復(fù)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(yōu)點的新型材料, 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天企業(yè)。在國內(nèi)飛機制造業(yè)中, 復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計制造大多仍沿用傳統(tǒng)的模擬量尺寸傳遞體系。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在飛機制造領(lǐng)域備受關(guān)注, 國內(nèi)航空企業(yè)雖然對利用數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)“無紙化”生產(chǎn)進行了相應(yīng)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(shù)字化技術(shù), 使研制周期縮短50%, 出錯返工率減少75%, 成本降低25%, 已經(jīng)成為數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)在飛機研制中應(yīng)用的標志和里程碑。
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,有時還在成形模上進行預(yù)浸料的鋪疊, 復(fù)合材料模具的設(shè)計制造對復(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)計合理 。國內(nèi)外學者對普通的機械零件成型模具CAD/ CAM 技術(shù)進行了深入的研究 , 而未見對復(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)為研究對象, 研究了現(xiàn)有模具設(shè)計過程中存在的問題, 提出了改進的設(shè)計方法, 將復(fù)合材料構(gòu)件成型模具設(shè)計分為3 個階段進行: 成型曲面的檢測, 模具體的設(shè)計, 模具支架的參數(shù)化設(shè)計, 并開發(fā)了相應(yīng)的設(shè)計系統(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渡模, 其結(jié)構(gòu)設(shè)計包含的基本內(nèi)容有以下幾個方面: 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)計過程中應(yīng)滿足加工的具體要求, 如果是用復(fù)合材料( 通常使用纖維增強樹脂)來做模具體, 在國內(nèi)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(shù)控加工的方式制造的, 在設(shè)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(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。
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,有時還在成形模上進行預(yù)浸料的鋪疊, 復(fù)合材料模具的設(shè)計制造對復(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)計合理 。國內(nèi)外學者對普通的機械零件成型模具CAD/ CAM 技術(shù)進行了深入的研究 , 而未見對復(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)為研究對象, 研究了現(xiàn)有模具設(shè)計過程中存在的問題, 提出了改進的設(shè)計方法, 將復(fù)合材料構(gòu)件成型模具設(shè)計分為3 個階段進行: 成型曲面的檢測, 模具體的設(shè)計, 模具支架的參數(shù)化設(shè)計, 并開發(fā)了相應(yīng)的設(shè)計系統(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渡模, 其結(jié)構(gòu)設(shè)計包含的基本內(nèi)容有以下幾個方面: 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)計過程中應(yīng)滿足加工的具體要求, 如果是用復(fù)合材料( 通常使用纖維增強樹脂)來做模具體, 在國內(nèi)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(shù)控加工的方式制造的, 在設(shè)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(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。
2 現(xiàn)有設(shè)計存在的問題
在以數(shù)字量傳遞的設(shè)計中, 復(fù)合材料構(gòu)件模具的設(shè)計原始依據(jù)是飛機構(gòu)件的外形曲面, 模具的設(shè)計過程受上游數(shù)據(jù)的影響較大?，F(xiàn)有的設(shè)計中, 設(shè)計者沒有對上游曲面數(shù)據(jù)進行客觀的評價, 往往只有在制造的過程中才能發(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。本文結(jié)合并行工程及可制造性的設(shè)計思想, 在設(shè)計階段能根據(jù)現(xiàn)有的資源條件等, 對接收的產(chǎn)品曲面數(shù)據(jù)進行綜合評價, 輔助設(shè)計者合理地作出判斷, 對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的不足及時地進行修改, 滿足要求。
復(fù)合材料構(gòu)件模具體設(shè)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(fù)雜, 在對復(fù)合材料構(gòu)件模具體設(shè)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(shè)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(shè)計數(shù)據(jù), 使得設(shè)計結(jié)果有較大的偏差, 往往需要設(shè)計員進行無數(shù)次的反復(fù)嘗試, 才能得到合理的解, 而且對曲面的處理, 本身就是很復(fù)雜的過程, 依靠人工的手段, 質(zhì)量得不到保證, 而且降低了設(shè)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(fù)雜曲面整體偏置方法。
