飛機(jī)機(jī)身蒙皮切割機(jī)氣壓回路設(shè)計(jì)

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(陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中　723001)

引言

目前，國(guó)內(nèi)飛機(jī)機(jī)身部件工藝分離面蒙皮余量的去除普遍采用手工工藝方法。首先沿著工藝分離面劃線，然后用風(fēng)動(dòng)剪去除大余量，再通過(guò)風(fēng)動(dòng)銑刀精修，最后再進(jìn)行人工打磨。這種手工方法不但效率低(需要4～5名工人工作1周左右)，且切割質(zhì)量不穩(wěn)定，影響飛機(jī)機(jī)身部件總裝對(duì)接的準(zhǔn)確度。針對(duì)這一現(xiàn)狀，開發(fā)了一種氣壓驅(qū)動(dòng)的切割機(jī)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)機(jī)身部件蒙皮余量的自動(dòng)切割，1 h之內(nèi)完成1個(gè)對(duì)接面的切割，大大提高了切割效率，且切割質(zhì)量滿足總裝對(duì)接要求。

1　切割機(jī)基本原理

1.1　切割原理

飛機(jī)機(jī)身部件蒙皮余量切割是機(jī)身部件制造的最后一道工序，切割時(shí)固定在裝配型架上，切割面在豎直面內(nèi)。由于工件尺寸大，且在架上切割，擬采用結(jié)構(gòu)尺寸較小的爬行切割機(jī)進(jìn)行切割，切割運(yùn)動(dòng)示意圖如圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)身部件的爬行切割，除圖1所示的三個(gè)運(yùn)動(dòng)外，即保證機(jī)身部件航向尺寸的航向調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)(對(duì)刀運(yùn)動(dòng))、保證蒙皮切透的徑向切入運(yùn)動(dòng)以及實(shí)現(xiàn)機(jī)身部件對(duì)接面整周切割的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)外，切割機(jī)還需要鋸片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(主運(yùn)動(dòng))。上述運(yùn)動(dòng)中，鋸片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其余兩個(gè)運(yùn)動(dòng)手動(dòng)調(diào)節(jié)，切割機(jī)運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示。

圖1　切割運(yùn)動(dòng)示意圖

圖2　切割裝置運(yùn)動(dòng)模型

依據(jù)上述運(yùn)動(dòng)要求，開發(fā)設(shè)計(jì)的切割機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中航向調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)由絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，徑向切入運(yùn)動(dòng)由齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，切割機(jī)其他的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)均由氣動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)。

1.環(huán)形導(dǎo)軌　2.固定鏈條　3.導(dǎo)軌滾輪　4.鏈輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 5.鋸片馬達(dá)　6.鏈輪嚙合氣缸　7.滾輪夾緊氣缸圖3　切割機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2　切割機(jī)的氣壓驅(qū)動(dòng)與控制

圖3中，固定鏈條2安裝在環(huán)形導(dǎo)軌1的凸臺(tái)上；鏈輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)4軸上的鏈輪通過(guò)鏈輪嚙合氣缸6控制其與固定鏈條2的嚙合、脫開；滾輪夾緊氣缸7左右兩側(cè)布置，控制導(dǎo)軌滾輪與環(huán)形導(dǎo)軌1的夾緊和松開，實(shí)現(xiàn)切割機(jī)在環(huán)形導(dǎo)軌1上的裝卸。

工作時(shí)，2個(gè)滾輪夾緊氣缸7動(dòng)作，將切割機(jī)夾緊在環(huán)形導(dǎo)軌1上；鏈輪嚙合氣缸6動(dòng)作，拉動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)4使得鏈輪與固定鏈條2嚙合；啟動(dòng)鋸片馬達(dá)5使切割鋸片旋轉(zhuǎn)；手動(dòng)調(diào)節(jié)航向切割位置并鎖緊；手動(dòng)徑向進(jìn)給到位并鎖緊；啟動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)4，帶動(dòng)切割機(jī)沿著環(huán)形導(dǎo)軌1進(jìn)行爬行切割。

