CN117077325B - 一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空‑磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法，属于装夹工装技术领域，包括：通过测量蒙皮和工装的不贴合间隙，计算蒙皮和工装完全贴合时需要的最小贴合力及真空平台施加真空吸附力，通过求解最小贴合力与真空吸附力之间的差值，从而确定全贴合时需要施加的磁力大小；同时，基于磁力拉伸试验绘制单位磁场强度下的磁力—厚度衰减曲线，依据最小磁力及衰减曲线确定需要施加的磁场大小，从而通过在蒙皮非加工区域布置磁性附件，依靠磁力加真空的方式实现蒙皮与工装型面完全贴合。本方法有效地解决了碳纤维蒙皮‑工装型面不贴合造成的零件型面铣伤等问题，满足了碳纤维蒙皮型面精确加工需求。
Description
技术领域
本发明属于夹具设计领域，涉及一种碳纤维蒙皮零件新型装夹工装设计方法，具体涉及一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法。
背景技术
碳纤维复合材料因其高比强度、高比刚度、质轻、耐腐蚀、可设计性强等优点，在航空航天等领域的运用越来越广泛，一些飞机的金属蒙皮也逐渐被复合材料蒙皮代替。为满足装配及连接等要求，碳纤维增强复合材料蒙皮经过铺叠、固化成型后，其尺寸精度难以达到装配需求，因此需要进行二次数控加工。
但由于碳纤维独特的材料特性，在热压成型后，零件毛坯会发生固化变形，且成型厚度会存在0.15~0.25mm误差，由于工装制造精度限制，现目前装夹工装型面精度仅能达到±0.1mm，因此，在工装型面精度波动问题及毛坯固化变形共同影响下，蒙皮与工装存在不贴合现象，间隙可达0~0.8mm，当蒙皮与工装之间的间隙+基体厚度误差+工装型面偏差＞设计补偿量时，若直接加工，蒙皮型面必然会铣伤。
因此，为解决蒙皮基体铣伤问题，现有解决方案为设计专用真空工装，靠真空吸附力使加工蒙皮型面与工装型面贴合。但由于碳纤维材料刚度大、强度高，真空吸附能力有限，据统计真空夹具最大能提供的负压为-0.08MPa，而要将与工装间隙为0.5mm，厚度为4mm的蒙皮全压贴合需要在型面上施加0.105MPa，因此仅靠真空工装无法消除蒙皮与工装之间的不贴合间隙。
因此，亟待研究一种真空/磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中因碳纤维固化变形等因素造成零件-工装不贴合而铣伤蒙皮型面的问题，提出一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法，该方法将真空与磁力相结合，实现了型面加工时蒙皮与工装型面完全贴合。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种真空/磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、获取蒙皮零件与工装不同特征位置的不贴合间隙；
步骤S2、计算将最大不贴合间隙压回理论位置的最小贴合力F；
步骤S3、计算在真空负压下的真空吸附力大小F1；
步骤S4、确定真空管道布置空间；
步骤S5、基于最小贴合力及真空吸附力计算贴合的最小磁力F2=F-F1；
步骤S6、根据磁力衰减规律，作出磁力随蒙皮厚度的磁力-衰减曲线；
步骤S7、确定磁场发生装置与磁铁压块附件之间的距离h1；
步骤S8、依据磁力—厚度衰减曲线确定磁场强度B，按照1.5倍的安全裕度计算需要的磁场强度并选择相应的电磁铁，集成于工装内部；
步骤S9、根据零件实际特征，在零件非加工面布置相应的磁铁压块附件。
进一步地，最大不贴合间隙由基于加工实测数据统计得到。
进一步地，确定最小贴合力F时，采用有限元仿真的方式，以不贴合间隙为基础，计算不同特征位置的贴合力，取其中最大值为最小贴合力F。
进一步地，真空吸附力F1=P*S，其中P为真空装置与大气压之间的压强差，S为有效吸附面积。
进一步地，采用单位磁场强度B0的磁铁进行不同厚度间隙的磁力拉伸试验，获取磁力—厚度曲线即为磁力衰减曲线。
进一步地，磁场发生装置与磁铁压块附件之间的距离h1=η+h0+3mm，式中η为加工蒙皮厚度，h0为真空管道布置需要的空间工装型面厚度。
进一步地，选取磁力-衰减曲线上的对应h1厚度间隙的磁力大小F3；通过经验公式获取最小磁力F2需要的磁场强度，B0为单位磁场强度。
