飛機(jī)鋁合金薄壁件真空吸附與自動裝夾技術(shù)研究

馬超 王昌昊 鄭思來 徐瑯 李茂炎 莊濘歷

摘 要：目前真空吸附夾具因其優(yōu)越性，使用比較廣泛，在飛機(jī)制造業(yè)也有使用，但針對于飛機(jī)鋁合金薄壁零件的加工，成形和裝配過程的應(yīng)用研究較少。本文對飛機(jī)鋁合金薄壁零件真空吸附夾具進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，引入CAE方法，對真空吸附夾具進(jìn)行模擬分析和尺寸優(yōu)化設(shè)計，通過程序設(shè)計實(shí)現(xiàn)真空吸附夾具的自動化裝夾。經(jīng)研制的夾具具有結(jié)構(gòu)優(yōu)、通用性好、安全、高效等優(yōu)點(diǎn)，提高了鋁合金薄壁件加工精度，成形質(zhì)量和裝配準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：真空吸附;薄壁零件;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在航空領(lǐng)域里無論是軍用飛機(jī)還是民用飛機(jī)，飛機(jī)的各項性能指標(biāo)要求越來越高，飛機(jī)的基礎(chǔ)構(gòu)架重量要求越來越小[1]。本文對航空鋁合金薄壁零件傳統(tǒng)真空吸附夾具的結(jié)構(gòu)及加工技術(shù)進(jìn)行重新定義與設(shè)計。引入CAE方法，對真空吸附夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析并優(yōu)化，使得夾具結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，加工周期縮短，成本降低。通過對真空吸附夾具的程序化控制和集成化，可以實(shí)現(xiàn)夾具的自動裝夾。提高了鋁合金薄壁類件加工精度，成形質(zhì)量和裝配準(zhǔn)確度，最終為實(shí)現(xiàn)航空鋁合金薄壁零件的全數(shù)字化生產(chǎn)、裝配打下基礎(chǔ)[2-4]。

1 真空吸附夾具三維結(jié)構(gòu)設(shè)計

真空吸附夾具主要有：吸附夾具體、零件板、橡膠圈這三部分組成。在CATIA中的零件設(shè)計和創(chuàng)成式設(shè)計模塊中建立這三部分的三維模型。簡化的夾具體模型

尺寸為600×600mm;槽寬B=7.2mm;槽深H=5.8mm。零件板的模型尺寸為571.6×571.6mm;其厚度t=0.5mm;橡膠圈的模型尺寸為551.6×551.6mm;半徑r=3.0mm，如圖1所示。

在CATIA中裝配之后進(jìn)行干涉檢查，其中橡膠圈與夾具體和零件板都是接觸關(guān)系，而零件板和夾具體之間存在這0.2mm的間隙。

2 真空吸附夾具靜力學(xué)分析

2.1有限元模型

真空吸附夾具相對于零件板和橡膠圈的剛度較大，可以近似認(rèn)為剛性體。其材料選用鋁合金LD5;采用有限Soild187單元;零件板的材料選用LF31;查機(jī)械手冊得到彈性模量為7e10，泊松比為0.3;其結(jié)構(gòu)為薄殼狀結(jié)構(gòu);所以采用Shell181單元;該單元適用于線性，大轉(zhuǎn)動，大變形非線性行為。密封圈為橡膠材料，硬度為HA=71;其彈性模量為5.807e6，泊松比為0.499;而根據(jù)Mooney-Rivlin材料參數(shù)計算可得到C01=0.1936、C10=0.7743、D1=0.0015。橡膠圈采用Solid187單元，該單元來模擬可以使用混合公式來模擬近似不可壓縮的彈性材料和完全不可壓縮的超彈性材料。

2.2真空吸附夾具的網(wǎng)格劃分

如圖2所示。

2.3接觸部分

夾具體和零件板與橡膠的接觸的方式為點(diǎn)-面接觸，而夾具體與零件板的接觸方式采用面-面接觸。接觸剛度為0.1，容差系數(shù)也為0.1。

2.4力學(xué)模型

載荷加載：對于該模型起到的是吸附作用，所以在零件板上沿著橡膠圈軸線內(nèi)側(cè)施加一個方向為Z軸向下，大小為0.1Mpa的面載荷。

約束情況：吸附夾具對于橡膠圈和零件板剛度較大，且完全固定，所以將吸附夾具做一個全約束。如圖3所示。

2.5靜力學(xué)分析結(jié)果

通過有限元軟件對模具進(jìn)行靜力分析，得到了零件板Z方向的位移，如圖4所示。

當(dāng)橡膠圈HA=71時，零件板尺寸為571.6×571.6mm的Z方向位移局部視圖。

2.6分析結(jié)論

根據(jù)位移云圖顯示其中間部分的位移量最大，而零件板邊緣上的位移量最小。當(dāng)真空吸附夾具沒有抽真空時，其零件板和夾具之間有0.2mm的間隔。而抽完真空后，該零件板中間部分與夾具像貼合，使得最大位移為0.2mm。而零件板下面邊緣處有橡膠作為緩沖作用，其位移量最小為0.0014204。

3 真空吸附夾具尺寸優(yōu)化設(shè)計

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中有三大要素：設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)、和約束條件。設(shè)計變量是在優(yōu)化過程中可以改變，從而使結(jié)構(gòu)性能得到提高。目標(biāo)函數(shù)是要求最優(yōu)的設(shè)計性能，而約束條件是對該優(yōu)化目標(biāo)的限制，使得結(jié)構(gòu)性能滿足其他要求。它的數(shù)學(xué)模型一般可表示為：

