面向柔性大面积空间扭转曲面产品模具设计

崔阳文,吴道勋,黄安畏,唐晶晶,刘 鹏,韦 禹,蒋儒轶

(西南技术工程研究所,重庆 400039)

随着新材料和新技术的高速发展,复合材料制品种类及其制造工艺不断创新[1]。大面积柔性复合材料被广泛应用于飞机蒙皮、异形曲面衬层和深海探测装备的关键部位,有力支撑了国家重大工程装备和重点武器的发展,在军用和民用装备中发挥着重要的作用[2-3]。各式装备在设计时考虑因素较多,例如新型航空飞行器的蒙皮、防护罩等零部件在设计时不仅需要考虑气动特性等影响,还要考虑机身零部件为应对振动和外力所需的强度。为了满足现今苛刻的气动要求,此类零部件外形常设计为空间扭转曲面;为了保证复合材料制品装配强度,零部件安装接口通常较多,精度要求高,而且需要在制作后进行抗振动强度校核试验[4]。所以,如何保障柔性大面积空间扭转曲面产品的制造成形和安装接口准确加工成为影响产品质量的关键因素。在制造类似产品时,常利用成形和钻孔模具来保证产品精度[5-6],但大面积曲面产品成形与钻孔模具的制造面临着曲面法向孔三轴机床难以准确加工的问题,若采用五轴机床加工,又面临着大型五轴机床数量少、排期长和费用高的困难[7]。若零部件要求进行振动试验考核时,研发人员还需同时考虑振动工装的设计与加工,这将进一步延长加工周期,增加开模费用。

本文基于某柔性大面积空间扭转曲面产品的研发,针对目前一体化成型制造和振动试验工装模具开模费用昂贵、定位孔加工困难和制造周期长的问题,应用CATIA等三维设计软件设计了一种大面积空间扭转曲面的模具。通过布置转换件,该模具可兼顾振动工装,大幅度减少开模时间和费用,降本增效的同时为柔性大面积扭转曲面产品开模提供模具设计思路。

1 工艺分析

1.1 产品外形与接口要求

产品曲面如图1所示,外形最大尺寸为1 309 mm×710 mm×505 mm,产品厚度为10 mm,整体外形是空间扭转曲面,安装孔直径为7 mm,产品为柔性体,制造时需要运用模具保证产品的成形和安装孔位的定位,产品安装孔法线均需要垂直于曲面,位置度要求±0.2 mm。

a) 曲面轴侧图1

b) 曲面轴测图2图1 产品曲面

1.2 工艺难点

依据产品外形和接口基本要求,该柔性产品加工工艺难点有5个方面:1)产品是大面积空间扭转曲面,凹凸模具如何保证其准确成形;2)产品安装孔法线要求垂直于曲面,该曲面为扭转曲面,安装孔如何准确定位与加工;3)考虑其作为振动工装时,如何设计产品的安装转接,从而使模具从钻模转换为振动工装;4)高强度振动环境下模具与转接板、振动台的高强度连接;5)作为钻模时,定位孔的耐磨度要求较高。

2 大面积扭转曲面模具设计与加工

2.1 设计原则

因产品批量生产时,要求厚度均匀,产品之间互换性好,所以对模具的外形曲面和定位接口有较高的要求;其次,模具作为振动工装时,要求零部件本身和相互连接后均具有较好的强度。因此,模具在设计时应遵循如下原则:1)凹凸模之间的间隙应保持较高的均匀度,模具与产品接触面粗糙度应小于3.2 μm;2)应慎重考虑模具加工方法,以保证模具表面形状和接口的准确性;3)设计合适的转接件,确保振动时产品安装稳定;4)零部件之间选择合适的装配形式与连接关系,以保证在高强度振动试验时的稳定性;5)定位孔要求较强耐磨性能和模具轻量化。

2.2 模具结构

由上述分析可知,产品模具主要包含凸模、凹模、转接件、连接板和支撑梁等5个主要零部件,具体结构如图2所示。模具整体制造材料为7075铝合金,材料参数见表1。

表1 7075铝合金材料参数

为解决上述5个工艺难点,采取如下措施:1)凸模和凹模直接与产品接触的面采用同样的空间扭转曲面,且凸模和凹模可通过定位座上的定位销进行定位紧固,然后通过螺栓固定,确保凹凸模之间间隙均匀,保证产品的成形精度;2)通过分型设计,独立加工凸模和凹模上的曲面法向孔,然后再进行装配,保证孔位精度;3)凸模上的孔为阶梯孔,阶梯高度为3 mm,转接件通过螺栓装配在凸模上,装配上转接件后可将产品安装至凸模,从而将模具转化为振动工装;4)凸模下腹部设计有2个宽40 mm的加强筋和4件支撑梁,确保其在振动环境下的强度,转接板通过多颗螺栓和面接触与凸模、振动试验台紧固装配,保证工装在3个方向振动试验时的连接紧固性;5)定位孔保护套通过螺纹和金属专用胶与凸模、凹模紧固螺接,保护套采用超耐磨材料,保证工装作为钻模时的耐磨度。

