熱成形高溫?fù)Q模系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

許詩(shī)怡 鄧忠林 劉 春

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，沈陽(yáng) 110135）

鈦合金鈑金件在飛機(jī)零部件中占有很大份額。其中，高溫、等溫?zé)釅撼尚渭夹g(shù)為鈦合金鈑金零件成形的主要工藝方法[1-2]。飛機(jī)上鈦合金鈑金件生產(chǎn)批量小、結(jié)構(gòu)種類(lèi)多，導(dǎo)致在熱成形過(guò)程中高溫成形模具需頻繁更換。目前，航企高溫更換模具仍采用傳統(tǒng)人工卸模方式，模具的升溫、降溫均在熱成形機(jī)內(nèi)完成，自動(dòng)化程度低，設(shè)備有效利用率低，工人工作安全性差，且易因操作不當(dāng)發(fā)生事故。

1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)多家企業(yè)嘗試改進(jìn)熱成形換模方式。張銀菊、周青梅等人嘗試使用軌道換摸車(chē)更換模具，即吊車(chē)將模具吊至換模車(chē)上，換模車(chē)沿地軌移動(dòng)將模具送入熱成形機(jī)中[3]。該方式雖解決了人工操作更換模具的問(wèn)題，但換模車(chē)運(yùn)動(dòng)路徑十分受限。此外，生產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)各設(shè)備均需呈線(xiàn)形排列，且軌道占用廠(chǎng)房空間，有待改進(jìn)。現(xiàn)階段熱成形生產(chǎn)系統(tǒng)高溫模具裝卸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是由人工換模式、軌道式向以AGV 自動(dòng)導(dǎo)引技術(shù)為代表的無(wú)軌式裝卸方式發(fā)展[4]。徐超、陸征祺等人設(shè)計(jì)采用換模小車(chē)搭配載模平臺(tái)更換模具[5]，但在換模前需手動(dòng)對(duì)接安裝換模小車(chē)與載模平臺(tái)，對(duì)接過(guò)程較為煩瑣且最大升降行程較小，適用范圍較小。潘地磊、范如明等人研發(fā)出一款快速換模裝置，主要由換模小車(chē)、左右模架庫(kù)、上模提升裝置以及換模臂等結(jié)構(gòu)組成[6]，雖可提高生產(chǎn)效率，但需對(duì)現(xiàn)有廠(chǎng)房及設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模改造，成本較高，并不適合實(shí)際生產(chǎn)情況。

針對(duì)國(guó)內(nèi)某航企現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)實(shí)際情況，本文在借鑒國(guó)外現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種集模具預(yù)定位臺(tái)、升溫爐、熱成形機(jī)、降溫爐以及高溫?fù)Q模車(chē)為一體的鈦合金熱成形的系統(tǒng)換模方案。該方案給出了一套完整的高溫下模具拆卸、更換流程，可實(shí)現(xiàn)模具在常溫狀態(tài)下的預(yù)調(diào)整。隨后采用麥克納姆輪全向智能叉車(chē)運(yùn)送模具，以確保模具經(jīng)過(guò)升溫環(huán)節(jié)后再次運(yùn)輸仍能保證其定位準(zhǔn)確，以實(shí)現(xiàn)在常溫下便可預(yù)先控制模具在熱成形機(jī)內(nèi)的位置和不必在高溫下進(jìn)行模具調(diào)整的目的。

2 熱成形換模方案設(shè)計(jì)

2.1 換模總體方案及系統(tǒng)組成

鈦合金熱成形系統(tǒng)由模具預(yù)定位臺(tái)、降溫爐、升溫爐、熱成形機(jī)、高溫?fù)Q模系統(tǒng)以及主控制臺(tái)系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)及設(shè)備組成，如圖1 所示。

2.1.1 模具預(yù)定位臺(tái)

