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    復合材料構件成型模具設計方法

    放大字體  縮小字體 發布日期:2014-06-20  來源:南京航空航天大學機電學院  作者:李桂東 周來水  瀏覽次數:551
    核心提示:樹脂基纖維增強復合材料構件成型模具根據其材料可分為金屬模和復合材料模, 金屬模利用數控加工方式制造, 復合材料模利用過渡模鋪帖成型, 因其特殊的結構和工藝性, 其設計過程和方法有別于普通的機械零件成型模具。本文分析了復合材料構件模具結構及現有設計存在的問題, 采用數字化設計的方法和流程, 解決了成型曲面的可加工性檢測、成型曲面的整體偏置以及模具支架的參數化設計等關鍵技術, 開發了相應的設計系統。
      復合材料是一種具有高強度、高剛性以及具有良好的抗疲勞性、抗腐蝕性等一系列優點的新型材料, 已經廣泛應用于航空航天企業。在國內飛機制造業中, 復合材料構件的設計制造大多仍沿用傳統的模擬量尺寸傳遞體系。隨著計算機技術的發展,數字化設計技術在飛機制造領域備受關注, 國內航空企業雖然對利用數字化技術實現“無紙化”生產進行了相應的摸索和實踐 , 但與國外相比還存在一定的差距, 美國波音公司在波音777 型飛機型號研制中采用數字化技術, 使研制周期縮短50%, 出錯返工率減少75%, 成本降低25%, 已經成為數字化設計制造技術在飛機研制中應用的標志和里程碑。

      模具是復合材料構件制造用的主要工藝裝備,用以確定制件形狀、結構關系、控制外緣和獲得良好的表面質量, 在模具上完成復合材料聚合固化,有時還在成形模上進行預浸料的鋪疊, 復合材料模具的設計制造對復合材料構件的產品質量影響較大, 要求模具的設計合理 。國內外學者對普通的機械零件成型模具CAD/ CAM 技術進行了深入的研究 , 而未見對復合材料構件成型模具的CAD/CAM 技術的研究。復合材料構件成型模具根據其材料可分為金屬模和復合材料模, 因其特殊的結構及工藝, 本文結合企業的實際需求, 以典型的復合材料構件成型模具結構為研究對象, 研究了現有模具設計過程中存在的問題, 提出了改進的設計方法, 將復合材料構件成型模具設計分為3 個階段進行: 成型曲面的檢測, 模具體的設計, 模具支架的參數化設計, 并開發了相應的設計系統。

    1 典型復合材料構件模具結構分析

      復合材料構件成型模具的結構隨著工藝方法的變化而變化, 比較有代表性的是真空袋( 熱壓灌成形方法的模具) , 如圖1 所示為薄板框架式模具的結構示意圖, 包括用于鋪帖復合材料成型模具的過渡模, 其結構設計包含的基本內容有以下幾個方面: 模具型面要具有較高的精度, 這是復合材料構件成型的基本依據; 如果模具體是金屬模, 其型面需采用數控加工, 在設計過程中應滿足加工的具體要求, 如果是用復合材料( 通常使用纖維增強樹脂)來做模具體, 在國內大都采用人工鋪帖成型的方式
    進行制造, 型板架大都是金屬管材或角材組成的框架, 其通過數控加工的方式制造的, 在設計過程中要考慮到鋪帖成型的模具體要在允許的誤差范圍內, 才能保證成型模具體與型板架成功裝配, 保證模具體的精度。此外, 型架板結構主要考慮保證在加溫時模具體不易變形, 而且使得空氣流在模具體上下表面任意流動。
    成型模具結構示意圖

     
    2 現有設計存在的問題

      在以數字量傳遞的設計中, 復合材料構件模具的設計原始依據是飛機構件的外形曲面, 模具的設計過程受上游數據的影響較大?,F有的設計中, 設計者沒有對上游曲面數據進行客觀的評價, 往往只有在制造的過程中才能發現產品數據的不足, 出現加工迭代的現象, 造成資源浪費。本文結合并行工程及可制造性的設計思想, 在設計階段能根據現有的資源條件等, 對接收的產品曲面數據進行綜合評價, 輔助設計者合理地作出判斷, 對產品數據的不足及時地進行修改, 滿足要求。

