復(fù)合材料框架模型面整體制造工藝探討

■中航工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司 （江西景德鎮(zhèn) 333002）　龍勇華

復(fù)合材料框架模型面整體制造工藝探討

■中航工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司 （江西景德鎮(zhèn) 333002）龍勇華

摘要：傳統(tǒng)復(fù)合材料框架模的制造工藝存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工藝復(fù)雜及焊縫多、容易漏氣等特點(diǎn)，逐漸涌現(xiàn)出數(shù)控制造法、正反框架成型法及柔性數(shù)控曲面成型等技術(shù)，這些新技術(shù)各有千秋，都不十分完善，型面整體制造技術(shù)有效地解決了復(fù)合材料框架模制造的相關(guān)難題。

隨著復(fù)合材料零件在各機(jī)型中的廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料成型模的需求逐年遞增，其大致可分為兩類：復(fù)合材料基體模及復(fù)合材料框架模（下稱復(fù)框模）。一般具有特別復(fù)雜外形的產(chǎn)品采用基體模成型，那些型面相對(duì)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品則采用復(fù)框模成型。復(fù)框模制造工藝難點(diǎn)在于厚板料的三維曲面成型，如何提高厚板的曲面成型精度成為復(fù)框模的制造難點(diǎn)，下面對(duì)復(fù)框模現(xiàn)行制造方法進(jìn)行分析。

1. 傳統(tǒng)復(fù)框模制造法

傳統(tǒng)的復(fù)框模制造工藝是基于手工制造基礎(chǔ)上的一種勞動(dòng)密集型作業(yè)工藝，具體過(guò)程為：制造工藝石膏模，將型面劃分成若干小塊，將分割出的各小塊板料進(jìn)行單獨(dú)成型并與作為依據(jù)的石膏模進(jìn)行比對(duì)，最后將分割的小塊型面通過(guò)電焊組焊成一體。可大致分為6個(gè)步驟，即反模制造、型板成型、框架焊接、復(fù)框模毛坯總焊、型面數(shù)控加工及總裝。在此只討論復(fù)框模框架毛坯的制造成型工藝。型面數(shù)控加工及模具總裝技術(shù)成熟，在此不予說(shuō)明。

（1）反模制造：反模是過(guò)渡模，在復(fù)框模的制造中作為型面成型依據(jù)。按設(shè)計(jì)數(shù)模，在框架立板處按一定偏移量取好反模下料線，工藝員在下料線基礎(chǔ)上繪制好反模木框板圖，并打出1∶1下料圖，按圖下好木框板料，按工藝要求組合好反模框架，再用石膏填充組合框架空間，手工修整型面，并按數(shù)模形狀均勻過(guò)渡；最后制造檢驗(yàn)樣板，按檢驗(yàn)樣板檢驗(yàn)石膏模型面，若合格則該反模可交付使用（見圖1）。

圖1

（2）型板成型：復(fù)框模型板成型的依據(jù)就是反模，反模型面的精度決定了復(fù)框模型板精度。首先，根據(jù)反模所體現(xiàn)出的型面特征，對(duì)其進(jìn)行放樣分塊，并一一對(duì)應(yīng)編號(hào)，按分塊區(qū)域拓片尺寸手動(dòng)下鋼板料。其次，用壓機(jī)將下好的鋼板料手動(dòng)壓制成型，成型板料必須反復(fù)與反模對(duì)應(yīng)區(qū)域曲面進(jìn)行比對(duì)，并在壓機(jī)上修配，直到與反模型面的貼合度在±2mm以內(nèi)。當(dāng)所有分塊板料成型后，按編號(hào)對(duì)應(yīng)拼好，點(diǎn)焊固定（見圖2）。

圖2

（3）框架焊接：按圖拆分出橫、縱向每一塊立板，并注意拼接缺口，編好數(shù)控下料程序，由數(shù)控下料機(jī)按程序下料，下好的立板編號(hào)放置。所有立板下完后，鉚焊工領(lǐng)取其他組焊件與橫、縱立板按圖拼組，確認(rèn)無(wú)誤后，焊牢，打光焊縫，清理飛濺物。焊接后的框架如圖3所示。

