面向柔性大面積空間扭轉曲面產品模具設計

崔陽文,吳道勛,黃安畏,唐晶晶,劉 鵬,韋 禹,蔣儒軼

(西南技術工程研究所,重慶 400039)

隨著新材料和新技術的高速發展,復合材料制品種類及其制造工藝不斷創新[1]。大面積柔性復合材料被廣泛應用于飛機蒙皮、異形曲面襯層和深海探測裝備的關鍵部位,有力支撐了國家重大工程裝備和重點武器的發展,在軍用和民用裝備中發揮著重要的作用[2-3]。各式裝備在設計時考慮因素較多,例如新型航空飛行器的蒙皮、防護罩等零部件在設計時不僅需要考慮氣動特性等影響,還要考慮機身零部件為應對振動和外力所需的強度。為了滿足現今苛刻的氣動要求,此類零部件外形常設計為空間扭轉曲面;為了保證復合材料制品裝配強度,零部件安裝接口通常較多,精度要求高,而且需要在制作后進行抗振動強度校核試驗[4]。所以,如何保障柔性大面積空間扭轉曲面產品的制造成形和安裝接口準確加工成為影響產品質量的關鍵因素。在制造類似產品時,常利用成形和鉆孔模具來保證產品精度[5-6],但大面積曲面產品成形與鉆孔模具的制造面臨著曲面法向孔三軸機床難以準確加工的問題,若采用五軸機床加工,又面臨著大型五軸機床數量少、排期長和費用高的困難[7]。若零部件要求進行振動試驗考核時,研發人員還需同時考慮振動工裝的設計與加工,這將進一步延長加工周期,增加開模費用。

本文基于某柔性大面積空間扭轉曲面產品的研發,針對目前一體化成型制造和振動試驗工裝模具開模費用昂貴、定位孔加工困難和制造周期長的問題,應用CATIA等三維設計軟件設計了一種大面積空間扭轉曲面的模具。通過布置轉換件,該模具可兼顧振動工裝,大幅度減少開模時間和費用,降本增效的同時為柔性大面積扭轉曲面產品開模提供模具設計思路。

1 工藝分析

1.1 產品外形與接口要求

產品曲面如圖1所示,外形最大尺寸為1 309 mm×710 mm×505 mm,產品厚度為10 mm,整體外形是空間扭轉曲面,安裝孔直徑為7 mm,產品為柔性體,制造時需要運用模具保證產品的成形和安裝孔位的定位,產品安裝孔法線均需要垂直于曲面,位置度要求±0.2 mm。

a) 曲面軸側圖1

b) 曲面軸測圖2圖1 產品曲面

1.2 工藝難點

依據產品外形和接口基本要求,該柔性產品加工工藝難點有5個方面:1)產品是大面積空間扭轉曲面,凹凸模具如何保證其準確成形;2)產品安裝孔法線要求垂直于曲面,該曲面為扭轉曲面,安裝孔如何準確定位與加工;3)考慮其作為振動工裝時,如何設計產品的安裝轉接,從而使模具從鉆模轉換為振動工裝;4)高強度振動環境下模具與轉接板、振動臺的高強度連接;5)作為鉆模時,定位孔的耐磨度要求較高。

2 大面積扭轉曲面模具設計與加工

2.1 設計原則

因產品批量生產時,要求厚度均勻,產品之間互換性好,所以對模具的外形曲面和定位接口有較高的要求;其次,模具作為振動工裝時,要求零部件本身和相互連接后均具有較好的強度。因此,模具在設計時應遵循如下原則:1)凹凸模之間的間隙應保持較高的均勻度,模具與產品接觸面粗糙度應小于3.2 μm;2)應慎重考慮模具加工方法,以保證模具表面形狀和接口的準確性;3)設計合適的轉接件,確保振動時產品安裝穩定;4)零部件之間選擇合適的裝配形式與連接關系,以保證在高強度振動試驗時的穩定性;5)定位孔要求較強耐磨性能和模具輕量化。

2.2 模具結構

由上述分析可知,產品模具主要包含凸模、凹模、轉接件、連接板和支撐梁等5個主要零部件,具體結構如圖2所示。模具整體制造材料為7075鋁合金,材料參數見表1。

表1 7075鋁合金材料參數

為解決上述5個工藝難點,采取如下措施:1)凸模和凹模直接與產品接觸的面采用同樣的空間扭轉曲面,且凸模和凹模可通過定位座上的定位銷進行定位緊固,然后通過螺栓固定,確保凹凸模之間間隙均勻,保證產品的成形精度;2)通過分型設計,獨立加工凸模和凹模上的曲面法向孔,然后再進行裝配,保證孔位精度;3)凸模上的孔為階梯孔,階梯高度為3 mm,轉接件通過螺栓裝配在凸模上,裝配上轉接件后可將產品安裝至凸模,從而將模具轉化為振動工裝;4)凸模下腹部設計有2個寬40 mm的加強筋和4件支撐梁,確保其在振動環境下的強度,轉接板通過多顆螺栓和面接觸與凸模、振動試驗臺緊固裝配,保證工裝在3個方向振動試驗時的連接緊固性;5)定位孔保護套通過螺紋和金屬專用膠與凸模、凹模緊固螺接,保護套采用超耐磨材料,保證工裝作為鉆模時的耐磨度。

