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柔性工装在导管数字化制造中的应用

2016/9/28    来源:互联网    作者:罗敏  周京平      
关键字:导管三维数模  柔性工装  标准模块  虚拟拼装  
针对航空发动机外部管路制造中利用样机排管,依靠型架成型与焊接的现状,在分析现有各种管类零件特征的基础上,设计了柔性工装标准模块,探索出一套依托导管三维模型提前组合拼装导管焊接定位工装,提高导管的制造精度,实现无样机排管,使导管研制与其他部件研制并行,降低工装费用,有效缩短发动机外部管路研制周期。

    导管是航空发动机的血脉,数量很多,形状各异,空间位置较复杂,除了涉及支管、管接头、法兰盘本身的数据外,还涉及它们之间的相对位置,很难用数据直接表述。在航空发动机导管制造方面,传统的导管制造通常采用“先取样后生产”的模式,用实样作为制造依据,但实样因环境温度、湿度、长期悬挂会产生变形,使导管的制造质量得不到很好的保证;同时,取样环节的存在给导管的生产管理带来极大不便。

    由于航空发动机导管结构复杂,多采用焊接工艺,导管组件的成型与焊接过程中,工装是必不可少的。传统的工装生产模式是以导管实样为依据制造永久性工装。由于研制阶段的反复取样,导致了传统模式无法满足新机研制中快速、柔性、敏捷制造的要求,因此,用导管数模代替实样开展导管制造柔性工装快速设计、制造研究是非常必要的。

1 国内外导管制造工装发展现状

1.1 国内导管制造工装现状

    目前,国内航空发动机导管已实现了金属样机结合数控弯管机进行导管的数控弯曲,但由于不能准确切端及确定导管接头的空间位置,仍需要借助金属样机和型架排定最终的管型。型架依然是国内导管制造应用的主要工装,由于一套型架只能用于一个装配对象,而且,国内航空公司都面临着多种型号飞机的同时研制和批量生产,因此,导管生产准备过程中需要制造大量的装配型架。型架精度低、刚性差,使用过程中容易变形,已经越来越不适应发动机数字化、高精度发展的需要。而且,大量型架的制造周期长,存放、保管和维护工作量都很大。

1.2 国外导管制造工装现状

    1994年欧盟提出“基于协作型多功能操作机器人的航空产品柔性装配系统”研究项目,其最终目标是实现数字化无型架装配。20世纪末美国和欧洲国家已经采用全数字化定义和无图纸生产技术,实现了工装和产品的并行设计,各部门并行作业,以数字量传递作为各工艺环节的协调依据。

2 航空发动机导管制造用工装发展方向

    随着三维数字化定义在发动机产品设计、工艺设计中的广泛应用,各种军用和民用发动机试制速度加快,研制周期更短,制造精度要求更高。用数字量的复杂导管模型代替传统的导管实样,建立导管数字化敏捷制造快速反应系统,应用导管制造柔性工装实现导管的无型架数字化装配,从而使导管制造彻底摆脱对型架和标准样件及样机的依赖,实现无样机排管、无样件制造、无校正装配,精品交付的目标。

3 导管制造柔性工装的特点及设计流程

    柔性工装是将成组技术、信息技术、数控技术和自动化技术等先进技术引入工装设计、制造、应用与管理等各环节,构建基于模块化、标准化、信息化、自动化的工装应用体系,从而优质、快捷、高效、低成本地满足产品生产需求。发动机研制中,导管的空间走向处于反复叠代、不断优化的过程中,为适应导管多品种、短周期的制造需求,考虑到柔性工装的通用性、可反复拆卸、可重复使用的特点,可用柔性工装代替传统型架和样件,实现导管数字化快速制造。

3.1 导管参数统计及工艺分析

    在导管焊接中,工装主定位装夹系统的功能是完成焊接结构和焊接接头的准确定位并夹紧,它主要考虑的是工件的形状特征、焊接结构接头特征、装配特征、焊缝特征和焊接收缩量等。通常在焊接管件中要用到的参数为管件的内径、外径及管距底面的距离等参数。通过这些管件特征参数可使一个管件实例区别于其他管件实例。将这些参数存放在管件特征参数数据库中。获取这些参数后,就可以通过这些参数去选用相关的工装元件,确定元件位置,从而最终完成工装的装配。

    对于焊接导管来说,其空间位置摆放对焊接柔性工装中的支架高度选取有极大的关系。管件位置摆放不当不但会增加工装装配的材料消耗,,而且还会降低管件焊接时的稳定性。经总结,得出管件摆放应遵循如下准则:底面与管件轴线各关键点之间的距离总和最小,与某段直管段平行,而这段直管段应为管件首尾端的直管段或是最长直管段。这样不仅保证了导管焊接时的稳定性,同时还可以降低夹具装配时的材料消耗。

3.2 导管制造柔性工装的结构特点

    导管制造柔性工装区别于传统工装的关键特征在于柔性化,是基于产品数字量尺寸协调体系的,专门针对导管类零件装配焊接而设计的可重组的模块化、标准化工装。它是由一套预先制造好的各种不同形状、不同规格、不同尺寸、具有完全互换性的标准元件和组合件,按工件的加工要求组装而成的。工装的元件及组合件是考虑了导管的制造特点,导管的特殊形式和种类,基础元件分组设计,定位单元通过一定的控制方法,可精确调整定位器的空间位置和姿态,以满足不同管件的定位要求,实现柔性化定位。夹紧固持单元根据管件外形的特点适当调整结构,以满足不同产品的夹紧固持要求。

    导管制造柔性工装的设计首先要改变传统的工装结构,将工装元件划分为独立于产品数据的标准模块和依赖于最终产品数据的专用结构件。标准模块包括基础板,定位组件,夹紧机构和辅助机构。标准模块主要根据相似结构的管类零件的轮廓尺寸、结构特点、夹压方式等因素确定。标准模块尺寸根据可能生产的产品规格型号,按一定规律分档划分尺寸范围。某一尺寸规格的标准模块可满足几种型号规格的产品生产要求。

    专用结构件主要是定位元件,包括定位销、与法兰连接的定位块等,允许采用一定的调整方式以适应不同管件的安装。其主要调整方式分为更换式、调节式和组合式。定位销可以选用已经标准化和系列化的元件进行改磨;与法兰连接的定位块可以采取组合式或更换式,也可以在工装组装前根据具体零件临时生产。

    在整套导管工装的制造中,标准模块的制造量占80%-90%,而专用结构件的制造量仅占10%-20%。因此,柔性工装的使用,可以实现工艺工装的并行工程,从而缩短工装设计周期,提高工装设计效率和质量。

3.3 导管制造柔性工装的设计制造流程

    导管三维数模设计发放以后,通过PDM平台同时传递给导管工艺员和工装设计员。首先工艺员快速地按照导管三维模型确定导管装配和焊接的工艺基准以及焊接收缩量,并将信息传递给工装设计员。用导管的三维数模代替传统的标准实样,实现柔性工装的数字化快速设计制造,从而满足新机研制高精度、多品种、短周期的制造需求。

责任编辑:屈婷婷
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