大型復(fù)合材料罐體成型模具裝配工藝的研究

鄒尚武

摘 要：本文從大型復(fù)合材料壓力罐體成型模具的一般結(jié)構(gòu)組成出發(fā)，通過(guò)對(duì)該大型模具的裝配難度的分析，提出了三種模塊化的裝配方案，對(duì)每種裝配方案的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了分析論證，并綜合裝配周期、成本、精度等要素，最后提出最優(yōu)化的裝配方案，明確了裝配路線和所涉及的工裝設(shè)施，最優(yōu)方案的提出為超大型纏繞模具的裝配工藝提供了切實(shí)可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：成型模具;模塊;工作站;工藝界面

1 隨著復(fù)合材料成型技術(shù)的不斷發(fā)展以及產(chǎn)品輕量化的要求，目前越來(lái)越多的大型壓力容器采用復(fù)合材料纏繞成型工藝[1];而大型、超大型纏繞模具的裝配是難點(diǎn)也是關(guān)鍵，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。大型壓力儲(chǔ)蓄罐體成型模具的典型結(jié)構(gòu)：模具直徑4～5米，長(zhǎng)度大于20米;模具結(jié)構(gòu)包括前 封頭段、前后錐度段、中間直筒段、后封頭段和芯軸，芯軸采用端軸形式;模具的殼板在縱向和橫向分為多個(gè)殼板單元;模具內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)包括腹板框、T型加強(qiáng)筋、前后支撐等。模具殼板及支撐材料采用鋁合金或者碳纖維板。

2 模具裝配基本要求：

模具殼體對(duì)接處應(yīng)順滑過(guò)渡，以防止成型過(guò)程中，階差導(dǎo)致纖維彎曲，按照±0.5mm控制裝配過(guò)程中，裝配定位精度按±0.5mm控制，裝配后脫離裝配工裝;各個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)拆卸和重復(fù)拼裝，不影響其使用。

3 裝配難點(diǎn)

難點(diǎn)1：結(jié)構(gòu)封閉，裝配后內(nèi)部輔助工裝難于順利拆除，二次定位精度難于保證;

基本解決措施：采用模塊化裝配工藝，能在總裝之前完成的工作，盡量在總裝之前進(jìn)行;在總裝時(shí)以外部為基準(zhǔn)，內(nèi)部?jī)H安排必不可少的簡(jiǎn)易裝置。

難點(diǎn)2：?jiǎn)蝹€(gè)零件的重量過(guò)重，依靠人工手動(dòng)難于完成定位工作;

基本解決措施：利用機(jī)械輔助人工，主要依靠機(jī)械來(lái)進(jìn)行定位和精度調(diào)整;

難點(diǎn)3：模具殼體由于結(jié)構(gòu)限制，分塊較多，每一部分?jǐn)[放角度差異很大、重心位置難以控制，難于采用吊裝方式正確擺放;

基本解決措施：擬采用機(jī)械系統(tǒng)，利用真空吸附系統(tǒng)固定產(chǎn)品模塊，依靠機(jī)械精度定向精確放置

難點(diǎn)4：結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，熱脹冷縮影響對(duì)裝配結(jié)果影響很大。

基本解決措施：擬采用分散式總裝型架，選用溫度敏感性較小的地基，減少熱脹冷縮影響;各個(gè)分散定位框架在同一個(gè)坐標(biāo)系下建立靶標(biāo)點(diǎn)，方便后期實(shí)時(shí)狀態(tài)跟蹤及工藝修正。

4 裝配工藝方案設(shè)計(jì)

從整個(gè)結(jié)構(gòu)上來(lái)看，該模具主體結(jié)構(gòu)類似民機(jī)的機(jī)身?？梢詤⒖汲墒斓拿駲C(jī)裝配經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行裝配工藝策劃，并以典型的民機(jī)裝配方案為基礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化，可以衍生出多個(gè)可實(shí)施的裝配方案[2]。

5 裝配工藝界面劃分

整個(gè)模具結(jié)構(gòu)可劃分為5大模塊，每一個(gè)模塊部分又可以細(xì)分為各個(gè)主要零件，具體結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)《模具結(jié)構(gòu)圖解》分解圖。因此，從制造結(jié)構(gòu)分界面來(lái)說(shuō)，把整個(gè)芯模分為5個(gè)典型段，分別是芯模前段、前直段、中直段、后直段、芯模后段共5部分，并可以按照制造流程，繼續(xù)往下細(xì)分各個(gè)分界面。根據(jù)細(xì)分界面的不同，以及裝配工藝流程的安排不同，可以衍生出三個(gè)裝配方案。