（4）復(fù)框模毛坯總焊：復(fù)框模毛坯總焊可分兩個(gè)階段，第一階段將框架與組焊型面焊接在一起；第二階段為型面各分塊鋼板間Y形坡口的填充。

型板與框架焊為一體后，將模具翻身，采用堆焊的方式，填平Y(jié)形拼縫，最佳狀態(tài)是將拼縫堆焊高度與型面高度相差±2mm（見圖4）。

焊后清理，送燜火，去應(yīng)力，吹砂，再清理焊縫，棱邊倒鈍，至此，復(fù)框模毛坯制造完成（見圖5）。

傳統(tǒng)復(fù)框模制造工藝的缺點(diǎn)是制造周期長(zhǎng)，操作復(fù)雜，型面精度受反模影響較大；焊縫堆焊量較大、制造工期長(zhǎng)，堆焊區(qū)域容易產(chǎn)生氣孔從而導(dǎo)致型面漏氣。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投入少，制造成本低。

2. 數(shù)控制造法

對(duì)一些型面最小包容體較小的框架模，可以采用數(shù)控制造法（見圖6），用一塊整體料先加工出型面反面，只進(jìn)行粗加工即可，然后將按傳統(tǒng)制造法拼焊好的框架與數(shù)控形面組焊，焊牢清理飛濺物，吊裝翻面，以框架底面為加工基準(zhǔn)，加工框架模工作型面。這種制造方法不用進(jìn)行機(jī)械成形，避免了繁瑣的輔助工序。

3. 正反框架成型法

這種方法是做出正反框架，經(jīng)數(shù)控加工后，將正反框架當(dāng)作凸凹模使用，在大型壓機(jī)上直接將板料沖壓成型。該法多用于型面簡(jiǎn)單的鋁質(zhì)復(fù)框模。

4. 柔性數(shù)控曲面成型法

柔性數(shù)控曲面成型技術(shù)是基于柔性數(shù)控成型機(jī)而發(fā)展出的技術(shù)。利用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)80mm×80mm大小的頂桿，由多個(gè)頂桿組成一定面積的型面，用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)每個(gè)頂桿的工作位置進(jìn)行控制，組成一個(gè)柔性的下模，再利用液壓技術(shù)使上模各壓塊下壓成型，將板料貼靠下模（見圖7）。這一技術(shù)目前在2～3mm薄板成型領(lǐng)域有成功應(yīng)用，但在20mm厚板成型上還處于研發(fā)階段。江南造船廠已利用該技術(shù)成功生產(chǎn)出合格的船體零件。

以上各種成型法的優(yōu)缺點(diǎn)比較如附表所示。

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

各種成型法優(yōu)缺點(diǎn)比較

5. 多點(diǎn)曲面成型工藝

綜合以上各種成型方法，只有傳統(tǒng)復(fù)框模制造法適宜于任何型面的框架模制造，其他方法均存在致命缺陷，不能適用于復(fù)雜型面。為了既減少勞動(dòng)強(qiáng)度，又大幅提高效率和型面質(zhì)量，結(jié)合車間20多年框架模的制造經(jīng)驗(yàn)，推出多點(diǎn)曲面成型工藝。

（1）多點(diǎn)曲面成型工藝特點(diǎn)。傳統(tǒng)復(fù)框模制造法是利用壓機(jī)對(duì)分塊板料逐點(diǎn)壓制成型，通過(guò)不停地與石膏模比對(duì)進(jìn)行型面調(diào)整，最終貼靠石膏模型面，貼靠誤差達(dá)到±2mm以內(nèi)即為合格。根據(jù)多年的制造實(shí)踐，從操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度及型面成型精度兩方面考慮，板料分塊大小宜在250mm×250mm左右，一套中型框架模大概由10塊分塊板料組成，每塊板料均需重復(fù)多次進(jìn)行成型、比對(duì)步驟，當(dāng)每塊板料成型完成后再按標(biāo)號(hào)順序拼裝起來(lái)拼焊，除人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、拼接焊縫多以外，最主要的還是容易產(chǎn)生型面精度及焊縫缺陷等質(zhì)量問題。為解決傳統(tǒng)工藝的不足，車間進(jìn)行了多種方法的摸索探討，最終認(rèn)為多點(diǎn)曲面成型工藝是一種比較實(shí)用的復(fù)框模制造工藝，其工藝特點(diǎn)為：①取消石膏，以框架型面作為型板成型依據(jù)，需對(duì)拼焊好的框架進(jìn)行數(shù)控加工。②框架在此工藝中即為型面依據(jù)，同時(shí)也起到成型模的作用。根據(jù)這些功能要求，設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行一些適應(yīng)性調(diào)整，如立板板料由10mm改為16mm、型面非工作部位不得出現(xiàn)小于R50mm的過(guò)渡角、型面曲率變化大的區(qū)域增加立板等。③采用整板成型或大分塊成型。④采用多個(gè)手動(dòng)液壓缸成型。