2.3 模具加工、裝配和精度檢測

2.3.1 模具加工與裝配

模具加工成形方法對于小體積零部件而言相對容易,但此次凹模、凸模體積較大,高精度加工制造難度很高。同時因為孔位均在曲面上,普通三軸龍門機床無法準確找到法線,孔位加工難度較大,若采用大型五軸機床鉆孔,加工費用昂貴。

為保證產品曲面成形的完整性和振動環境下的工裝強度,凹模與凸模采用整體制造,常見的大體積整體制造方法有兩種:一是通過鑄造形成基本外形,然后進行精車,最后通過光面完成曲面加工;二是通過鍛打小體積原材料形成大體積的鋁塊,通過開粗、精車和光面的減材制造加工方法進行加工。因鑄造加工周期較長,為縮短加工時間,選擇第2種方法加工凹模和凸模。

為克服大型五軸機床數量少、排期長和加工費用昂貴問題,此次模具設計時在結構上進行了改進,改進后僅用常規三軸機床便可以完成定位孔精確加工,改進后結構如圖3所示。通過結構分型,將定位孔包含在邊長35 mm的方形內,將定位孔加工為直徑為10 mm和15 mm的階梯孔,并加工內螺紋。同時采用高錳鋼加工外徑為10 mm、內徑為7mm的外螺紋鋼套,并將鋼套進行淬火,提高表面耐磨度。鋼套通過螺紋與定位孔連接,然后通過金屬專用膠和過盈配合將連接好鋼套的長方體嵌入凸模和凹模分型位置。

a) 模具曲面單獨開方形槽

b) 獨立加工后裝配圖3 曲面法向開孔結構

為加強在振動環境下的裝配穩定性,轉接件上沿安裝于階梯孔內,下端通過墊片和螺母與凸模下表面裝配。此時轉接件不僅可以安裝柔性產品進行振動試驗,還可加固分型部分的裝配強度,確保試驗安全穩定地進行。

2.3.2 模具加工精度檢測

因產品接口精度要求,加工后的定位孔曲面中心點位置度應在±0.2 mm的范圍內,所以加工完成后需要對模具孔位進行精度檢測。三坐標檢測在工業檢測中有廣泛的應用,其強大的測量技術可以實現高效率、高精度和自動化測量,可以評定復雜形狀表面輪廓尺寸的加工精度[8-10]。所以此次采用三坐標對定位孔和曲面隨機取點進行檢測,三坐標檢測如圖4所示,凸模選取點位如圖5所示,部分檢測結果見表2。檢測結果表明,模具加工方法設計合理,模具加工精度滿足要求,模具可用于產品生產。

圖4 凹模三坐標檢測

a) 模具點位選取1

b) 模具點位選取2

c) 模具點位選取3

d) 模具點位選取4圖5 凸模三坐標選取點位

3 模具試驗驗證

3.1 產品成型驗證

為驗證模具結構合理性,通過下料、鋪層、合模和封邊等工藝,對柔性大面積空間扭轉曲面產品進行試生產。結果表明:產品表面平整、美觀,成形質量高,外形與設計相符,驗證了模具結構和工藝方法的合理性。

3.2 振動試驗驗證

將轉接件安裝在凸模接口位置,緊固螺栓,再通過螺栓將產品安裝在凸模上,最后將工裝安裝在振動試驗臺。試驗時分別在3個軸向進行48 h振動試驗,試驗結束后,振動工裝部分接口狀態如圖6所示,振動工裝各安裝接口和零部件連接無松動和變形,工裝整體未見形變。結果表明:振動工裝連接結構合理,強度滿足要求。

4 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)通過對柔性大面積空間扭轉曲面產品的特征和結構進行分析,開發設計了一種新型模具,實現了制造模具與振動工裝互用,大幅度減少了開模費用和加工周期,實現了降本增效。

2)通過對模具局部結構的特殊設計,利用三軸機床便可較好地解決復雜空間扭轉曲面法向孔的加工問題,該設計方法可應用于航空、艦船和軍用車輛等領域的曲面法向孔加工。

3)通過易損件設計原則,選用高強度耐磨材料制造定位孔保護套,在實現模具整體輕量化的同時,提升模具作為鉆模時的耐磨度。

4)設計方法能夠為各式飛行器蒙皮、異形柔性內襯和其他類似柔性空間扭轉曲面產品的模具設計提供新思路,特別是模具需要同時作為鉆模、靠模和振動工裝的使用場景,不僅可以降低經濟成本,縮短研發周期,而且可以大幅降低因重復利用減材制造加工方法導致的資源浪費,具有較高的社會效益。