一种柔性空间曲面产品用一体化工装及其使用方法与流程

1.本发明涉及工装制造技术领域，具体涉及一种柔性空间曲面产品用一体化工装及其使用方法。


背景技术：

2.随着新材料与新技术的发展，复合材料制品的种类及其制造工艺不断创新；大面积柔性复合材料被广泛应用于飞机蒙皮、异形曲面衬层及深海探测设备的关键部位，在军、民用装备中均发挥重要作用。
3.由于各式装备在设计时考虑因素多，如：新型航空飞行器的蒙皮、防护罩等零部件在设计时，不仅需要考虑气动特性等影响、还要考虑机身零部件为应对振动和外力所需的强度。为满足苛刻的气动要求，上述(如新型航空飞行器的蒙皮、防护罩等)零部件通常将外形设计为空间扭转曲面；为了保证复合材料制品装配强度，零部件的安装接口通常设置数量较多且精度要求高，且需要在制作后进行抗振动强度校核试验；因此，如何保障柔性大面积空间扭转曲面产品(如新型航空飞行器的蒙皮、防护罩等)的制造成形和安装接口准确加工成为影响产品质量的关键因素，其直接影响该零部件与装备整体的装配强度与适配度、进而影响装备整体性能。
4.目前，在制造柔性大面积空间扭转曲面产品时，通常利用成形和钻孔模具来确保产品的精度；然而，大面积曲面产品成形与钻孔模具的制造面临曲面法向孔采用三轴机床难以准确加工(柔性大面积空间扭转曲面体积较大且孔位均分布在曲面上、三轴机床无法精准找到不同曲率面上的法线，进而造成加工难度大)，采用大型五轴机床加工面临排期长(五轴机床数量少)、费用高等问题，进而影响柔性大面积空间扭转曲面产品的研发与制造进度。