模具預(yù)定位臺(tái)用以調(diào)整剛從庫(kù)房運(yùn)出的模具位置。預(yù)定位臺(tái)臺(tái)面設(shè)有與熱成形機(jī)工作平臺(tái)相同的T 型槽，調(diào)整模具與預(yù)定位臺(tái)T 型槽對(duì)齊。此位置為模具在熱成形機(jī)平臺(tái)的位置，隨后換模車(chē)運(yùn)送模具。通過(guò)模具預(yù)定位臺(tái)可實(shí)現(xiàn)模具在常溫狀態(tài)下的預(yù)調(diào)整，并確定模具在熱成形機(jī)工作平臺(tái)上的位置。

2.1.2 降溫爐和升溫爐

降溫爐和升溫爐用以分擔(dān)模具升、降溫占用熱成形機(jī)的時(shí)間，使升、降溫工作均在熱成形機(jī)外完成，提高熱成形機(jī)利用率。降溫爐用來(lái)放置從熱成形機(jī)中剛卸下的高溫模具，此時(shí)保溫門(mén)關(guān)閉，待溫度降到一定程度后保溫門(mén)打開(kāi)，模具自然冷卻，隨后由換模車(chē)取出運(yùn)送回模具預(yù)定位臺(tái)等待入庫(kù)。升溫爐用來(lái)對(duì)即將投入使用的模具進(jìn)行預(yù)加熱，待模具升溫至500℃左右，由換模車(chē)取出運(yùn)送至熱成形機(jī)。

圖1 鈦合金熱成形系統(tǒng)模型

2.1.3 熱成形機(jī)

熱成形機(jī)根據(jù)待加工的鈦合金板材所需的成形溫度，對(duì)預(yù)熱后的模具進(jìn)行后續(xù)加熱，并在達(dá)到成形所需溫度后進(jìn)行板件的熱成形。

2.1.4 換模車(chē)

換模車(chē)采用麥克納姆輪全向智能叉車(chē)運(yùn)輸模具。該車(chē)定位精度可達(dá)到±1mm，可保證模具送至熱成形機(jī)平臺(tái)時(shí)位置準(zhǔn)確。

2.2 模具對(duì)正原理

模具在完成預(yù)定位后，換模車(chē)行駛至預(yù)定位臺(tái)前，調(diào)整夾持臂與預(yù)定位臺(tái)T 型槽平行、換模車(chē)中心位置對(duì)準(zhǔn)預(yù)定位臺(tái)中心。隨后換模車(chē)前行抬起模具，系統(tǒng)記錄此時(shí)模具、預(yù)定位臺(tái)平臺(tái)與換模車(chē)三者的相對(duì)位置。換模車(chē)將模具運(yùn)往升溫爐及熱成形機(jī)期間，均保證模具、平臺(tái)與換模車(chē)三者相對(duì)位置不變，同時(shí)保證每次均抬放在相同位置，以確保模具運(yùn)送至熱成形機(jī)時(shí)位置準(zhǔn)確而無(wú)需在高溫下進(jìn)行復(fù)雜的模具對(duì)正過(guò)程。

2.3 換模工作流程

高溫?fù)Q模工作流程包括裝模流程和卸模流程兩部分。換模過(guò)程均采用麥克納姆輪全向智能叉車(chē)運(yùn)送模具。

2.3.1 裝模過(guò)程

裝模過(guò)程起始于模具預(yù)定位臺(tái)。模具預(yù)定位后，由換模車(chē)將已完成預(yù)定位的模具取走，運(yùn)送至升溫爐升溫。升溫爐將模具溫度升至500℃左右，由換模車(chē)將高溫模具取出，運(yùn)送至熱成形機(jī)工作平臺(tái)上，隨后退出熱成形機(jī)，至此裝模過(guò)程全部完成。

2.3.2 卸模過(guò)程

零件全部成形完畢后，換模車(chē)將高溫模具取出運(yùn)送至降溫爐。模具降溫完畢后由換模車(chē)取出送至預(yù)定位臺(tái)等待入庫(kù)，至此卸模過(guò)程全部完成。