（2）多點(diǎn)曲面成型工藝方法。多點(diǎn)曲面成型工藝是在已經(jīng)有成功經(jīng)驗(yàn)的整板單點(diǎn)成型工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，還處在技術(shù)探討及驗(yàn)證階段。①專用設(shè)備及工裝：多點(diǎn)曲面成型設(shè)備屬于非標(biāo)設(shè)備，主要由剛性框架、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組件及手動(dòng)液壓組件組成（見圖8）。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組件可進(jìn)行左右移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角度±30°；液壓組件可同時(shí)提供4～8處1 000kN頂升力。②成型方法：調(diào)整旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的角度及位置，使頂升力與成型曲面大致垂直，利用周邊多個(gè)液壓缸輔助壓制，中心處壓制貼靠，焊工直接將中心處型面與框架立板接觸部位焊死，成一點(diǎn)焊一點(diǎn)，由點(diǎn)至面，最終成型整個(gè)型面。圖9所示為多點(diǎn)成型工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，成功完成一中小型框架模的整體制造，為多點(diǎn)曲面成型工藝奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。

圖8

圖9

（3）多點(diǎn)曲面成型工藝優(yōu)點(diǎn)。①減化了工藝流程。取消了石膏模，取消或減少分塊工序，從而也減少了分塊取樣、分塊下料、成型及切割Y形對(duì)焊坡口等系列工序。②提高了型面精度及質(zhì)量。由于作為基準(zhǔn)的框架經(jīng)過(guò)數(shù)控加工，其型面精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手工制造的石膏模型面，型板成型精度也大大提高，保證了型板加工后板厚的均勻性；采用整板成型，減少了分塊拼焊，型面上基本去除了焊縫，也排除了焊縫可能引起的各種缺陷如夾砂、氣孔、咬邊和漏氣等，提高了型面質(zhì)量，100%排除了復(fù)框模漏氣這一致命缺陷。③縮短制造周期，提高制造效率。工序的減化既減輕了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，也減少了制造時(shí)間，與傳統(tǒng)復(fù)框模制造法相比，節(jié)約了60%以上的工時(shí)，操作工由原來(lái)的3～4人減少到2人。④無(wú)需貴重的專用設(shè)備，所占資金比重小。多點(diǎn)曲面成型法唯一牽涉到的大型設(shè)備就是框架的數(shù)控加工設(shè)備，但數(shù)控工序也可根據(jù)自身實(shí)力進(jìn)行社會(huì)化協(xié)作，與柔性數(shù)控曲面成型機(jī)及大型液壓研模機(jī)動(dòng)輒上千萬(wàn)元相比也是不足一提的。除此之外就是一些液壓缸及手搖泵，都是一些小金額成品，既實(shí)用又便于維護(hù)。

6. 結(jié)語(yǔ)

多點(diǎn)曲面成型法對(duì)航空復(fù)框模制造來(lái)說(shuō)是最實(shí)用的技術(shù)，是我們非標(biāo)制造車間眾多一線操作工的經(jīng)驗(yàn)升華，是多年復(fù)框模制造經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，是車間制造技術(shù)摸索和突破的結(jié)果。它的推廣應(yīng)用必將繼續(xù)奠定車間在復(fù)框模制造方面的國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，在航空航天廣泛使用復(fù)合材料零件的今天，復(fù)框模的制造也必將迎來(lái)新的迅猛發(fā)展。

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文章闡述了復(fù)合材料框架模的三維曲面成型技術(shù)，重點(diǎn)探討框架毛坯的制造成型工藝。文章的專業(yè)性很強(qiáng)，也很實(shí)用，在模具制造行業(yè)中具有很好的指導(dǎo)意義。

收稿日期：（20141023）