復(fù)合材料是一種具有高強(qiáng)度、高剛性以及具有良好的抗疲勞性、抗腐蝕性等一系列優(yōu)點(diǎn)的新型材料, 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天企業(yè)。在國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造業(yè)中, 復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)制造大多仍沿用傳統(tǒng)的模擬量尺寸傳遞體系。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在飛機(jī)制造領(lǐng)域備受關(guān)注, 國(guó)內(nèi)航空企業(yè)雖然對(duì)利用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)“無(wú)紙化”生產(chǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的摸索和實(shí)踐 , 但與國(guó)外相比還存在一定的差距, 美國(guó)波音公司在波音777 型飛機(jī)型號(hào)研制中采用數(shù)字化技術(shù), 使研制周期縮短50%, 出錯(cuò)返工率減少75%, 成本降低25%, 已經(jīng)成為數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)在飛機(jī)研制中應(yīng)用的標(biāo)志和里程碑。
模具是復(fù)合材料構(gòu)件制造用的主要工藝裝備,用以確定制件形狀、結(jié)構(gòu)關(guān)系、控制外緣和獲得良好的表面質(zhì)量, 在模具上完成復(fù)合材料聚合固化,有時(shí)還在成形模上進(jìn)行預(yù)浸料的鋪疊, 復(fù)合材料模具的設(shè)計(jì)制造對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量影響較大, 要求模具的設(shè)計(jì)合理 。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)普通的機(jī)械零件成型模具CAD/ CAM 技術(shù)進(jìn)行了深入的研究 , 而未見(jiàn)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的CAD/CAM 技術(shù)的研究。復(fù)合材料構(gòu)件成型模具根據(jù)其材料可分為金屬模和復(fù)合材料模, 因其特殊的結(jié)構(gòu)及工藝, 本文結(jié)合企業(yè)的實(shí)際需求, 以典型的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象, 研究了現(xiàn)有模具設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題, 提出了改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法, 將復(fù)合材料構(gòu)件成型模具設(shè)計(jì)分為3 個(gè)階段進(jìn)行: 成型曲面的檢測(cè), 模具體的設(shè)計(jì), 模具支架的參數(shù)化設(shè)計(jì), 并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
1 典型復(fù)合材料構(gòu)件模具結(jié)構(gòu)分析
復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖, 包括用于鋪帖復(fù)合材料成型模具的過(guò)渡模, 其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含的基本內(nèi)容有以下幾個(gè)方面: 模具型面要具有較高的精度, 這是復(fù)合材料構(gòu)件成型的基本依據(jù); 如果模具體是金屬模, 其型面需采用數(shù)控加工, 在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)滿(mǎn)足加工的具體要求, 如果是用復(fù)合材料( 通常使用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂)來(lái)做模具體, 在國(guó)內(nèi)大都采用人工鋪帖成型的方式
進(jìn)行制造, 型板架大都是金屬管材或角材組成的框架, 其通過(guò)數(shù)控加工的方式制造的, 在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮到鋪帖成型的模具體要在允許的誤差范圍內(nèi), 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(jié)構(gòu)主要考慮保證在加溫時(shí)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(dòng)。