3 高溫?fù)Q模車(chē)結(jié)構(gòu)組成

換模車(chē)采用麥克納姆輪全向智能叉車(chē)。基于麥克納姆輪技術(shù)的全方位移動(dòng)叉車(chē)，4 個(gè)麥克納姆輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，在不同轉(zhuǎn)向和速度的配合下實(shí)現(xiàn)任意方向直行、繞中心自轉(zhuǎn)以及前后實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向行駛的全方位運(yùn)動(dòng)。麥輪車(chē)采用無(wú)軌道式換模，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由程序精確控制，定位精度可達(dá)±1mm，可實(shí)現(xiàn)模具從預(yù)定位臺(tái)至升溫爐再至熱成形機(jī)的流程內(nèi)各環(huán)節(jié)的精確定位，保證裝模流程內(nèi)各環(huán)節(jié)相互協(xié)調(diào)。基于麥克納姆輪的換模車(chē)在提高保障效率、增加空間利用率、降低人力成本以及保障運(yùn)輸安全等方面效果明顯。

3.1 高溫?fù)Q模車(chē)主體結(jié)構(gòu)選取

高溫?fù)Q模車(chē)作為鈦合金熱成形生產(chǎn)線(xiàn)的關(guān)鍵設(shè)備，其功能參數(shù)需與鈦合金熱成形機(jī)工作情況相適應(yīng)。結(jié)合熱成形機(jī)的現(xiàn)有生產(chǎn)情況，換模車(chē)可選用市面上某現(xiàn)有的全向智能移動(dòng)叉車(chē)產(chǎn)品，如圖2 所示。

圖2 麥克納姆輪叉車(chē)

3.2 高溫?fù)Q模車(chē)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

上述換模車(chē)適用于工作在常溫下，需對(duì)其進(jìn)行局部設(shè)計(jì)和改裝，以適應(yīng)高溫下的工作狀態(tài)，如圖3 所示。

圖3 麥克納姆輪叉車(chē)

裝卸模具過(guò)程中換模車(chē)直接處于高溫環(huán)境，其門(mén)架結(jié)構(gòu)中的有效潤(rùn)滑至關(guān)重要。將原本的普通潤(rùn)滑油替換為石墨高溫聚合脂進(jìn)行潤(rùn)滑，工作溫度范圍為-28 ～800℃。石墨高溫聚合脂具有更好的高溫性和抗氧化穩(wěn)定性，承載能力強(qiáng)且潤(rùn)滑效果好。

門(mén)架上的相關(guān)電子元器件和多個(gè)液壓油缸在高溫下工作狀態(tài)不穩(wěn)定、易失效，故使用高硅氧玻璃纖維隔熱套進(jìn)行高溫隔熱防護(hù)。高硅氧玻璃纖維隔熱套耐高溫性能、隔熱性能好，可長(zhǎng)期在1000℃環(huán)境下使用。

高溫模具室溫下驟冷易導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂紋，故在門(mén)架叉架前加裝隔熱罩，一則減少空氣流通，避免模具長(zhǎng)時(shí)間與空氣接觸，二則避免模具產(chǎn)生的熱輻射使周?chē)鷾囟瓤焖偕摺Ｔ摳魺嵴钟? 塊隔熱板拼接而成。隔熱板采用雙層石英玻璃，中間真空結(jié)構(gòu)，可阻擋大部分熱量傳遞，具有較好的隔熱效果。

換模車(chē)靠近熱成形機(jī)時(shí)，高溫空氣易灼傷駕駛?cè)藛T，且駕駛室內(nèi)的電子設(shè)備無(wú)法在高溫下正常運(yùn)行，因此需在駕駛室外設(shè)置隔熱板。隔熱板同樣采用雙層石英玻璃、中間真空的結(jié)構(gòu)。

換模車(chē)夾持臂直接與高溫模具接觸，因此需單獨(dú)設(shè)計(jì)夾持臂的結(jié)構(gòu)與材料。夾持臂為掛鉤型整體式貨叉，選用牌號(hào)為K403 的鎳基鑄造高溫合金，具有較高的高溫強(qiáng)度。