技术实现要素：

5.针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种柔性空间曲面产品用一体化工装，该一体化工装通过模具结构改进，确保采用三轴机床也能够对柔性大面积空间扭转曲面产品的各个曲面法向孔进行精准加工，定位精度高、误差小，有效避免采用五轴机床加工曲面法向孔排期长、费用高的问题，大幅节省柔性大面积空间扭转曲面产品的制造、验证时间及生产成本。
6.本发明的另一个目的在于提供上述一体化工装的使用方法。
7.本发明的目的通过以下技术方案实现：
8.一种柔性空间曲面产品用一体化工装，其特征在于：包括凸模、凹模、定位座及分型组件；凹模位于凸模外侧，凸模与凹模整体均为拱形结构且凸模与凹模的相对面(即凸模与凹模直接与产品接触的面)采用与产品(即柔性空间曲面产品)同样的空间扭转曲面；凸模与凹模前、后端分别设置定位座，且凸模的定位座与凹模的定位座分别对应设置销孔及螺钉孔、用于安装定位销与紧固螺钉；凸模与凹模表面且对应产品定位孔位置开设用于安
装分型组件的方形孔，分型组件包括横截面为方形的分型嵌入件与设置外螺纹的保护钢套，分型嵌入件与方形孔过盈配合且分型嵌入件中部设置阶梯孔，阶梯孔为由外侧向内侧直径减小，保护钢套与阶梯孔下端(即小直径段)螺纹连接，阶梯孔的轴线与对应的凸模或凹模的曲面法线共线。
9.作进一步优化，所述凸模与凹模均采用整体制造，通过锻打小体积原材料形成大体积铝块，通过粗车、精车及光面减材制造的加工方法获得。
10.作进一步优化，所述凸模远离凹模的侧面设置拱形的加强筋且凸模远离凹模侧面的下部两端通过多根平行设置的支撑梁连接。
11.作进一步优化，所述凸模下端通过螺栓分别与两侧转接板连接。
12.作进一步优化，所述分型嵌入件采用拼装式结构。
13.作进一步优化，所述凸模的阶梯孔内通过垫片与螺母安装转接件，转接件横街面为“t”形结构且其大直径段卡在阶梯孔的大直径段内，转接件的小直径段贯穿保护钢套内圈且依次与垫片、螺母连接，垫片与螺母设置在凸模远离凹模的一端端面；转接件的大直径段端面中部开设螺纹孔。
14.一种柔性空间曲面产品一体化工装的使用方法，其特征在于：包括产品制造成形方法与振动试验方法；
15.制造成形方法具体为：首先，拆卸定位销与安装螺钉，将凹模由凸模上取下；然后卸下凸模上的转接件，按照柔性产品的工艺要求将柔性材料铺层至凸模表面，并进行挤压与封边，完成柔性空间曲面产品的初步成形；之后，将凹模重新安装在铺设有柔性材料的凸模上，并装上定位销、使得凹模与凸模之间进行预定位；再之后，通过紧固螺钉的安装实现凸模与凹模之间的完全定位及产品的完全成形；最后，采用钻孔工具沿凹模曲面的保护钢套内孔进行钻孔，整个过程保持凸模与凹模的紧固，实现柔性空间曲面产品定位孔的开设；待全部定位孔加工完毕后，再次取下凹模、取下成形产品；
16.振动试验方法具体为：首先，拆卸定位销与安装螺钉，将凹模由凸模上取下；然后，检查凸模上转接件的安装情况、确保各个转接件均紧固安装，检查凸模和转接板的连接情况、确保凸模与转接板紧固连接；之后，将带有凸模的转接板安装在振动试验台上；最后，通过螺栓与螺纹孔实现柔性空间曲面产品与凸模表面的紧固连接，开启振动试验台、进行振动试验。
17.本发明具有如下技术效果：
18.本技术一体化工装通过分型嵌入件、阶梯孔与保护钢套的配合设计，有效解决利用三轴机床无法精确加工复杂空间扭转曲面法向孔的问题，从而避免使用五轴机床加工复杂空间扭转曲面法向孔，节省排期时间、降低生产成本，实现降本增效；通过方形的分形嵌入件设计，一是可避免钻孔或螺栓固定过程形成扭转力矩造成分形嵌入件转动而产生偏移，二是利用在分形嵌入件上加工法向孔，保证加工精度、简化加工工艺(如复杂或大型分形嵌入件可采用拼装式加工，即将分形嵌入件拆分成三瓣或四瓣进行加工)；通过保护钢套的设计，一是在钻孔过程中形成对钻头的导向作用、避免钻头偏移，二是避免钻头破坏分形嵌入件，三是能够有效对转接件进行紧固定位；通过定位销与紧固螺钉，既实现了凸模与凹模之间定位与紧固，又利用紧固螺钉的紧固力与凹模自身重力辅助产品完成压制成形。
19.本技术一体化工装实现了柔性空间曲面产品的成形制造与振动工装的一体化，可
用于产品的多曲面定位孔开设、产品的压制成形及产品的高强度振动试验，实现制造模具与振动工装的互用，大幅度减少开模费用与加工周期，节能减材、避免资源浪费。
附图说明
20.图1为本发明实施例中一体化工装的整体结构示意图。
21.图2为本发明实施例中一体化工装的分型组件处的结构剖视图。
22.图3为本发明实施例中凹模三坐标检测示意图。
23.图4为本发明实施例中凸模三坐标选取点位示意图；其中，图4(a)为第一组模具选取点位，图4(b)为第二组模具选取点位，图4(c)为第三组模具选取点位，图4(d)为第四组模具选取点位。