模具是復(fù)合材料構(gòu)件制造用的主要工藝裝備,用以確定制件形狀、結(jié)構(gòu)關(guān)系、控制外緣和獲得良好的表面質(zhì)量, 在模具上完成復(fù)合材料聚合固化,有時(shí)還在成形模上進(jìn)行預(yù)浸料的鋪疊, 復(fù)合材料模具的設(shè)計(jì)制造對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量影響較大, 要求模具的設(shè)計(jì)合理 。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)普通的機(jī)械零件成型模具CAD/ CAM 技術(shù)進(jìn)行了深入的研究 , 而未見(jiàn)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的CAD/CAM 技術(shù)的研究。復(fù)合材料構(gòu)件成型模具根據(jù)其材料可分為金屬模和復(fù)合材料模, 因其特殊的結(jié)構(gòu)及工藝, 本文結(jié)合企業(yè)的實(shí)際需求, 以典型的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象, 研究了現(xiàn)有模具設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題, 提出了改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法, 將復(fù)合材料構(gòu)件成型模具設(shè)計(jì)分為3 個(gè)階段進(jìn)行: 成型曲面的檢測(cè), 模具體的設(shè)計(jì), 模具支架的參數(shù)化設(shè)計(jì), 并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
1 典型復(fù)合材料構(gòu)件模具結(jié)構(gòu)分析
復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖, 包括用于鋪帖復(fù)合材料成型模具的過(guò)渡模, 其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含的基本內(nèi)容有以下幾個(gè)方面: 模具型面要具有較高的精度, 這是復(fù)合材料構(gòu)件成型的基本依據(jù); 如果模具體是金屬模, 其型面需采用數(shù)控加工, 在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)滿(mǎn)足加工的具體要求, 如果是用復(fù)合材料( 通常使用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂)來(lái)做模具體, 在國(guó)內(nèi)大都采用人工鋪帖成型的方式
進(jìn)行制造, 型板架大都是金屬管材或角材組成的框架, 其通過(guò)數(shù)控加工的方式制造的, 在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮到鋪帖成型的模具體要在允許的誤差范圍內(nèi), 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(jié)構(gòu)主要考慮保證在加溫時(shí)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(dòng)。
2 現(xiàn)有設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題
在以數(shù)字量傳遞的設(shè)計(jì)中, 復(fù)合材料構(gòu)件模具的設(shè)計(jì)原始依據(jù)是飛機(jī)構(gòu)件的外形曲面, 模具的設(shè)計(jì)過(guò)程受上游數(shù)據(jù)的影響較大?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)中, 設(shè)計(jì)者沒(méi)有對(duì)上游曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀(guān)的評(píng)價(jià), 往往只有在制造的過(guò)程中才能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的不足, 出現(xiàn)加工迭代的現(xiàn)象, 造成資源浪費(fèi)。本文結(jié)合并行工程及可制造性的設(shè)計(jì)思想, 在設(shè)計(jì)階段能根據(jù)現(xiàn)有的資源條件等, 對(duì)接收的產(chǎn)品曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 輔助設(shè)計(jì)者合理地作出判斷, 對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的不足及時(shí)地進(jìn)行修改, 滿(mǎn)足要求。
復(fù)合材料構(gòu)件模具體設(shè)計(jì)的主要工作是對(duì)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(fù)雜, 在對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件模具體設(shè)計(jì)過(guò)程中, 對(duì)成型曲面進(jìn)行偏置時(shí), 存在局部因曲率過(guò)大而無(wú)法整體偏置的問(wèn)題, 使得設(shè)計(jì)人員不得不將原始曲面進(jìn)行拆分, 而分別對(duì)曲面片進(jìn)行單獨(dú)偏置, 然后將所得的偏置曲面按要求進(jìn)行拼接。這樣不僅改變了原始的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù), 使得設(shè)計(jì)結(jié)果有較大的偏差, 往往需要設(shè)計(jì)員進(jìn)行無(wú)數(shù)次的反復(fù)嘗試, 才能得到合理的解, 而且對(duì)曲面的處理, 本身就是很復(fù)雜的過(guò)程, 依靠人工的手段, 質(zhì)量得不到保證, 而且降低了設(shè)計(jì)效率。本文在滿(mǎn)足誤差的前提下, 提出了基于誤差約束的復(fù)雜曲面整體偏置方法。