      復合材料構件模具體設計的主要工作是對成型曲面的偏置, 成型曲面是大量的曲面片拼接而成的, 其特征非常復雜, 在對復合材料構件模具體設計過程中, 對成型曲面進行偏置時, 存在局部因曲率過大而無法整體偏置的問題, 使得設計人員不得不將原始曲面進行拆分, 而分別對曲面片進行單獨偏置, 然后將所得的偏置曲面按要求進行拼接。這樣不僅改變了原始的設計數據, 使得設計結果有較大的偏差, 往往需要設計員進行無數次的反復嘗試, 才能得到合理的解, 而且對曲面的處理, 本身就是很復雜的過程, 依靠人工的手段, 質量得不到保證, 而且降低了設計效率。本文在滿足誤差的前提下, 提出了基于誤差約束的復雜曲面整體偏置方法。

      型架板結構的設計過程中, 設計者對每一個結構的設計都從草圖進行, 設計步驟煩瑣, 設計效率低下, 依賴設計人員所掌握的知識和經驗, 不同背景的設計人員所設計的產品模型差異很大, 不能滿足產品規范性的要求。通過對大量復合材料構件模具的總結, 發現其型架板結構大同小異, 本文利用參數化設計手段對其進行標準化, 建立其參數化設計模型, 設計者只需對給定的幾組參數進行賦值,便可以生成滿足條件的型架板結構, 減少設計者的大量而煩瑣的重復繪圖工作, 提高設計效率。

    3 成型曲面的檢測方法

      復合材料構件因其特殊的結構, 其成型表面是通過大量的曲面片拼接而成的, 表面質量較差, 因此進行模具設計, 特別是以數控加工方式加工的產品時, 必須要對成型面進行可加工性檢測, 判斷成型面在企業現有的加工資源條件下能否高效加工出合格的產品。本文考慮影響成型面可制造性的因素包括: 加工難度、加工設備、刀具、裝夾方式等, 并將這些因素映射為成型面的幾何特征屬性, 使設計者在設計過程中能根據幾何特征合理判斷其可加工性。作者在文獻[ 6] 中詳細論述了成型曲面的檢測方法, 本文簡述如下。

      3. 1 成型曲面幾何特征屬性的提取

      影響模具可加工性的屬性可分為產品屬性層、過渡屬性層和用戶屬性層。產品屬性層指影響其可加工性的總體屬性, 用A 表示。過渡屬性層指由產品屬性向用戶屬性過渡的中間屬性集合, 其可分為成型曲面的幾何形狀屬性G, 現有的制造資源屬性S 以及模具幾何屬性P。根據成型曲面特征對加工工藝性的影響的不同, 將成型曲面的幾何形狀屬性可進一步分為局部特征屬性Q( 如曲面上某點的曲率、曲面的凹凸性等) , 和整體特征屬性Z ( 如曲面是否為單值曲面等) 。制造資源屬性可進一步分為加工設備屬性E , 刀具屬性C, 裝夾屬性F 等。模具的幾何屬性主要是指模具幾何特征對成型曲面的加工工藝性產生影響的屬性, 如在數控加工, 是否以模具上的某特征作為加工成型曲面的定位基準, 將會影響成型曲面的加工工藝性。本文主要考慮在設計模具時, 將加工成型曲面的裝夾定位的基準設計為模具的局部特征, 即將設計基準和定位基準定義為同一基準, 簡化模具的設計步驟和裝夾的工藝, 稱為模具的基準屬性B。它們之間的層次映射關系為A = {G , S , P } = {Q, Z, E, C, F, B} , 各屬性的層次化樹狀結構如圖2 所示, 用戶最終只需關注用戶屬性層的屬性, 簡化后續的設計與計算。
    產品屬性層次化樹狀結構圖
     
     
     
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