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大尺度曲面复合材料水切割
来源: 时间:2022-06-15 浏览:5099
应对大尺度曲面复合材料的成型切割工程,本文基于高精度、高速度的切割要求,在美国波音公司水切割应用 基础上提出了以提高工作压力来确定高端的水射流工况,在反复的试验基础上建立数学模型,以超高压水切割加工中心 成套装备的可靠性运行为目标进行水切割机构的闭环设计。通过应用实例,本项目得出超高压水射流可靠运行与其对 复合材料的高精度、高速度切割作业的对立统一经验。本项目理论研究、结构设计、试验应用很好地适应机翼复合材料 加工的高技术要求。由此可见,在可靠运行前提下提高工作压力对高精度、高速度加工复合材料是极

      复合材料不同于大多数金属,它不是各向同性而是各向异性。其加工一直是个工程难题,对于碳纤维复合材料,传统机械加工方式会产生分层、变形、劈裂等问题,且切口光洁度差,只能进行初加工,且产生的超细粉尘严重危害健康。航空飞行器大型构件的特点是大尺度曲面复合材料零接缝切割对接,采用超高压水切割五轴联动平台作业也是美国波音飞机制造公司的标准工艺。对于小至几米大至十余米的成型曲面机翼、尾翼或机身蒙皮等构件,要实现平稳定位、刀头随曲面保持法向横移、射流以点线切入、高速高精度变化相对位置,而且实现随机跟踪监测、调节、补偿一体化,确保大尺度曲面的整体加工精度。而这一切超高要求,最重要的基础设备就是高端超高压水射流发生系统与执行机构。


      课题的目标是切割以机翼为主的大尺度曲面复合材料,其厚度大多在 3 mm 左右,以通用产品的压力已够用。但对大尺度工作的高精度、高速度作业要求,即作业过程中不允许停顿、更不允许重复,且要求法线切缝,轮廓粗糙度为 ± 0. 762mm( ± 0. 03 in,美国波音公司要求) 。通过对美国 PAR 公司 420 MPa 产品应用( 工作压力 350MPa) 的长期应用和对相同材料的试验证实,应当将额定压力提高到 500 MPa,工作压力不低于 400MPa,射流流量仍为 3 L /min。显然,确定了这样一组高端工况参数面临着增压器的升级和整个系统承压后部件与控制部件的可靠运行难题。为了保证 500 MPa 大流量增压器的可靠运行,笔者先期研制了等功率的 600MPa 超高压系统,得出以下设计经验。

( 1) 承压材料的选用。超高压承压零件大多采用 316 L 等高强度不锈钢材料,栓塞为工业陶瓷,进出水阀组多采用 630,蓄能器则为不锈钢与高强钢的组合套筒结构。
( 2) 结构参数的适应性。为了适应 500 ~ 600MPa 超高压单机 3 L /min 大流量的可靠运行,增压器的结构参数优化尤为重要。虽然随着技术的发展,传统设计对柱塞运行的线速度已被突破,但尽可能增大柱塞直径、增加行程,减少往复次数仍是遵循的原则。只有这样,才能提高往复动密封、超高压密封的寿命指标。
( 3) 组合密封设计。无论是往复密封还是静密封的设计都一定是不同密封材料与形状呈轴向组合排列的。它们可能顺排、可能间置。但都必须考虑其轴向尺寸尽可能短,以保证柱塞的自由对中性。当然,密封段的润滑与冷却也须重视。
( 4) 精细加工、结构紧凑。凡是超高压承压零件和水切割头等都须遵循这一点。如进、出水阀组采用限程平板阀,进水流道和出水流道平行布置于中心线两侧的阀体上。这种设计使得余隙容积基本仅限于柱塞行程空间。

( 5) 简单化零件设计。零件设计越简单,超高压工况越安全可靠。因此,承压零件多以直筒状且不采用螺纹连接。尤其是对切割头的专利设计,其特点是水喷嘴、混合腔、混砂管的对中性尤为重要。

      大尺度曲面复合材料水切割的应用实例是对机翼半件修( 裁) 边,该工件长达 11 m,宽约 1m,基本平面,边缘为曲面。工件与点阵托架必须是相触支撑,真空吸附。既不能强吸变形,又不能保持非接触间隙,“C”形杯“卡”住工件沿曲线保持切割头法向作业并运行,不能与曲面有任何碰触,这就要求五轴联动主立轴严格按操控程序运行; 射流工况压力必须稳定在门限压力以上的较高级别段,一经确认,不得出现超限脉动。而要做到这一点,水喷嘴和磨料喷砂管的完好是必要保证,即射流直线段必须足够和一致; 系统必须保证磨料供应和干燥连续和均匀,这取决于强制供砂、砂阀控制、不回水和
程序控制的稳定性。一旦开始,在长约 30 m 的周边作业期间不允许出现任何不稳定工况或停车现象,因此必须在试走刀过程中得以确认。
      试验结果与实际应用相吻合。当工作压力处于低限,如 300 MPa,切缝就会不可预见地出现分层现象,即表面有鼓包突出; 切缝还会不规则的出现“凸台”现象,即切缝剖面与曲面呈现可见的非垂直现象; 另外,压力的不稳定也会导致切缝产生毛刺。这些试验经验必须在应用中完全杜绝,因此,新一代的高端水切割机加工中心将工作压力稳定在 400 ~ 500 MPa 是一个实现高精度、高速度的标志
      对于大尺度曲面复合材料水切割工程,提高工作压力在 400 MPa 以上、流量为 3 L /min,可以适应高精度、高速度的加工要求。因此,无需增加流量,额定压力为 500 MPa 的水切割加工中心可以满足复合材料工艺。围绕此工艺的试验数据、数学模型、系统机构设计在实际应用中起到了指导性作用。

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