6 裝配工藝方案一

參照民機(jī)的典型裝配流程來(lái)完成整個(gè)裝配工作，以工作站的形式來(lái)完成裝配工作[3]。

自上而下的工作站設(shè)置，整個(gè)裝配流程劃分為5個(gè)工作站：

（1）對(duì)接總裝工作站 ，完成5個(gè)工藝段的對(duì)接總裝工作;

（2）前封頭段工作站，完成前封頭段的組裝;

（3）后封頭段工作站，完成后封頭段的組裝;

（4）中直段殼體組裝工作站，完成中直段的殼體與框和長(zhǎng)桁的組裝;

（5）前、后直段殼體組裝工作站，完成前、后直段的殼體與框和長(zhǎng)桁的組裝;

6.1 方案一優(yōu)點(diǎn)：

該工藝方案完全參照民機(jī)的成熟制造工藝方案，整個(gè)方案的實(shí)施不存在問(wèn)題，且非常適合反復(fù)批量使用。

6.2方案一缺點(diǎn)：

主要的問(wèn)題是封頭段在形成組件之后，被吊裝入“對(duì)接總裝工作站”時(shí)，由于封頭段的重量很大、重心偏移嚴(yán)重、可供吊裝位置不多等問(wèn)題，其翻轉(zhuǎn)和準(zhǔn)確進(jìn)入工位、以及精確調(diào)整位置難度很大，按照民機(jī)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和可參照樣本，每個(gè)工作站的建設(shè)成本較高。

除了1～3工作站的后續(xù)使用率非常高之外，其他4和5兩個(gè)工作站后期基本會(huì)很少使用，但后兩個(gè)工作站為必用工作站，不可缺少，可以考慮適當(dāng)簡(jiǎn)化以節(jié)約成本。

7 裝配工藝方案二

針對(duì)裝配工藝方案1的優(yōu)缺點(diǎn)，可以在此基礎(chǔ)上衍生出第2個(gè)裝配方案

7.1主要優(yōu)化點(diǎn)：

把前封頭段裝配工作站和后封頭段裝配工作站合并入第1個(gè)“對(duì)接總裝工作站”，工作也調(diào)整至中間3段直段總裝完成、形成一個(gè)加長(zhǎng)的直段殼體之后，先將直筒段內(nèi)部的輔助工裝拆除，再進(jìn)行前、后封頭段的組裝，其組裝位置及為最終的裝配位置。

優(yōu)點(diǎn)：前、后封頭段組裝后無(wú)需再進(jìn)行翻轉(zhuǎn)和吊裝工作，大幅降低了工作強(qiáng)度。

缺點(diǎn)：前、后封頭段的裝配工藝開(kāi)敞性不足，用于該部分的內(nèi)部輔助工裝如何拆除是最主要的難題，需要進(jìn)行巧妙的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，是最考驗(yàn)工藝能力的部分。

7.2 次要優(yōu)化點(diǎn)

將“中直段殼體組裝工作站”和“前、后直段殼體組裝工作站”進(jìn)行最大程度簡(jiǎn)化，由標(biāo)準(zhǔn)的常用裝配工作站按照一次性裝配工作站的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)化，以降低建設(shè)成本[4]，但必須滿足總共24個(gè)超重殼板的高精確裝配工作。

（1）對(duì)接總裝工作站，完成5個(gè)工藝段的對(duì)接總裝工作;

（2）中直段殼體組裝工作站，完成中直段的殼體與框和長(zhǎng)桁的組裝;

（3）前、后直段壁板組裝工作站，完成前、后直段的壁板與框和長(zhǎng)桁的組裝;

優(yōu)點(diǎn)：該工藝方案縮短了生產(chǎn)線，并節(jié)約了建設(shè)成本;

缺點(diǎn)：生產(chǎn)周期變長(zhǎng)，不利于高頻次生產(chǎn);

