真空夾具在薄壁件的加工中應(yīng)用廣泛,如SCHMALZ(施邁茨)公司設(shè)計的真空裝夾系統(tǒng),適合底部平整、面積較大的金屬薄壁件加工。針對薄壁結(jié)構(gòu)件如飛機(jī)蒙皮的裝夾問題,近年來出現(xiàn)了多點柔性夾具,如西班牙M.Torres公司的TORRESTOOL多點柔性工裝系統(tǒng),該夾具可用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等飛機(jī)蒙皮的切邊和鉆銑。北京航空航天大學(xué)建立了基于可重構(gòu)柔性多點模具的飛機(jī)蒙皮數(shù)字化拉形試驗系統(tǒng),突破了飛機(jī)蒙皮CAD數(shù)模工藝補(bǔ)充面的自動生成技術(shù)。中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司針對大型薄壁件的加工變形采取的措施之一是設(shè)計正反兩面加工的真空夾具。這些真空夾具的設(shè)計都為薄壁構(gòu)件的加工變形控制和加工精度的保證提供了有效方法。
典型的飛機(jī)薄壁構(gòu)件表面由多個型腔組成,這些小型腔的腹板部分厚度最薄處達(dá)到1 mm以下,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,形狀和尺寸多變。該類結(jié)構(gòu)件通常不能采用上述的真空夾具,而采用專用的真空夾具,則夾具品種多、數(shù)目多,無法保證夾具的通用性。本文針對整體壁板類薄壁結(jié)構(gòu)的加工設(shè)計了一套真空柔性夾具,并研究了吸盤結(jié)構(gòu)以及板厚對薄壁結(jié)構(gòu)的影響。
某飛機(jī)的薄壁構(gòu)件如圖1所示。由于腹板較薄,加工時受到刀具軸向切削力的作用容易變形,因此為每處腹板增加一套真空柔性夾具,既能提供均勻的夾緊力,又能使腹板得到有效支撐。真空柔性夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 JSF/F35典型結(jié)構(gòu)件幾何特征
圖2 真空柔性夾具結(jié)構(gòu)
真空柔性夾具的工作原理是:未供油壓時,夾具處于釋放狀態(tài);開始供油后,活塞上升,柱塞彈簧帶動吸盤上升直至完全接觸工件;接著,在油壓的作用下錐套下移,通過鋼球?qū)μ淄伯a(chǎn)生較大的徑向作用力,從而對柱塞產(chǎn)生強(qiáng)勁的抱緊力;最后,通過真空泵對密封腔抽真空,在吸附區(qū)域產(chǎn)生均勻的夾緊力,工件加工完成后,使密閉腔與大氣相通,即可松開工件。真空柔性夾具安裝方便,具有自適應(yīng)性,不用手動調(diào)整吸盤的高度,針對不同型腔大小的腹板結(jié)構(gòu),僅更換真空吸附夾具上方的組件即可。
在相同的切削用量和切削方式情況下,腹板的變形規(guī)律相似,這里僅取某一處腹板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。簡化后的裝夾幾何模型如圖3所示。密封件由橡膠制成,材質(zhì)較軟,加工期間對腹板的變形影響可忽略不計,因此在有限元仿真中忽略密封件三維模型,在工件相應(yīng)區(qū)域施加分布載荷q代替負(fù)壓,選取q=55 kPa。為了避免吸盤割傷鋁合金工件,吸盤材料選擇鋁合金,工件和吸盤的材料參數(shù)見表1。
圖3 簡化后的裝夾幾何模型
表1 組件的主要材料參數(shù)
名稱材料彈性模量EN·mm-2泊松比v密度kg·m-3屈服極限MPa工件7050-T74517.17×1040.32830449.493吸盤LY127.1×1040.32800325
將建立的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件內(nèi),采用8節(jié)點六面體單元C3D8R對承載盤和工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對承載盤和工件接觸區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。為了對位移的求解結(jié)果要求精確,因此選擇線性縮減積分單元;腹板在受力分析中承受彎矩,沿厚度方向上至少應(yīng)劃分4個單元。工件腹板下表面和吸盤上表面定義Surface Intact,其接觸屬性設(shè)置為庫倫摩擦,摩擦因數(shù)為0.09。施加邊界條件時,吸盤下表面和整體框左右端突出部分施加固定約束。