4 換模方案仿真驗(yàn)證

本文使用DELMIA 軟件進(jìn)行三維可視化的熱成形高溫?fù)Q模仿真。仿真驗(yàn)證工作在DPM 模塊中進(jìn)行，利用已有的換模工藝流程信息、產(chǎn)品信息和資源信息，定義好每個(gè)零件、設(shè)備的運(yùn)行路徑，實(shí)現(xiàn)模具裝卸和模具運(yùn)輸過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)仿真、碰撞干涉檢測(cè)及人機(jī)任務(wù)仿真等工作，以檢驗(yàn)該換模方案與模具連接方案的合理性與可行性。

4.1 換模流程仿真

4.1.1 建立虛擬仿真環(huán)境

進(jìn)入DPM Assembly Process Simulation 仿真模塊，將已建好的產(chǎn)品和資源的三維數(shù)模導(dǎo)入環(huán)境并確定其位置，包括模具預(yù)定位臺(tái)、降溫爐、升溫爐、熱成形機(jī)以及高溫?fù)Q模車(chē)等。

4.1.2 創(chuàng)建Process Library 文件

根據(jù)熱成形系統(tǒng)的高溫?fù)Q模工作流程，設(shè)計(jì)相應(yīng)的工藝流程文件，將Process Library 文件加載到PPR 結(jié)構(gòu)樹(shù)上。

4.1.3 創(chuàng)建動(dòng)作流程

在已劃分好的工藝流程上分別添加與各工藝步驟對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。PERT 圖表中可將動(dòng)作流程可視化，可調(diào)整動(dòng)作的順序和并列關(guān)系。

4.1.4 仿真運(yùn)行

完成一系列動(dòng)作設(shè)定后，運(yùn)行高溫?fù)Q模系統(tǒng)仿真流程。以拆卸模具和取出模具的過(guò)程為例，模擬仿真效果如圖4所示。

圖4 拆卸模具及取出模具模擬仿真過(guò)程

4.2 干涉檢測(cè)

換模過(guò)程中可能存在的相互碰撞和干涉的位置，包括換模車(chē)伸入熱成形機(jī)取模時(shí)門(mén)架、叉架、夾持臂、隔熱框與熱成形機(jī)保溫門(mén)、上平臺(tái)以及滑塊之間，以及模具被夾持臂抬出熱成形機(jī)時(shí)模具與連接裝置之間。這些位置發(fā)生干涉可導(dǎo)致裝模、卸模過(guò)程無(wú)法順利進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)易造成換模車(chē)、模具及熱成形機(jī)的損壞，導(dǎo)致發(fā)生生產(chǎn)事故。經(jīng)驗(yàn)證，夾持臂伸入熱成形機(jī)取模時(shí)，上述部位只有夾持臂與模具間的相互接觸。該接觸為合理接觸，此外無(wú)碰撞發(fā)生。

4.3 人機(jī)任務(wù)仿真

換模過(guò)程中需確保換模車(chē)的隔熱板、門(mén)架、叉架以及隔熱框等均不會(huì)阻礙工作人員視野和工作。在運(yùn)行仿真流程前切換至Human Task Simulation 模塊，打開(kāi)工作人員視野窗口。經(jīng)分析，上述結(jié)構(gòu)均不會(huì)阻礙工作人員視野。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)高溫?zé)岢尚蔚纳a(chǎn)現(xiàn)狀，本文提出了適合現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)情況的先進(jìn)的高溫?fù)Q模技術(shù)方案。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)模具在常溫下位置的預(yù)調(diào)整、在進(jìn)入熱成形機(jī)前的預(yù)加熱、高溫模具在熱成形機(jī)外的輔助降溫，且換模方式更安全、高效，廠(chǎng)房設(shè)備布局靈活且節(jié)省空間，具有一定的優(yōu)越性。該技術(shù)方案的提出為高溫?fù)Q模技術(shù)的發(fā)展提供了研究思路及經(jīng)驗(yàn)參考，具有一般性、通用性以及先進(jìn)性。