8.裝配工藝方案三

完全摒棄民機(jī)成熟的裝配工藝思路，僅從制造目標(biāo)上來(lái)進(jìn)行工藝策劃，也可以形成第三個(gè)工藝方案，如圖：

8.1產(chǎn)品裝配單元?jiǎng)澐郑?/p>

將產(chǎn)品分成前、后段組件及中間直筒段三部分的裝配單元，三個(gè)裝配單元完成由零件到組件的裝配工作，最后完成三個(gè)組件的總裝對(duì)接。

8.2前、后端組件裝配方案：

前、后端組件結(jié)構(gòu)相似，裝配方案及裝配工裝相同，前、后段組件結(jié)構(gòu)組成如下：

零件由內(nèi)到外，軸、框、外罩先后在工裝上完成定位，連接，工裝方案如下圖，產(chǎn)品立放，裝配完成后從側(cè)面下架。

8.3方案三優(yōu)點(diǎn)：

該裝配工藝方案實(shí)際是把中間段的3段直段的所有零件的組裝均放在了一起，實(shí)現(xiàn)了直筒段的集中裝配，縮短了直筒段的生產(chǎn)線，且有利于整個(gè)直筒段的裝配協(xié)調(diào)。

8.4方案三缺點(diǎn)：

該工藝方案實(shí)際也跟方案1一樣，把前封頭段和后封頭段獨(dú)立裝配，仍然將遇到最終翻轉(zhuǎn)和吊裝對(duì)位難的問(wèn)題。

而直筒段的所有裝配均集中在了一起，需要的各種定位器很多，且將相互產(chǎn)生干涉，需要不斷拆裝，將影響工作質(zhì)量和生產(chǎn)安全。尤其是后期的內(nèi)部定位器拆除工作量巨大，非常不利于生產(chǎn)。

9. 優(yōu)化的最佳裝配路線

綜合分析以上可能的幾種裝配方案，對(duì)整體方案進(jìn)行了綜合、優(yōu)化，形成了最為合理可行的一種裝配路線，此方案為最優(yōu)方案，簡(jiǎn)化了流程，節(jié)省了裝配周期，節(jié)省了成本，同時(shí)裝配精度滿足設(shè)計(jì)要求[5]：

（1）對(duì)接總裝工作站，完成5個(gè)工藝段的對(duì)接總裝工作;

（2）中直段殼體組裝工作站，完成中直段的殼體與框和長(zhǎng)桁的組裝;

（3）前、后直段殼體組裝工作站，完成前、后直段的殼體與框和長(zhǎng)桁的組裝;

（4）中直段超級(jí)殼體壁板組裝工作站，完成中直段的殼體分組之前的拼裝，形成便于總裝的超級(jí)殼體壁板;

（5）前、后直段超級(jí)壁板組裝工作站，完成前、后直段的殼體分組之前的拼裝，形成便于總裝的超級(jí)殼體壁板;

（6）需要的關(guān)鍵設(shè)備包括：殼體上架、下架、轉(zhuǎn)移工裝;主軸調(diào)裝工裝;數(shù)字化定位系統(tǒng);移動(dòng)定位系統(tǒng);吊裝轉(zhuǎn)移系統(tǒng)和數(shù)字化定位與檢測(cè)系統(tǒng)。

結(jié)束語(yǔ)：

本文針對(duì)大型壓力罐體成型模具的裝配難點(diǎn)，借鑒大型民用飛機(jī)機(jī)身的裝配思路，設(shè)置模塊化的裝配工裝站，每個(gè)工作站獨(dú)立裝配后進(jìn)行總裝，縮短裝配周期降低勞動(dòng)強(qiáng)度;結(jié)合三單元裝配方案，最后總結(jié)出最優(yōu)化的裝配方案，為大型壓力罐體成型模具的裝配提供了思路和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)模具設(shè)計(jì)大典，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，江西科學(xué)技術(shù)出版社

[2]民用飛機(jī)自動(dòng)化裝配系統(tǒng)與裝備，林忠欽主編，上海交通大學(xué)出版社

[3]民用飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線規(guī)劃技術(shù)研究，陳磊、唐水龍，上海飛機(jī)制造有限公司

[4]模具裝配與維修技術(shù)，周躍華、李健平、周玲，機(jī)械工業(yè)出版社

[5]模具制作與裝配技術(shù)，淮遵科，機(jī)械工業(yè)出版社