本文的設(shè)計變量為夾具體密封槽的槽寬B（X1）、槽深H（X2）、零件板到密封槽外側(cè)的距離C（X3）。即X=[X1，X2，X3]T，單位：mm。而目標(biāo)函數(shù)選擇零件板邊緣的最大位移DMAX和C的倒數(shù)D;即DMAX=F（H，B，C），D=1/C.最后將零件板邊緣在Z方向的位移DMAX作為約束條件進(jìn)行優(yōu)化。

3.1設(shè)計變量槽寬B優(yōu)化

查機(jī)械手冊和資料，綜合考慮給定槽寬B的范圍7.10-7.80mm，槽深H固定為5.8mm，零件板邊緣到槽外側(cè)的距離C為10mm，而DMAX作為設(shè)計變量和目標(biāo)函數(shù);將范圍控制在-0.10-0.20mm，圖 5為槽寬B=7.20mm的零件板位移圖。

從優(yōu)化結(jié)果來看當(dāng)槽寬B為7.30mm時，零件板Z方向的位移量最小，所以最優(yōu)解為B=7.30mm。

3.2設(shè)計變量槽高H優(yōu)化

查機(jī)械手冊和資料，在橡膠硬度HA=71，工作壓力0.1Mpa，橡膠半徑6mm的情況下，為了不影響密封性和橡膠的壓縮率，給定槽深H的范圍5.70-5.90mm，而槽寬B選擇最優(yōu)解為7.30mm，零件板邊緣到槽外側(cè)的距離C為10mm，而DMAX作為設(shè)計變量和目標(biāo)函數(shù)，將范圍控制在-0.10-0.20mm，圖 6為槽寬H=7.20mm的零件板位移圖。

從優(yōu)化結(jié)果來看當(dāng)槽寬B=7.3mm，槽深H為5.9mm時，零件板Z方向的位移量最小，從而翹曲值也隨之減小，所以槽深H的最優(yōu)解為5.9mm。

3.3設(shè)計變量零件板邊緣到槽外側(cè)的距離C優(yōu)化

根據(jù)邊緣的最大翹曲不超過0.1mm，給C設(shè)定的范圍：20-60mm，槽寬B=7.3mm，槽深H=5.9mm，而而DMAX作為設(shè)計變量和目標(biāo)函數(shù)，將范圍控制在：-0.10-0.20mm，圖 7為槽寬C=50mm的零件板位移圖。

從優(yōu)化結(jié)果來看當(dāng)槽寬B=7.3mm;槽深H為5.9mm時;零件板邊緣到槽外側(cè)的距離C=20mm，零件板Z方向的位移量最小，從而翹曲值也隨之減小，所以C的最優(yōu)解為20mm。

4 真空吸附夾具自動裝夾設(shè)計

本文研究設(shè)計的飛機(jī)薄壁零件加工柔性夾具總體上可分為機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分，柔性夾具的機(jī)械系統(tǒng)承擔(dān)柔性夾具的定位和支撐功能，而柔性夾具的控制系統(tǒng)能根據(jù)不同蒙皮的形狀，生成機(jī)械系統(tǒng)需要的位置文件，實(shí)現(xiàn)蒙皮模型的數(shù)據(jù)生成功能，根據(jù)柔性夾具的空間位置數(shù)據(jù)，調(diào)整控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制程序的編輯功能，根據(jù)所編制的運(yùn)動控制程序，通過計算機(jī)控制電機(jī)的運(yùn)動方向、速度與位置，使機(jī)械系統(tǒng)上的各部分按要求運(yùn)動到相應(yīng)的位置，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械系統(tǒng)定位和重構(gòu)的控制功能，通過控制真空吸盤的吸附，對蒙皮進(jìn)行真空吸附夾緊，實(shí)現(xiàn)自動夾緊功能[5]，吸附夾具系統(tǒng)設(shè)計如圖8所示。

結(jié)語

通過本文研究，首先，可以充分體現(xiàn)真空吸附自動裝夾技術(shù)的優(yōu)越性，是真正針對飛機(jī)鋁合金薄壁零件開發(fā)的專用夾具。其次，CAE 技術(shù)特別是有限元方法的應(yīng)用，有效提高真空吸附夾具的性能和質(zhì)量，大大縮短設(shè)計時間，降低產(chǎn)品的開發(fā)費(fèi)用和生產(chǎn)成本。最后，吸附夾具系統(tǒng)設(shè)計能幫助提高鋁合金薄壁零件的加工精度，成形質(zhì)量和裝配準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)自動化裝夾，一鍵啟動高效加工，容易與數(shù)控設(shè)備集成化。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建華，歐陽佳，陳文亮.飛機(jī)柔性裝配工裝關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].航空制造技術(shù)，2013（17）49-52.

[2]李紀(jì)磊，雷煒煒，王衛(wèi)英.適用于薄壁件加工的真空柔性夾具設(shè)計[J].機(jī)械工程及其自動化，2016（4）：133-135.

[3]李文強(qiáng)，李賀，段磊.飛機(jī)蒙皮吸盤式柔性工裝系統(tǒng)研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2012（8）：156-158.

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[5]王玉功，梁兵，馮振國.宏程序中斷在真空吸附夾具停氣保護(hù)方面的應(yīng)用[J].金屬加工，2020（02）：78-81.

作者簡介：

馬超（1986-），男，漢，籍貫：四川安岳人，碩士研究生，講師，主要研究方向為塑性加工先進(jìn)技術(shù)研究，現(xiàn)任航空工程學(xué)院專任教師。

基金項目：四川省教育廳科研項目（18ZB0054） ;四川省軍民融合研究院科研項目（2017SC110228）