进一步地，磁场发生装置为磁场强度可控电磁铁，其最大磁场强度为获取最小磁力F2需要的磁场强度B的1.5倍。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本方法通过测量蒙皮-工装不贴合间隙，计算蒙皮-工装完全贴合时需要的最小贴合力及真空平台施加真空吸附力，通过求解最小贴合力与真空吸附力之间的差值，从而确定全贴合时需要施加的磁力大小；同时，基于磁力拉伸试验绘制单位磁场强度下的磁力—厚度衰减曲线，依据最小磁力及衰减曲线确定需要施加的磁场大小，从而通过在蒙皮非加工区域布置磁性附件，依靠磁力+真空的方式实现蒙皮与工装型面完全贴合；
2、本方法有效地解决了碳纤维蒙皮-工装型面不贴合造成的零件型面铣伤等问题，满足了碳纤维蒙皮型面精确加工需求。提出的真空+磁力设计方法，能根据实际不贴合间隙计算磁场强度，从而实现碳纤维蒙皮的精确装夹；
3、本方法的装夹设计方案合理，最终能够得到恰好使蒙皮零件与工装贴合的合适工装，避免了盲目投入，降低了工装的总体投入成本。
附图说明
图1为真空-磁力工装设计方法流程；
图2为实施例2中加工案例涉及的碳纤维蒙皮结构示意图；
图3为最小贴合力理论计算结果；
图4为磁力--厚度衰减试验示意图；
图5为单位磁场强度下的磁力--厚度衰减曲线；
图6为真空-磁力工装俯视图；
图7为图6的A向剖视图；
图中：
1、边缘压紧螺钉，2、真空管道，3、工装型面，4、磁场发生装置，5、磁铁压块附件，6、真空-磁力工装，7、活动轴，8、复材试验件，9、固定轴。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“ 包括”和“ 具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的其他步骤或单元。
实施例1
本发明提供了一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法，该方法在常规的真空蒙皮铣夹工装的基础上，集成了磁场发生装置和真空吸附装置，工装与蒙皮贴合面为理论型面。在使用该工装时需要根据理论计算结果在零件上表面非加工区域布置压块。
具体的，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1、间隙量数据获取：统计测量碳纤维蒙皮零件与工装的不贴合间隙△；具体的，不贴合间隙△为基于加工实测数据统计该类型零件最大的不贴合间隙。
步骤S2、贴合力计算：计算出将固化变形△压回理论位置的最小贴合力F；本步骤中，采用有限元仿真的方式，以不贴合间隙△为基础，计算不同特征位置的贴合力，取其中最大值为最小贴合力。
步骤S3、真空吸附力的计算：计算在真空负压下的真空吸附力大小F1；具体的，F1=P*S，其中P为真空装置与大气压之间的压强差，S为有效吸附面积。
步骤S4、真空管道布置空间确定：计算真空管道布置需要的空间工装型面厚度h0；
步骤S5、磁力计算：基于最小贴合力F及真空吸附力F1计算贴合的最小磁力F2；最小磁力按如下公式进行计算：F2=F-F1。
步骤S6、磁力衰减规律确定：作出磁力随蒙皮厚度的衰减曲线。具体的，本步骤中，采用单位磁场强度B0的磁铁进行不同厚度间隙的磁力拉伸试验，获取磁力—厚度曲线即为磁力衰减曲线，如图5所示。如图4所示为磁力拉伸试验的示意图，复材试验件放置在活动轴和固定轴之间，活动轴和固定轴分别夹持在拉力测试机上。
步骤S7、磁场发生装置布置位置确定：确定磁场发生装置与磁铁压块附件之间的距离h1；具体的，h1=η+h0+3mm，其中，η为加工蒙皮厚度。
步骤S8、磁场发生装置确定：依据磁力—厚度衰减曲线确定磁场强度B，按照1.5倍的安全裕度计算需要的磁场强度并选择相应的电磁铁，集成于工装内部。
具体实施时，选取磁力衰减曲线上的对应h1厚度间隙的磁力大小F3。通过经验公式，其中/>为材料磁导率、/>为真空磁导率、/>为磁极面积、/>为磁铁之间的间隙；从经验公式可获取最小磁力F2需要的磁场强度为：/>。
步骤S9、磁铁压块工装附件设计：计算出蒙皮-工装贴合时，在非加工面需要施加的磁铁块个数及分布情况，并设计出相应的磁铁压块装持工装附件。
实施例2
下面通过具体的实例来说明本发明一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法。
针对如图2所示的某型号蒙皮，其厚度η为4mm，蒙皮面积为8500mm2，厚度误差为±0.2mm，固化变形量为0.4mm，工装型面误差为±0.1mm。