采用真空柔性夾具輔助支撐腹板,即增加了一塊剛性支撐,又得到了均勻分布的夾緊力,從而提高了加工時工件的剛度。若對腹板上所有點進(jìn)行受力分析計算,計算量比較龐大,因此僅選取一些參考點進(jìn)行仿真分析。從腹板上表面中心向左依次選取A至G共7個參考點,參考點與腹板中心的距離如表2所示。
表2 參考點與腹板中心的距離 mm
參考點ABCDEFG距離07.512.517.522.527.532.5
取D=40 mm,D1=8 mm,D2=50 mm,a=80 mm,板厚h=2 mm,其余板厚為5 mm,分別在各參考點處直徑Φ1 mm內(nèi)的范圍加載幅值為100 N的變載荷,在其他條件不變的情況下,通過有限元軟件模擬了有、無真空柔性夾具作為輔助支撐兩種條件下的腹板法向變形。
圖4(a)給出了無真空夾具作為支撐情況下,不同參考點處施加載荷所引起腹板受力變形,圖中曲線1~7分別代表在參考點A至G處單獨施加載荷所引起的腹板各點Z向位移;圖4(b)給出了有真空夾具作為支撐情況下,不同參考點處施加載荷所引起腹板受力變形,圖中曲線1~7分別代表在參考點A至G處單獨施加載荷所引起的腹板各點Z向位移。
圖4 不同加載情況下腹板上各點Z向位移
由圖4可以看出,在有、無真空夾具作為支撐的兩種情況下,腹板中心區(qū)域節(jié)點Z向位移量都較其他區(qū)域節(jié)點Z向位移大;在有輔助支撐的情況下,腹板中心區(qū)域節(jié)點Z向位移較無支撐狀態(tài)明顯減小。分別在參考點A、B、C、D處施加載荷時,在腹板上引起的節(jié)點Z向位移總體較大,越靠近載荷處,節(jié)點Z向位移越大。受力區(qū)域越靠近框壁,整體變形越小,受力區(qū)域的最大節(jié)點Z向位移同樣也減小。
薄壁件厚度越小,抵抗變形的能力越弱,在加工過程中極易因切削作用而產(chǎn)生“讓刀現(xiàn)象”和顫振。在真空柔性夾具作為輔助支撐、其余條件同上節(jié)情況下,分別選取不同腹板厚度進(jìn)行分析,表3中列出了各參考點處節(jié)點最大Z向位移量隨厚度的變化。
表3 參考點處節(jié)點Z向位移 μm
板厚(mm)參考點ABCDEFG2625848393222123272624201510541514129754
由表3可知,當(dāng)板厚h為3 mm、4 mm時,腹板在各參考點處節(jié)點Z向位移量整體較小,這是由于腹板厚度增大,剛度變大的緣故;當(dāng)板厚h=2 mm時,在腹板中心區(qū)域受力導(dǎo)致的節(jié)點位移量明顯增加,腹板在其余參考點處受力時,節(jié)點Z向位移量都有所增加。腹板厚度較小時,增加真空柔性夾具是有必要的。
由第4節(jié)可知,對于同一套吸盤而言,當(dāng)腹板厚度變小時,由于密封腔邊界相對腹板厚度較大,腹板剛度不足,節(jié)點Z向位移明顯增加。針對上述問題,提出以下改善措施:減小真空腔邊界間距,劃分成多個真空腔,同時增大吸盤直徑,改進(jìn)后的簡化裝夾模型如圖5所示。在其他條件同第4節(jié)的情況下,對腹板進(jìn)行了有限元仿真分析。圖6為改進(jìn)后有真空吸附單元作為支撐情況下,不同參考點處施加載荷所引起腹板受力變形。圖6中曲線1~7分別代表在參考點A至G處單獨施加載荷所引起的腹板各點Z向位移。
圖5 吸盤改進(jìn)后的簡化裝夾模型
由圖4和圖6可以看出,吸盤結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,腹板中心區(qū)域受載時,腹板節(jié)點Z向位移明顯減小;同時腹板中心區(qū)域節(jié)點位移量大小基本相等,較改進(jìn)前得到有效改善。
設(shè)計了一種新型的真空柔性夾具,介紹了其主要結(jié)構(gòu)和工作原理,較普通真空夾具有較好的通用性,適合各類型腔腹板的加工,可大大減少專用夾具的數(shù)量。
應(yīng)用有限元分析軟件對腹板不同點受力時腹板整體變形進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究表明真空夾具作為薄壁件的輔助支撐,能有效改善薄壁件的變形,對于厚度在3 mm以下的腹板,應(yīng)增加輔助支撐來減小腹板的變形,同時真空腔邊界間距不宜過大。
圖6 吸盤改進(jìn)后不同加載情況下腹板上各點Z向位移