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国内三维焊接平板柔性工装关键技术与发展前景

2017-01-30 15:12:09
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  对于传统的机械加工来说,稍微复杂一点的零件加工就要专门设计制造一套工装。由于加工零件的批量小,有些工装随着零件加工的结束,就完成了其历史使命。面对多品种小批量的生产模式,机械加工制造陷入了一种恶性循环之中。工装的数量多,成本居高不下。如何减少工装的数量和开销,是制造业   面对和解决的问题。
  新一代飞机对长寿命、环保、舒适、低能耗等指标的要求越来越高,在飞机上大量采用了整体蒙皮和壁板。而这些结构件的加工,大大提高了制造难度。通常采用大型模胎来进行铣削和切边,这样造成了生产准备时间长,模胎设计制造成本高,大量模胎占用厂房面积,库房积压严重等问题。
  全球制造业竞争和用户需求变化的加剧,促使了产品种类的增加、制造技术的革新、产品生命周期的缩短、单位成本降低、产品质量提高和交货时间的提前。由于“市场牵引”和“技术推动”的相互作用,制造企业要面对产品大的柔性,加速了制造业柔性和自动化。在过去的二三十年间,三维焊接平板柔性制造系统(FMS)的发展引起了全社会广泛的关注。柔性制造系统能快速应对产品市场和技术的变化,制造成本相对低廉。FMS特别适于小、中批量生产,因为它具有产品准备阶段周期短、开销低的特点,能满足零件新的设计要求。
  但整个FMS的柔性常常被它的工作部件所束缚,这些部件包括其中的工装系统,FMS工装设计和制造能达到总系统开销的10%~20%。通常工装的作用就是固定工件,在零件制造、装配、检测过程中保证零件在希望的位置和方向上,用户化专用工装的设计制造既费时,又费钱,而且对零件的不同形状尺寸装配无柔性可言。为了减低制造系统的成本,工装设计应在面向尽可能多的工件装夹方面具有竞争力。在小中批量生产中,三维焊接平板柔性工装系统(FFS)在不同工件的装夹方面具有竞争力,成为减少产品单位成本有效的手段。
     情况
  据不   统计,复杂零件的生产准备时间占整个生产周期的20%以上,是制约生产效率提高的主要因素。靠传统的固定、组合卡具,远远不能满足制造系统的生产要求。由于它的自动化水平低,设计制造工作量巨大,所以造成生产准备时间长,产品质量低下、不稳定,制造成本居高不下。
  由于历史的种种原因,三维焊接平板工装只被看成生产系统中一个小小配角,未引起足够重视。多年来,在缩短生产准备时间的问题上,处于一种无所作为的状态,工装也未形成一个系统体系,但随着数控机床技术的飞速发展,出现了许多高速、高精度机床,缩短生产准备时间的重要性就凸现出来了。缩短生产准备时间   从工装系统入手。可以说,没有工装系统,单靠数控机床的高速性,是不可能缩短生产准备时间的。随着高速加工的引入,加工的切削力变得越来越小,对工装也提出了高的要求。
  从国外情况看,在可重配置、可调整工装的研究和开发方面,为满足零件工艺性和加工要求,他们采用了很多新技术,相继开发出了液压工装、数控工装等,从而使飞机零件生产过程减少了专用工装,大大提高了生产效率。例如,西班牙M.TORRES公司、瑞典MODIG公司开发的液压数控工装应用于钣金、壁板、舱门等类零件的制造过程,一方面将钣金件由展开计算、下料、成形的复杂过程变为按设计形状直接定位进行切削加工,使零件的制造精度和效率大大提高;另一方面,在无较好定位平面情况下实现稳定装夹并保证定位精度,满足加工过程中的零件定位需求。这些工装有的是独立的装置,有的已经同机床融为一体。这类工装在   波音公司已经得到应用,提高了飞机整体构件制造的技术经济效益。空中客车A340-500/600大型整体结构件在英国布劳顿(Broughton)工厂的一台长床身龙门铣床(Alumax)上加工,毛坯长32m、宽3m、厚35mm,主要加工机翼壁板内表面,加工质量的关键是保证壁板厚度的一致性。毛坯切除率为80%,采用高速切削,用6554.8cm³/min的粗加工和20m/min的进给速度加工。由于应用了此类工装夹具而得以实现。我国在可重配置、可调整柔性工装方面的开发研究工作不多,落后于西方发达。目前,国内工装的发展主要表现在两方面:
  (1)在飞机大型整体框梁和壁板零件的制造过程中专用工装占的比例较大,且工装的可重用性差,每一次新机研制或改型均会产生大量的零件工装设计和制造任务,并且专用型面模胎数量多,每一件零件一般需要两套模胎。
  (2)生产现场零件工装调整过程的自动化水平低,以数控加工工装为例,人工调整和装夹过程复杂、费时,严重影响了机床的有效加工时间和加工质量的一致性。
  近几年,国内北京航空制造工程研究所针对航空产品中蒙皮壁板的切割制造,开展了柔性夹持工装系统的设计和制造。突破了定位器、夹持单元、多轴控制和离线仿真等关键技术,即将进入工艺试验阶段。