熱成形高溫換模系統方案設計與仿真驗證

許詩怡 鄧忠林 劉 春

（沈陽航空航天大學，沈陽 110135）

鈦合金鈑金件在飛機零部件中占有很大份額。其中，高溫、等溫熱壓成形技術為鈦合金鈑金零件成形的主要工藝方法[1-2]。飛機上鈦合金鈑金件生產批量小、結構種類多，導致在熱成形過程中高溫成形模具需頻繁更換。目前，航企高溫更換模具仍采用傳統人工卸模方式，模具的升溫、降溫均在熱成形機內完成，自動化程度低，設備有效利用率低，工人工作安全性差，且易因操作不當發生事故。

1 國內發展現狀

國內多家企業嘗試改進熱成形換模方式。張銀菊、周青梅等人嘗試使用軌道換摸車更換模具，即吊車將模具吊至換模車上，換模車沿地軌移動將模具送入熱成形機中[3]。該方式雖解決了人工操作更換模具的問題，但換模車運動路徑十分受限。此外，生產線內各設備均需呈線形排列，且軌道占用廠房空間，有待改進?，F階段熱成形生產系統高溫模具裝卸技術的發展趨勢是由人工換模式、軌道式向以AGV 自動導引技術為代表的無軌式裝卸方式發展[4]。徐超、陸征祺等人設計采用換模小車搭配載模平臺更換模具[5]，但在換模前需手動對接安裝換模小車與載模平臺，對接過程較為煩瑣且最大升降行程較小，適用范圍較小。潘地磊、范如明等人研發出一款快速換模裝置，主要由換模小車、左右模架庫、上模提升裝置以及換模臂等結構組成[6]，雖可提高生產效率，但需對現有廠房及設備進行大規模改造，成本較高，并不適合實際生產情況。

針對國內某航企現有設備的生產實際情況，本文在借鑒國外現有技術經驗的基礎上，提出了一種集模具預定位臺、升溫爐、熱成形機、降溫爐以及高溫換模車為一體的鈦合金熱成形的系統換模方案。該方案給出了一套完整的高溫下模具拆卸、更換流程，可實現模具在常溫狀態下的預調整。隨后采用麥克納姆輪全向智能叉車運送模具，以確保模具經過升溫環節后再次運輸仍能保證其定位準確，以實現在常溫下便可預先控制模具在熱成形機內的位置和不必在高溫下進行模具調整的目的。

2 熱成形換模方案設計

2.1 換模總體方案及系統組成

鈦合金熱成形系統由模具預定位臺、降溫爐、升溫爐、熱成形機、高溫換模系統以及主控制臺系統等關鍵系統及設備組成，如圖1 所示。

2.1.1 模具預定位臺

模具預定位臺用以調整剛從庫房運出的模具位置。預定位臺臺面設有與熱成形機工作平臺相同的T 型槽，調整模具與預定位臺T 型槽對齊。此位置為模具在熱成形機平臺的位置，隨后換模車運送模具。通過模具預定位臺可實現模具在常溫狀態下的預調整，并確定模具在熱成形機工作平臺上的位置。

2.1.2 降溫爐和升溫爐

降溫爐和升溫爐用以分擔模具升、降溫占用熱成形機的時間，使升、降溫工作均在熱成形機外完成，提高熱成形機利用率。降溫爐用來放置從熱成形機中剛卸下的高溫模具，此時保溫門關閉，待溫度降到一定程度后保溫門打開，模具自然冷卻，隨后由換模車取出運送回模具預定位臺等待入庫。升溫爐用來對即將投入使用的模具進行預加熱，待模具升溫至500℃左右，由換模車取出運送至熱成形機。

圖1 鈦合金熱成形系統模型

2.1.3 熱成形機

熱成形機根據待加工的鈦合金板材所需的成形溫度，對預熱后的模具進行后續加熱，并在達到成形所需溫度后進行板件的熱成形。

2.1.4 換模車

換模車采用麥克納姆輪全向智能叉車運輸模具。該車定位精度可達到±1mm，可保證模具送至熱成形機平臺時位置準確。

2.2 模具對正原理

模具在完成預定位后，換模車行駛至預定位臺前，調整夾持臂與預定位臺T 型槽平行、換模車中心位置對準預定位臺中心。隨后換模車前行抬起模具，系統記錄此時模具、預定位臺平臺與換模車三者的相對位置。換模車將模具運往升溫爐及熱成形機期間，均保證模具、平臺與換模車三者相對位置不變，同時保證每次均抬放在相同位置，以確保模具運送至熱成形機時位置準確而無需在高溫下進行復雜的模具對正過程。

2.3 換模工作流程

高溫換模工作流程包括裝模流程和卸模流程兩部分。換模過程均采用麥克納姆輪全向智能叉車運送模具。

2.3.1 裝模過程

裝模過程起始于模具預定位臺。模具預定位后，由換模車將已完成預定位的模具取走，運送至升溫爐升溫。升溫爐將模具溫度升至500℃左右，由換模車將高溫模具取出，運送至熱成形機工作平臺上，隨后退出熱成形機，至此裝模過程全部完成。