2.3 模具加工、装配和精度检测

2.3.1 模具加工与装配

模具加工成形方法对于小体积零部件而言相对容易,但此次凹模、凸模体积较大,高精度加工制造难度很高。同时因为孔位均在曲面上,普通三轴龙门机床无法准确找到法线,孔位加工难度较大,若采用大型五轴机床钻孔,加工费用昂贵。

为保证产品曲面成形的完整性和振动环境下的工装强度,凹模与凸模采用整体制造,常见的大体积整体制造方法有两种:一是通过铸造形成基本外形,然后进行精车,最后通过光面完成曲面加工;二是通过锻打小体积原材料形成大体积的铝块,通过开粗、精车和光面的减材制造加工方法进行加工。因铸造加工周期较长,为缩短加工时间,选择第2种方法加工凹模和凸模。

为克服大型五轴机床数量少、排期长和加工费用昂贵问题,此次模具设计时在结构上进行了改进,改进后仅用常规三轴机床便可以完成定位孔精确加工,改进后结构如图3所示。通过结构分型,将定位孔包含在边长35 mm的方形内,将定位孔加工为直径为10 mm和15 mm的阶梯孔,并加工内螺纹。同时采用高锰钢加工外径为10 mm、内径为7mm的外螺纹钢套,并将钢套进行淬火,提高表面耐磨度。钢套通过螺纹与定位孔连接,然后通过金属专用胶和过盈配合将连接好钢套的长方体嵌入凸模和凹模分型位置。

a) 模具曲面单独开方形槽

b) 独立加工后装配图3 曲面法向开孔结构

为加强在振动环境下的装配稳定性,转接件上沿安装于阶梯孔内,下端通过垫片和螺母与凸模下表面装配。此时转接件不仅可以安装柔性产品进行振动试验,还可加固分型部分的装配强度,确保试验安全稳定地进行。

2.3.2 模具加工精度检测

因产品接口精度要求,加工后的定位孔曲面中心点位置度应在±0.2 mm的范围内,所以加工完成后需要对模具孔位进行精度检测。三坐标检测在工业检测中有广泛的应用,其强大的测量技术可以实现高效率、高精度和自动化测量,可以评定复杂形状表面轮廓尺寸的加工精度[8-10]。所以此次采用三坐标对定位孔和曲面随机取点进行检测,三坐标检测如图4所示,凸模选取点位如图5所示,部分检测结果见表2。检测结果表明,模具加工方法设计合理,模具加工精度满足要求,模具可用于产品生产。

图4 凹模三坐标检测

a) 模具点位选取1

b) 模具点位选取2

c) 模具点位选取3

d) 模具点位选取4图5 凸模三坐标选取点位

3 模具试验验证

3.1 产品成型验证

为验证模具结构合理性,通过下料、铺层、合模和封边等工艺,对柔性大面积空间扭转曲面产品进行试生产。结果表明:产品表面平整、美观,成形质量高,外形与设计相符,验证了模具结构和工艺方法的合理性。

3.2 振动试验验证

将转接件安装在凸模接口位置,紧固螺栓,再通过螺栓将产品安装在凸模上,最后将工装安装在振动试验台。试验时分别在3个轴向进行48 h振动试验,试验结束后,振动工装部分接口状态如图6所示,振动工装各安装接口和零部件连接无松动和变形,工装整体未见形变。结果表明:振动工装连接结构合理,强度满足要求。

4 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)通过对柔性大面积空间扭转曲面产品的特征和结构进行分析,开发设计了一种新型模具,实现了制造模具与振动工装互用,大幅度减少了开模费用和加工周期,实现了降本增效。

2)通过对模具局部结构的特殊设计,利用三轴机床便可较好地解决复杂空间扭转曲面法向孔的加工问题,该设计方法可应用于航空、舰船和军用车辆等领域的曲面法向孔加工。

3)通过易损件设计原则,选用高强度耐磨材料制造定位孔保护套,在实现模具整体轻量化的同时,提升模具作为钻模时的耐磨度。

4)设计方法能够为各式飞行器蒙皮、异形柔性内衬和其他类似柔性空间扭转曲面产品的模具设计提供新思路,特别是模具需要同时作为钻模、靠模和振动工装的使用场景,不仅可以降低经济成本,缩短研发周期,而且可以大幅降低因重复利用减材制造加工方法导致的资源浪费,具有较高的社会效益。