型架板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中, 設(shè)計(jì)者對(duì)每一個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都從草圖進(jìn)行, 設(shè)計(jì)步驟煩瑣, 設(shè)計(jì)效率低下, 依賴(lài)設(shè)計(jì)人員所掌握的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn), 不同背景的設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型差異很大, 不能滿(mǎn)足產(chǎn)品規(guī)范性的要求。通過(guò)對(duì)大量復(fù)合材料構(gòu)件模具的總結(jié), 發(fā)現(xiàn)其型架板結(jié)構(gòu)大同小異, 本文利用參數(shù)化設(shè)計(jì)手段對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化, 建立其參數(shù)化設(shè)計(jì)模型, 設(shè)計(jì)者只需對(duì)給定的幾組參數(shù)進(jìn)行賦值,便可以生成滿(mǎn)足條件的型架板結(jié)構(gòu), 減少設(shè)計(jì)者的大量而煩瑣的重復(fù)繪圖工作, 提高設(shè)計(jì)效率。
3 成型曲面的檢測(cè)方法
復(fù)合材料構(gòu)件因其特殊的結(jié)構(gòu), 其成型表面是通過(guò)大量的曲面片拼接而成的, 表面質(zhì)量較差, 因此進(jìn)行模具設(shè)計(jì), 特別是以數(shù)控加工方式加工的產(chǎn)品時(shí), 必須要對(duì)成型面進(jìn)行可加工性檢測(cè), 判斷成型面在企業(yè)現(xiàn)有的加工資源條件下能否高效加工出合格的產(chǎn)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(shè)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(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中能根據(jù)幾何特征合理判斷其可加工性。作者在文獻(xiàn)[ 6] 中詳細(xì)論述了成型曲面的檢測(cè)方法, 本文簡(jiǎn)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(chǎn)品屬性層、過(guò)渡屬性層和用戶(hù)屬性層。產(chǎn)品屬性層指影響其可加工性的總體屬性, 用A 表示。過(guò)渡屬性層指由產(chǎn)品屬性向用戶(hù)屬性過(guò)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(xiàn)有的制造資源屬性S 以及模具幾何屬性P。根據(jù)成型曲面特征對(duì)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(jìn)一步分為局部特征屬性Q( 如曲面上某點(diǎn)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(jìn)一步分為加工設(shè)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(duì)成型曲面的加工工藝性產(chǎn)生影響的屬性, 如在數(shù)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(zhǔn), 將會(huì)影響成型曲面的加工工藝性。本文主要考慮在設(shè)計(jì)模具時(shí), 將加工成型曲面的裝夾定位的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)為模具的局部特征, 即將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)定義為同一基準(zhǔn), 簡(jiǎn)化模具的設(shè)計(jì)步驟和裝夾的工藝, 稱(chēng)為模具的基準(zhǔn)屬性B。它們之間的層次映射關(guān)系為A = {G , S , P } = {Q, Z, E, C, F, B} , 各屬性的層次化樹(shù)狀結(jié)構(gòu)如圖2 所示, 用戶(hù)最終只需關(guān)注用戶(hù)屬性層的屬性, 簡(jiǎn)化后續(xù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。
在以數(shù)字量傳遞的設(shè)計(jì)中, 復(fù)合材料構(gòu)件模具的設(shè)計(jì)原始依據(jù)是飛機(jī)構(gòu)件的外形曲面, 模具的設(shè)計(jì)過(guò)程受上游數(shù)據(jù)的影響較大?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)中, 設(shè)計(jì)者沒(méi)有對(duì)上游曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀(guān)的評(píng)價(jià), 往往只有在制造的過(guò)程中才能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的不足, 出現(xiàn)加工迭代的現(xiàn)象, 造成資源浪費(fèi)。本文結(jié)合并行工程及可制造性的設(shè)計(jì)思想, 在設(shè)計(jì)階段能根據(jù)現(xiàn)有的資源條件等, 對(duì)接收的產(chǎn)品曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 輔助設(shè)計(jì)者合理地作出判斷, 對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的不足及時(shí)地進(jìn)行修改, 滿(mǎn)足要求。