1）间隙量数据获取：通过统计测量该型号的蒙皮最大不贴合间隙为0.8mm，因此以不贴合间隙△=0.8mm为基础。
2）贴合力计算：基于测量不贴合间隙，通过仿真计算蒙皮将蒙皮下压0.8mm时，贴合力大小为F=895.377N，如图3所示。
3）真空吸附力计算：依据真空负压P=-0.08Mpa，F1=P×S=680N。
4）计算最小磁力：依据最小贴合力F及真空吸附力F1，计算需要的最小磁力为：F2=（895.377-680）N=215.377N。
5）真空管道布置空间确定：依据目前真空管道直径为φ5mm，因此，真空布置至少需要的型面厚度h0=5mm。
6）磁力衰减规律的确定：如图4所示，通过采用单位磁场强度B0的磁铁进行不同厚度间隙的磁力拉伸试验，获取如图5所示的磁力衰减曲线。
7）磁场发生装置布置位置确定：磁场发生装置与磁铁压块附件之间的距离h1=η+h0+3mm=（4+5+3）mm=12mm。
8）选取磁力衰减曲线上的对应h1厚度间隙的磁力大小F3；依据衰减曲线可知间隙为12mm时，其磁力F3=76N。因此，此时计算磁场强度B=（215.377/76）2=8.03T。
9）选取磁力发生装置，按照1.5倍的安全裕度选取磁力发生装置，该磁力发生装置最大能产生12.045T的力。
10）工装外形设计，工装型面与零件理论型面应当一致，如图6所示。
11）设计磁铁压块附件，该磁铁压块布置位置为零件型面非加工区域，如图7所示。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、获取蒙皮零件与工装不同特征位置的不贴合间隙；
步骤S2、计算将最大不贴合间隙压回理论位置的最小贴合力F；
步骤S3、计算在真空负压下的真空吸附力大小F1；
步骤S4、确定真空管道布置空间；
步骤S5、基于最小贴合力及真空吸附力计算贴合的最小磁力F2=F-F1；
步骤S6、根据磁力衰减规律，作出磁力随蒙皮厚度的磁力-衰减曲线；
步骤S7、确定磁场发生装置与相应的磁铁压块附件之间的距离h1；
步骤S8、依据磁力—厚度衰减曲线确定磁场强度B，按照1.5倍的安全裕度计算需要的磁场强度并选择相应的电磁铁，集成于工装内部；
步骤S9、根据零件实际特征，在零件非加工面布置相应的磁铁压块附件。
2.根据权利要求1所述的一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法，其特征在于，最大不贴合间隙由基于加工实测数据统计得到。
3.根据权利要求1所述的一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法，其特征在于，确定最小贴合力F时，采用有限元仿真的方式，以不贴合间隙为基础，计算不同特征位置的贴合力，取其中最大值为最小贴合力F。
4.根据权利要求1所述的一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法，其特征在于，真空吸附力F1=P×S，其中P为真空装置与大气压之间的压强差，S为有效吸附面积。
5.根据权利要求1所述的一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法，其特征在于，采用单位磁场强度B0的磁铁进行不同厚度间隙的磁力拉伸试验，获取磁力—厚度曲线即为磁力衰减曲线。
6.根据权利要求1所述的一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法，其特征在于，磁场发生装置与磁铁压块附件之间的距离h1=η+h0+3mm，式中η为加工蒙皮厚度，h0 为真空管道布置需要的空间工装型面厚度。
7.根据权利要求1所述的一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法，其特征在于，选取磁力--衰减曲线上的对应h1厚度间隙的磁力大小F3；通过经验公式获取最小磁力F2需要的磁场强度 ，B0为单位磁场强度。
8.根据权利要求7所述的一种真空-磁力协同的蒙皮型面精确铣削工装设计方法，其特征在于，磁场发生装置为磁场强度可控电磁铁，其最大磁场强度为获取最小磁力F2需要的磁场强度B的1.5倍。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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