2　切割機(jī)氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

切割機(jī)氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)涉及到2個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)、3個(gè)氣缸的驅(qū)動(dòng)與控制，氣壓原理圖如圖4所示。

1.氣源處理裝置　2.鏈輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回路　3.鋸片馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回路 4.滾輪導(dǎo)軌夾緊回路　5.鏈輪馬達(dá)嚙合回路圖4　切割機(jī)氣壓原理圖

2.1　氣源處理裝置

切割機(jī)氣源來(lái)自車間管道氣源，氣壓0.5～0.7 MPa， 為了保證供給氣動(dòng)元件壓縮空氣的壓力穩(wěn)定性、空氣潔凈度以及氣動(dòng)元件的潤(rùn)滑需要，氣源處理裝置采用空氣三聯(lián)件，對(duì)管道氣源進(jìn)行凈化過(guò)濾、減壓，同時(shí)攜帶、霧化透平油對(duì)后端氣動(dòng)元件進(jìn)行潤(rùn)滑。

2.2　氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回路

切割機(jī)的主運(yùn)動(dòng)(鋸片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))和周向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(環(huán)繞爬行)由2個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，即鋸片馬達(dá)和鏈輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。

1) 鏈輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)回路

切割機(jī)的周向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)有調(diào)速和換向的要求，所以馬達(dá)采用雙向氣動(dòng)馬達(dá)，馬達(dá)自由轉(zhuǎn)速為47 r/min,最大輸出功率為0.46 kW。換向過(guò)程通過(guò)手動(dòng)三位五通閥進(jìn)行換向，其中正向用于切割進(jìn)給，反向用于調(diào)試等；調(diào)速是為了獲得最佳的進(jìn)給量(根據(jù)蒙皮厚度在0.01～0.06 mm/tooth范圍內(nèi)選擇)，調(diào)速過(guò)程必然影響到馬達(dá)的動(dòng)力特性，所以采用排氣節(jié)流的方式進(jìn)行調(diào)速，減小調(diào)速對(duì)動(dòng)力特性的影響。

2) 鋸片馬達(dá)回路

切割機(jī)的主運(yùn)動(dòng)為切割過(guò)程提高一定的切削速度，采用單向馬達(dá)，馬達(dá)自由轉(zhuǎn)速為3500 r/min,最大輸出功率為1.49 kW。馬達(dá)的啟動(dòng)和停止通過(guò)二位三通閥進(jìn)行控制。為了獲得最佳切削速度，需要對(duì)鋸片馬達(dá)進(jìn)行調(diào)速，同樣采用排氣節(jié)流的方式進(jìn)行調(diào)速以減小調(diào)速對(duì)動(dòng)力特性的影響。

2.3　氣缸控制回路

切割機(jī)采用3個(gè)氣缸進(jìn)行控制，其中2個(gè)用于滾輪導(dǎo)軌的夾緊、松開控制，1個(gè)用于鏈輪、鏈條的嚙合、脫開控制。

1) 滾輪夾緊氣缸控制回路

滾輪夾緊氣缸采用雙作用氣缸，其控制回路有兩個(gè)作用，一是將切割機(jī)安裝在環(huán)形導(dǎo)軌上，二是保持滾輪與導(dǎo)軌之間恒定壓緊力，使環(huán)形導(dǎo)軌對(duì)切割機(jī)進(jìn)行平穩(wěn)、準(zhǔn)確的導(dǎo)向。為了保證切割機(jī)的裝卸方便，滾輪夾緊氣缸控制回路采用同步控制回路，用1個(gè)二位四通閥控制滾輪導(dǎo)軌的夾緊、松開。

2) 鏈輪嚙合氣缸控制回路

鏈輪嚙合氣缸采用雙作用氣缸，其控制回路中通過(guò)1個(gè)二位四通閥控制鏈輪、鏈條的嚙合、脫開，保證齒圈鏈傳動(dòng)嚙合傳動(dòng)的可靠性。

2.4　其他環(huán)節(jié)