24.其中，10、凸模；11、加强筋；12、支撑梁；13、转接板；20、凹模；30、定位座；41、分型嵌入件；42、保护钢套；43、转接件；431、螺纹孔；432、垫片；433、螺母。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.实施例1：
27.如图1～2所示：以制备外形最大尺寸1309
×
710
×
505mm、厚度为10mm的空间扭转曲面，其定位孔尺寸均为7mm为例：
28.一种柔性空间曲面产品用一体化工装，其特征在于：包括凸模10、凹模20、定位座30及分型组件；凹模20位于凸模10外侧(如图1所示：即凸模20位于凸模10上侧)，凸模10与凹模20整体均为拱形结构且凸模10与凹模20的相对面(即凸模10与凹模20直接与产品接触的面)采用与产品(即柔性空间曲面产品)同样的空间扭转曲面(即图1所示凸模10的上侧面、凹模20的下侧面采用与产品同样的空间扭转曲面)；凸模10与凹模20前、后端分别设置定位座30(如图1所示)，且凸模10的定位座30与凹模20的定位座30分别对应设置销孔及螺钉孔、用于安装定位销与紧固螺钉；凸模10与凹模20均采用整体制造，通过锻打小体积原材料形成大体积铝块，通过粗车、精车及光面减材制造的加工方法获得；凸模10与凹模20的整体制造材料可采用7075铝合金；模具制造过程中，凸模10、凹模20与产品接触面的粗糙度小于3.2。
29.凸模10远离凹模20的侧面设置拱形的加强筋11(如图1所示，且本实施例中加强筋11的数量为2根、每根加强筋11的宽度为40mm)且凸模10远离凹模20侧面的下部两端通过多根平行设置的支撑梁12连接(如图1所示，且本实施例中支撑梁11的数量为4根)；凸模10下端通过螺栓分别与两侧转接板13连接，转接板13上设置与振动试验台连接的孔位。
30.凸模10与凹模20表面且对应产品定位孔位置(即产品需要进行定位孔开设的位置)开设用于安装分型组件的方形孔，分型组件包括横截面为方形的分型嵌入件41与设置外螺纹的保护钢套42，分型嵌入件41与方形孔42过盈配合且分型嵌入件41中部设置阶梯孔、阶梯高度为3mm，分型嵌入件41的边长为35mm，阶梯孔为由外侧向内侧直径减小(针对凸
模10：阶梯孔为靠近产品的一端为大直径段、远离产品的一端为小直径段，针对凹模20：阶梯孔为靠近产品的一端为小直径段、远离产品的一端为大直径段)，阶梯孔的大直径段直径为15mm、小直径段直径为10mm；保护钢套42与阶梯孔下端(即小直径段)螺纹连接，保护钢套42采用高锰钢，其外径为10mm、内径为7mm，阶梯孔的轴线与对应的凸模10或凹模20的曲面法线共线。
31.凸模10的阶梯孔内通过垫片432与螺母433安装转接件43(如图2所示)，转接件43横街面为“t”形结构且其大直径段卡在阶梯孔的大直径段内，转接件的小直径段贯穿保护钢套42内圈且依次与垫片432、螺母433连接，垫片432与螺母433设置在凸模10远离凹模20的一端端面；转接件43的大直径段端面中部开设螺纹孔431。
32.实施例2：
33.作为对本技术方案的进一步优化，在实施例1方案的基础上，分型嵌入件41采用拼装式结构，如采用两瓣、三瓣、四瓣甚至五瓣拼接组成，进而完全填充方形孔；多块分型嵌入件41通过金属专用胶(采用本领域常见的金属专用胶即可)进行粘接及嵌入方形孔内的连接。
34.同时，方形孔及分型嵌入件41的结构也可以根据具体情况设置为椭圆形、五边形、六边形等。
35.实施例3：
36.一种上述柔性空间曲面产品一体化工装的使用方法，其特征在于：包括产品制造成形方法与振动试验方法；
37.制造成形方法具体为：首先，拆卸定位销与安装螺钉，将凹模20由凸模10上取下；然后卸下凸模10上的转接件43，按照柔性产品的工艺要求将柔性材料铺层至凸模10表面，并进行挤压与封边，完成柔性空间曲面产品的初步成形；之后，将凹模20重新安装在铺设有柔性材料的凸模10上，并装上定位销、使得凹模20与凸模10之间进行预定位；再之后，通过紧固螺钉的安装实现凸模10与凹模20之间的完全定位及产品的完全成形；最后，采用钻孔工具沿凹模20曲面的保护钢套42内孔进行钻孔，整个过程保持凸模10与凹模20的紧固，实现柔性空间曲面产品定位孔的开设；待全部定位孔加工完毕后，再次取下凹模20、取下成形产品；
38.振动试验方法具体为：首先，拆卸定位销与安装螺钉，将凹模20由凸模10上取下；然后，检查凸模10上转接件43的安装情况、确保各个转接件43均紧固安装，检查凸模10和转接板13的连接情况、确保凸模10与转接板13紧固连接；之后，将带有凸模10的转接板13安装在振动试验台上；最后，通过螺栓与螺纹孔431实现柔性空间曲面产品与凸模10表面的紧固连接，开启振动试验台、进行振动试验。
39.采用三坐标检测法对模具曲面孔位进行随机检测，凹模20的三坐标检测如图3所示，凸模10的选取点位如图4所示，部分检测结果如下表1所示：
40.表1：三坐标检测结果：
