功率的验算

(1)油箱散热面积按下式进行计算:

Ph--液压系统的发热功率(Pa);

△T--油温与环境温度之差(℃);

K--油箱散热系数;

(2)若油箱大小固定,可求出油温,即可判断出是否需要其他散热措施(如增加风冷却器,水冷却器等)。

7.6 编写技术文件

(1)液压系统完全确定后,要正规地绘制出液压系统图,编写技术文件,包括使用说明书等。

(2)液压系统管路中按需要设置取样点。

(3)选取管接头时,当系统压力小于28MPa时,可以选用航标74°锥连接密封;当系统压力大于28MPa时,推荐使用焊接式或法兰式连接密封。

(4)电机泵组底座设置弹性减震垫。

(5)外露的联轴器等应加防护罩,如钟形罩。

(6)液压泵的进油管路应短而直,避免拐弯过多、断面突变。

(7)液压泵进油口设置橡胶补偿接管,出口连接高压软管。燃油介质的液压系统连接件内表面不允许镀锌和镀镉。

7.7 气动系统的设计

气动系统的设计一般步骤

7.8 回路设计

(1)压力控制回路一般使用减压阀控制气源供给压力,利用安全阀或溢流阀控制系统输出压力;压力控制回路利用气源输出气体控制压力,利用气缸输出物理力。

(2)方向控制回路一般利用多位多通电磁阀控制气体流向,利用单、双作用气缸控制输出方向。

(3)速度控制回路多采用节流阀、单向节流阀、缓降阀等控制气体的流量,或控制排气的快慢。

(4)真空回路一般由真空发生器或真空泵结合真空吸盘组成。配合真空调压阀、真空开关、真空过滤器等可组合为一体化真空控制组件。

7.9 元件、辅件选用

(1)根据气动回路需要选择执行元件,包括确定气缸或气马达的类型、气缸的安装形式及具体结构尺寸和行程长度、密封形式、耗气量等。

(2)根据气动回路需要选择控制元件。一般控制阀的通径可按的工作压力与最大流量确定。减压阀的选择还应考虑压力调节范围。

(3)根据气动回路需要选择气动辅件。分水滤气器的通径原则由流量确定,并要和减压阀相同。在有气体排放的位置选择消音器。

7.10 管道选择设计

各段管道的直径可根据满足该段流量的要求,同时考虑和之前确定的控制元件通径相一致的原则确定。

7.11 系统压降验算

(1)压力损失可按经验值估算。

(2)气动系统设计时要牢记气体的可压缩性(如活塞杆受外力缩回导致回路压力陡升)。

(3)选取管接头,压力不大时推荐使用快速连接式,互换性好的接头。

(4)使用地面风做气源时,应设置分水滤气器,推荐使用气动二联件。

(5)当使用气缸作为执行元件时,只使用气体控制在某一指定位置停止是非常困难的,应避免出现这样的状况。

(6)真空发生器、气马达、气增压泵等具有较大的耗气量,避免使用气瓶作为气源,若非得如此,应计算耗气量。

7.12 验收

产品安装完毕,应根据设计图样、客户参数要求和本试验台的相关的技术规范进行检验并验收。

除以上各种主要工艺装备外,辅助工艺装备不再详细介绍。

目前各类工艺装备所占比例如下图:

图2.8 目前工艺装备分类比例(按产值)

(本文未完待续,更多精彩内容,敬请期待下次分享……)

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