在3個(gè)氣缸的拉緊進(jìn)氣回路中設(shè)置帶單向閥的節(jié)流閥，實(shí)現(xiàn)切割機(jī)的掉氣保護(hù)；利用馬達(dá)排氣對(duì)切割過(guò)程的鋸片進(jìn)行油霧冷卻。

3　氣動(dòng)回路基本計(jì)算

為了使氣動(dòng)執(zhí)行元件能夠可靠地按照預(yù)期進(jìn)行工作，對(duì)氣壓回路中的基本參數(shù)需要進(jìn)行計(jì)算，如壓力、流量、速度以及動(dòng)作時(shí)間等。切割機(jī)中所有的氣動(dòng)元件運(yùn)行在0.6 MPa的恒定壓力，其控制過(guò)程不涉及節(jié)拍的問(wèn)題，所以氣缸的動(dòng)作時(shí)間和運(yùn)動(dòng)速度可以不考慮，重點(diǎn)考慮流量。

3.1　氣動(dòng)元件的流量特性

以切割機(jī)鋸片馬達(dá)為例說(shuō)明氣動(dòng)元件的流量特性。圖5為氣動(dòng)馬達(dá)的特性曲線，可以看出氣動(dòng)馬達(dá)的輸出功率(扭矩)以及轉(zhuǎn)速與耗氣量(流量)有很大的關(guān)系，因此必須保證馬達(dá)的流量。氣體流量可以通過(guò)氣體連續(xù)狀態(tài)方程以及氣體伯努利方程計(jì)算，但是參數(shù)太復(fù)雜，通常用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，如用流量系數(shù)或有效截面積計(jì)算氣動(dòng)元件的耗氣量(流量)，從而選擇接頭和管路。

Cv=Qn/984

(1)

式中,Cv—— 流量系數(shù)

Qn—— 額定流量，L/min

S=18Cv

(2)

式中，S—— 雍塞流態(tài)有效截面積，mm2

Cv—— 流量系數(shù)

圖5　氣動(dòng)馬達(dá)特性曲線

根據(jù)所選氣動(dòng)執(zhí)行元件的參數(shù)以及式(1)、式(2)，便可計(jì)算出各元件的流量特性(見表1)，并以此進(jìn)行控制元件、支路管徑的選擇和氣動(dòng)回路特性的計(jì)算。

表1　各執(zhí)行元件流量特性表

3.2　氣動(dòng)回路的流量特性

氣動(dòng)回路的流量特性計(jì)算是氣動(dòng)系統(tǒng)管路配置的主要依據(jù)，是根據(jù)氣動(dòng)元件的流量特性以及氣動(dòng)回路的類型計(jì)算氣動(dòng)回路的合成有效截面積，進(jìn)而選擇合適的管徑。

1) 合成有效截面積

由圖4所示切割機(jī)氣動(dòng)原理知，氣動(dòng)回路為并聯(lián)回路，可用式(3)進(jìn)行計(jì)算氣動(dòng)回路的合成有效截面積：

(3)

式中，SΣ—— 雍塞流態(tài)有效截面積，mm2

Si—— 各氣動(dòng)元件的有效截面積，mm2

由表1及式(3)計(jì)算可得：

SΣ=67.87 mm2

2) 管路內(nèi)徑的選擇計(jì)算

對(duì)于一定長(zhǎng)度的管路，通過(guò)式(4)進(jìn)行管路內(nèi)徑的計(jì)算：

(4)

式中,ST—— 管路有效截面積，mm2

d—— 管路的內(nèi)徑，mm

l—— 管路的長(zhǎng)度，m

選擇管路內(nèi)徑時(shí)，應(yīng)滿足：

ST≥SΣ

(5)

4　結(jié)論

通過(guò)合理配置切割機(jī)氣路控制系統(tǒng)的管路、接頭以及控制閥，使氣動(dòng)馬達(dá)發(fā)揮其最大性能，研制的氣動(dòng)切割機(jī)經(jīng)過(guò)空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)及切割試驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足飛機(jī)機(jī)身部件端面蒙皮余量的切割。

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