41.孔位x向误差y向误差z向误差位置度公差10.0410.027-0.006
±
0.22-0.025-0.2420.014
±
0.23-0.0040.048-0.021
±
0.2
4-0.0380.069-0.002
±
0.25-0.0120.0170.000
±
0.26-0.0250.0230.090
±
0.27-0.0210.0310.043
±
0.28-0.0290.0390.031
±
0.290.0650.083-0.001
±
0.210-0.0390.0620.011
±
0.211-0.0720.0620.005
±
0.212-0.0740.0720.013
±
0.213-0.0460.085-0.002
±
0.214-0.035-0.0770.045
±
0.2
……………
77-0.005-0.141-0.099
±
0.278-0.008-0.105-0.140
±
0.279-0.012-0.040-0.035
±
0.2
42.试验结果表明：本技术模具的各个孔位的曲面中心点位置度在
±
0.2的范围内，即加工后的定位孔曲面中心点位置度在
±
0.2的范围内，满足产品接口精度要求。
43.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种柔性空间曲面产品用一体化工装，其特征在于：包括凸模、凹模、定位座及分型组件；凹模位于凸模外侧，凸模与凹模整体为拱形结构且凸模与凹模的相对面采用与产品同样的空间扭转曲面；凸模与凹模前、后端分别设置定位座，且凸模的定位座与凹模的定位座分别对应设置销孔及螺钉孔、用于安装定位销与紧固螺钉；凸模与凹模表面且对应产品定位孔位置开设用于安装分型组件的方形孔，分型组件包括横截面为方形的分型嵌入件与设置外螺纹的保护钢套，分型嵌入件与方形孔过盈配合且分型嵌入件中部设置阶梯孔，阶梯孔为由外侧向内侧直径减小，保护钢套与阶梯孔下端螺纹连接，阶梯孔的轴线与对应的凸模或凹模的曲面法线共线。2.根据权利要求1所述的一种柔性空间曲面产品用一体化工装，其特征在于：所述凸模远离凹模的侧面设置拱形的加强筋且凸模远离凹模侧面的下部两端通过多根平行设置的支撑梁连接。3.根据权利要求1或2所述的一种柔性空间曲面产品用一体化工装，其特征在于：所述凸模下端通过螺栓分别与两侧转接板连接。4.根据权利要求1～3任一项所述的一种柔性空间曲面产品用一体化工装，其特征在于：所述凸模的阶梯孔内通过垫片与螺母安装转接件，转接件横街面为“t”形结构且其大直径段卡在阶梯孔的大直径段内，转接件的小直径段贯穿保护钢套内圈且依次与垫片、螺母连接，垫片与螺母设置在凸模远离凹模的一端端面；转接件的大直径段端面中部开设螺纹孔。5.根据权利要求4所述的一种柔性空间曲面产品用一体化工装的使用方法，其特征在于：包括产品制造成形方法与振动试验方法；制造成形方法具体为：首先，拆卸定位销与安装螺钉，将凹模由凸模上取下；然后卸下凸模上的转接件，按照柔性产品的工艺要求将柔性材料铺层至凸模表面，并进行挤压与封边，完成柔性空间曲面产品的初步成形；之后，将凹模重新安装在铺设有柔性材料的凸模上，并装上定位销、使得凹模与凸模之间进行预定位；再之后，通过紧固螺钉的安装实现凸模与凹模之间的完全定位及产品的完全成形；最后，采用钻孔工具沿凹模曲面的保护钢套内孔进行钻孔，整个过程保持凸模与凹模的紧固，实现柔性空间曲面产品定位孔的开设；待全部定位孔加工完毕后，再次取下凹模、取下成形产品；振动试验方法具体为：首先，拆卸定位销与安装螺钉，将凹模由凸模上取下；然后，检查凸模上转接件的安装情况、确保各个转接件均紧固安装，检查凸模和转接板的连接情况、确保凸模与转接板紧固连接；之后，将带有凸模的转接板安装在振动试验台上；最后，通过螺栓与螺纹孔实现柔性空间曲面产品与凸模表面的紧固连接，开启振动试验台、进行振动试验。

技术总结
本发明提供一种柔性空间曲面产品用一体化工装，包括凸模（10）、凹模（20）、定位座（30）及分型组件；凸模（10）与凹模（20）整体均为拱形结构且凸模（10）与凹模（20）的相对面采用与产品同样的空间扭转曲面；凸模（10）与凹模（20）前、后端分别设置定位座（30）；凸模（10）与凹模（20）表面且对应产品定位孔位置开设用于安装分型组件的方形孔，分型组件包括横截面为方形的分型嵌入件（41）与设置外螺纹的保护钢套（42）。该一体化工装通过模具结构改进，确保采用三轴机床也能够进行柔性曲面产品的各个曲面法向孔的精准加工，定位精度高、误差小，有效避免采用五轴机床加工曲面法向孔排期长、费用高等问题。题。题。


技术研发人员：崔阳文 李忠盛 吴道勋 黄安畏 唐晶晶 孙彩云 周富 蒋龙 赵新 刘鹏
受保护的技术使用者：中国兵器装备集团西南技术工程研究所
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/12