2.3.2 卸模過程

零件全部成形完畢后，換模車將高溫模具取出運送至降溫爐。模具降溫完畢后由換模車取出送至預定位臺等待入庫，至此卸模過程全部完成。

3 高溫換模車結構組成

換模車采用麥克納姆輪全向智能叉車。基于麥克納姆輪技術的全方位移動叉車，4 個麥克納姆輪獨立驅動，在不同轉向和速度的配合下實現任意方向直行、繞中心自轉以及前后實時轉向行駛的全方位運動。麥輪車采用無軌道式換模，運動狀態由程序精確控制，定位精度可達±1mm，可實現模具從預定位臺至升溫爐再至熱成形機的流程內各環節的精確定位，保證裝模流程內各環節相互協調?；邴溈思{姆輪的換模車在提高保障效率、增加空間利用率、降低人力成本以及保障運輸安全等方面效果明顯。

3.1 高溫換模車主體結構選取

高溫換模車作為鈦合金熱成形生產線的關鍵設備，其功能參數需與鈦合金熱成形機工作情況相適應。結合熱成形機的現有生產情況，換模車可選用市面上某現有的全向智能移動叉車產品，如圖2 所示。

圖2 麥克納姆輪叉車

3.2 高溫換模車結構改進

上述換模車適用于工作在常溫下，需對其進行局部設計和改裝，以適應高溫下的工作狀態，如圖3 所示。

圖3 麥克納姆輪叉車

裝卸模具過程中換模車直接處于高溫環境，其門架結構中的有效潤滑至關重要。將原本的普通潤滑油替換為石墨高溫聚合脂進行潤滑，工作溫度范圍為-28 ～800℃。石墨高溫聚合脂具有更好的高溫性和抗氧化穩定性，承載能力強且潤滑效果好。

門架上的相關電子元器件和多個液壓油缸在高溫下工作狀態不穩定、易失效，故使用高硅氧玻璃纖維隔熱套進行高溫隔熱防護。高硅氧玻璃纖維隔熱套耐高溫性能、隔熱性能好，可長期在1000℃環境下使用。

高溫模具室溫下驟冷易導致表面出現裂紋，故在門架叉架前加裝隔熱罩，一則減少空氣流通，避免模具長時間與空氣接觸，二則避免模具產生的熱輻射使周圍溫度快速升高。該隔熱罩由4 塊隔熱板拼接而成。隔熱板采用雙層石英玻璃，中間真空結構，可阻擋大部分熱量傳遞，具有較好的隔熱效果。

換模車靠近熱成形機時，高溫空氣易灼傷駕駛人員，且駕駛室內的電子設備無法在高溫下正常運行，因此需在駕駛室外設置隔熱板。隔熱板同樣采用雙層石英玻璃、中間真空的結構。

換模車夾持臂直接與高溫模具接觸，因此需單獨設計夾持臂的結構與材料。夾持臂為掛鉤型整體式貨叉，選用牌號為K403 的鎳基鑄造高溫合金，具有較高的高溫強度。

4 換模方案仿真驗證

本文使用DELMIA 軟件進行三維可視化的熱成形高溫換模仿真。仿真驗證工作在DPM 模塊中進行，利用已有的換模工藝流程信息、產品信息和資源信息，定義好每個零件、設備的運行路徑，實現模具裝卸和模具運輸過程的三維動態仿真、碰撞干涉檢測及人機任務仿真等工作，以檢驗該換模方案與模具連接方案的合理性與可行性。

4.1 換模流程仿真

4.1.1 建立虛擬仿真環境

進入DPM Assembly Process Simulation 仿真模塊，將已建好的產品和資源的三維數模導入環境并確定其位置，包括模具預定位臺、降溫爐、升溫爐、熱成形機以及高溫換模車等。

4.1.2 創建Process Library 文件

根據熱成形系統的高溫換模工作流程，設計相應的工藝流程文件，將Process Library 文件加載到PPR 結構樹上。

4.1.3 創建動作流程

在已劃分好的工藝流程上分別添加與各工藝步驟對應的動作。PERT 圖表中可將動作流程可視化，可調整動作的順序和并列關系。

4.1.4 仿真運行

完成一系列動作設定后，運行高溫換模系統仿真流程。以拆卸模具和取出模具的過程為例，模擬仿真效果如圖4所示。

圖4 拆卸模具及取出模具模擬仿真過程

4.2 干涉檢測

換模過程中可能存在的相互碰撞和干涉的位置，包括換模車伸入熱成形機取模時門架、叉架、夾持臂、隔熱框與熱成形機保溫門、上平臺以及滑塊之間，以及模具被夾持臂抬出熱成形機時模具與連接裝置之間。這些位置發生干涉可導致裝模、卸模過程無法順利進行，嚴重時易造成換模車、模具及熱成形機的損壞，導致發生生產事故。經驗證，夾持臂伸入熱成形機取模時，上述部位只有夾持臂與模具間的相互接觸。該接觸為合理接觸，此外無碰撞發生。

4.3 人機任務仿真

換模過程中需確保換模車的隔熱板、門架、叉架以及隔熱框等均不會阻礙工作人員視野和工作。在運行仿真流程前切換至Human Task Simulation 模塊，打開工作人員視野窗口。經分析，上述結構均不會阻礙工作人員視野。

5 結語

針對國內高溫熱成形的生產現狀，本文提出了適合現有設備生產情況的先進的高溫換模技術方案。該方案能夠實現模具在常溫下位置的預調整、在進入熱成形機前的預加熱、高溫模具在熱成形機外的輔助降溫，且換模方式更安全、高效，廠房設備布局靈活且節省空間，具有一定的優越性。該技術方案的提出為高溫換模技術的發展提供了研究思路及經驗參考，具有一般性、通用性以及先進性。