型架板結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中, 設(shè)計者對每一個結(jié)構(gòu)的設(shè)計都從草圖進行, 設(shè)計步驟煩瑣, 設(shè)計效率低下, 依賴設(shè)計人員所掌握的知識和經(jīng)驗, 不同背景的設(shè)計人員所設(shè)計的產(chǎn)品模型差異很大, 不能滿足產(chǎn)品規(guī)范性的要求。通過對大量復(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)計手段對其進行標準化, 建立其參數(shù)化設(shè)計模型, 設(shè)計者只需對給定的幾組參數(shù)進行賦值,便可以生成滿足條件的型架板結(jié)構(gòu), 減少設(shè)計者的大量而煩瑣的重復(fù)繪圖工作, 提高設(shè)計效率。
3 成型曲面的檢測方法
復(fù)合材料構(gòu)件因其特殊的結(jié)構(gòu), 其成型表面是通過大量的曲面片拼接而成的, 表面質(zhì)量較差, 因此進行模具設(shè)計, 特別是以數(shù)控加工方式加工的產(chǎn)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(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)計者在設(shè)計過程中能根據(jù)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(chǎn)品屬性層、過渡屬性層和用戶屬性層。產(chǎn)品屬性層指影響其可加工性的總體屬性, 用A 表示。過渡屬性層指由產(chǎn)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(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(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, 將會影響成型曲面的加工工藝性。本文主要考慮在設(shè)計模具時, 將加工成型曲面的裝夾定位的基準設(shè)計為模具的局部特征, 即將設(shè)計基準和定位基準定義為同一基準, 簡化模具的設(shè)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(guān)系為A = {G , S , P } = {Q, Z, E, C, F, B} , 各屬性的層次化樹狀結(jié)構(gòu)如圖2 所示, 用戶最終只需關(guān)注用戶屬性層的屬性, 簡化后續(xù)的設(shè)計與計算。
在以數(shù)字量傳遞的設(shè)計中, 復(fù)合材料構(gòu)件模具的設(shè)計原始依據(jù)是飛機構(gòu)件的外形曲面, 模具的設(shè)計過程受上游數(shù)據(jù)的影響較大?，F(xiàn)有的設(shè)計中, 設(shè)計者沒有對上游曲面數(shù)據(jù)進行客觀的評價, 往往只有在制造的過程中才能發(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。本文結(jié)合并行工程及可制造性的設(shè)計思想, 在設(shè)計階段能根據(jù)現(xiàn)有的資源條件等, 對接收的產(chǎn)品曲面數(shù)據(jù)進行綜合評價, 輔助設(shè)計者合理地作出判斷, 對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的不足及時地進行修改, 滿足要求。
復(fù)合材料構(gòu)件模具體設(shè)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(fù)雜, 在對復(fù)合材料構(gòu)件模具體設(shè)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(shè)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(shè)計數(shù)據(jù), 使得設(shè)計結(jié)果有較大的偏差, 往往需要設(shè)計員進行無數(shù)次的反復(fù)嘗試, 才能得到合理的解, 而且對曲面的處理, 本身就是很復(fù)雜的過程, 依靠人工的手段, 質(zhì)量得不到保證, 而且降低了設(shè)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(fù)雜曲面整體偏置方法。
型架板結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中, 設(shè)計者對每一個結(jié)構(gòu)的設(shè)計都從草圖進行, 設(shè)計步驟煩瑣, 設(shè)計效率低下, 依賴設(shè)計人員所掌握的知識和經(jīng)驗, 不同背景的設(shè)計人員所設(shè)計的產(chǎn)品模型差異很大, 不能滿足產(chǎn)品規(guī)范性的要求。通過對大量復(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)計手段對其進行標準化, 建立其參數(shù)化設(shè)計模型, 設(shè)計者只需對給定的幾組參數(shù)進行賦值,便可以生成滿足條件的型架板結(jié)構(gòu), 減少設(shè)計者的大量而煩瑣的重復(fù)繪圖工作, 提高設(shè)計效率。
3 成型曲面的檢測方法
復(fù)合材料構(gòu)件因其特殊的結(jié)構(gòu), 其成型表面是通過大量的曲面片拼接而成的, 表面質(zhì)量較差, 因此進行模具設(shè)計, 特別是以數(shù)控加工方式加工的產(chǎn)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(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)計者在設(shè)計過程中能根據(jù)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(chǎn)品屬性層、過渡屬性層和用戶屬性層。產(chǎn)品屬性層指影響其可加工性的總體屬性, 用A 表示。過渡屬性層指由產(chǎn)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(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(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, 將會影響成型曲面的加工工藝性。本文主要考慮在設(shè)計模具時, 將加工成型曲面的裝夾定位的基準設(shè)計為模具的局部特征, 即將設(shè)計基準和定位基準定義為同一基準, 簡化模具的設(shè)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(guān)系為A = {G , S , P } = {Q, Z, E, C, F, B} , 各屬性的層次化樹狀結(jié)構(gòu)如圖2 所示, 用戶最終只需關(guān)注用戶屬性層的屬性, 簡化后續(xù)的設(shè)計與計算。
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