復(fù)合材料構(gòu)件模具體設(shè)計(jì)的主要工作是對(duì)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(fù)雜, 在對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件模具體設(shè)計(jì)過(guò)程中, 對(duì)成型曲面進(jìn)行偏置時(shí), 存在局部因曲率過(guò)大而無(wú)法整體偏置的問(wèn)題, 使得設(shè)計(jì)人員不得不將原始曲面進(jìn)行拆分, 而分別對(duì)曲面片進(jìn)行單獨(dú)偏置, 然后將所得的偏置曲面按要求進(jìn)行拼接。這樣不僅改變了原始的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù), 使得設(shè)計(jì)結(jié)果有較大的偏差, 往往需要設(shè)計(jì)員進(jìn)行無(wú)數(shù)次的反復(fù)嘗試, 才能得到合理的解, 而且對(duì)曲面的處理, 本身就是很復(fù)雜的過(guò)程, 依靠人工的手段, 質(zhì)量得不到保證, 而且降低了設(shè)計(jì)效率。本文在滿(mǎn)足誤差的前提下, 提出了基于誤差約束的復(fù)雜曲面整體偏置方法。
型架板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中, 設(shè)計(jì)者對(duì)每一個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都從草圖進(jìn)行, 設(shè)計(jì)步驟煩瑣, 設(shè)計(jì)效率低下, 依賴(lài)設(shè)計(jì)人員所掌握的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn), 不同背景的設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型差異很大, 不能滿(mǎn)足產(chǎn)品規(guī)范性的要求。通過(guò)對(duì)大量復(fù)合材料構(gòu)件模具的總結(jié), 發(fā)現(xiàn)其型架板結(jié)構(gòu)大同小異, 本文利用參數(shù)化設(shè)計(jì)手段對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化, 建立其參數(shù)化設(shè)計(jì)模型, 設(shè)計(jì)者只需對(duì)給定的幾組參數(shù)進(jìn)行賦值,便可以生成滿(mǎn)足條件的型架板結(jié)構(gòu), 減少設(shè)計(jì)者的大量而煩瑣的重復(fù)繪圖工作, 提高設(shè)計(jì)效率。
3 成型曲面的檢測(cè)方法
復(fù)合材料構(gòu)件因其特殊的結(jié)構(gòu), 其成型表面是通過(guò)大量的曲面片拼接而成的, 表面質(zhì)量較差, 因此進(jìn)行模具設(shè)計(jì), 特別是以數(shù)控加工方式加工的產(chǎn)品時(shí), 必須要對(duì)成型面進(jìn)行可加工性檢測(cè), 判斷成型面在企業(yè)現(xiàn)有的加工資源條件下能否高效加工出合格的產(chǎn)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(shè)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(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中能根據(jù)幾何特征合理判斷其可加工性。作者在文獻(xiàn)[ 6] 中詳細(xì)論述了成型曲面的檢測(cè)方法, 本文簡(jiǎn)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(chǎn)品屬性層、過(guò)渡屬性層和用戶(hù)屬性層。產(chǎn)品屬性層指影響其可加工性的總體屬性, 用A 表示。過(guò)渡屬性層指由產(chǎn)品屬性向用戶(hù)屬性過(guò)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(xiàn)有的制造資源屬性S 以及模具幾何屬性P。根據(jù)成型曲面特征對(duì)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(jìn)一步分為局部特征屬性Q( 如曲面上某點(diǎn)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(jìn)一步分為加工設(shè)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(duì)成型曲面的加工工藝性產(chǎn)生影響的屬性, 如在數(shù)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(zhǔn), 將會(huì)影響成型曲面的加工工藝性。本文主要考慮在設(shè)計(jì)模具時(shí), 將加工成型曲面的裝夾定位的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)為模具的局部特征, 即將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)定義為同一基準(zhǔn), 簡(jiǎn)化模具的設(shè)計(jì)步驟和裝夾的工藝, 稱(chēng)為模具的基準(zhǔn)屬性B。它們之間的層次映射關(guān)系為A = {G , S , P } = {Q, Z, E, C, F, B} , 各屬性的層次化樹(shù)狀結(jié)構(gòu)如圖2 所示, 用戶(hù)最終只需關(guān)注用戶(hù)屬性層的屬性, 簡(jiǎn)化后續(xù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。
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