成都凱天電子股份有限公司 (四川 610091)吳 涯 倪 宏 吳 濤 張智斌 易 利
在航空工業(yè)中,鈑金零件是組成現(xiàn)代飛機機體的主要部分,約占飛機零件總數(shù)量的70%,制造工作量約占整架飛機勞動量的15%,并有品種多、數(shù)量少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外廓尺寸大及剛性小等特點,直接影響飛機整機質(zhì)量和生產(chǎn)周期。隨著機械設(shè)計自動化的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)鈑金加工方式,需要反復(fù)進行工藝試驗確定展開外形尺寸,而傳統(tǒng)的加工方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化企業(yè)生產(chǎn)需要,特別是航空薄壁件更是一項高效、復(fù)雜、快速加工的工程。本文以現(xiàn)場某項復(fù)雜薄壁鈑金零件為實踐,利用三維設(shè)計軟件UG 進行復(fù)雜薄壁鈑金成形性分析、成形加工。
圖1 零件選用材料316L 不銹鋼板,材料厚度僅為0.3mm,標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A240。零件鈑金成形存在以下困難:①轉(zhuǎn)角處一次成形困難,易起皺、拉裂。②材料厚度僅為0.3mm,材料延展性差。③曲面未知,模具設(shè)計制造困難。④零件為復(fù)雜三維曲面,需要反復(fù)工藝試驗確定展開外形尺寸。⑤采用焊接加工,屬于超薄板焊接,三維曲面焊接難度大。
圖1
奧氏體不銹鋼316L 板化學(xué)成分與力學(xué)性能分析如表1 所示:
表1
不銹鋼316L 特性:①因添加Mo,故其耐蝕性、耐大氣腐蝕性和高溫強度特別好,可在苛酷的條件下使用。②加工硬化性優(yōu)(無磁性)。③高溫強度優(yōu)秀,固溶狀態(tài)無磁性。④冷軋零件外觀光澤度好。⑤相對304L 不銹鋼,價格較高。
(1)建立模型 在三維設(shè)計軟件UG 里,通過參數(shù)化命令,用數(shù)字化的方法建立三維模型坐標(biāo),并在零件下面平生成另一個平面,高于零件最底面1mm (見圖2),通過菜單命令調(diào)用出航空鈑金設(shè)計模塊,設(shè)置相對位置。
(2)成形性厚度分布 在UG 軟件里,分析可成形性一步式分析中,設(shè)置好零件材料、材料厚度后,利用可成形性一步式的厚度的設(shè)置對零件進行成形分析(見圖3),可以看出整體成形進,零件厚度的變化較大,零件厚度從0.260 6mm 變化至0.341 1mm,在折彎拐角外變化達(dá)到最大,零件厚度變化相差達(dá)到0.08mm。
在變化較大的拐角點可以看出,拐點處在成形時易起皺。
(3)成形性應(yīng)力分布 利用UG 分析可成形性一步式,利用UG 軟件對零件進行應(yīng)力成形分析(見圖4),可以看出零件應(yīng)力的變化較大,零件應(yīng)力從160.3MPa 變化至405.5MPa,在折彎拐角外變化達(dá)到最大,零件應(yīng)力變化最大405.5MPa。在變化較大的拐角點可以看出,拐點處在成形時易拉裂,從圖上可以看出一步成形困難。
(4)成形性應(yīng)變分布 利用UG 分析可成形性一步式,利用UG 軟件對零件進行應(yīng)變成形分析(見圖5),可以看出零件應(yīng)變的變化較大,零件應(yīng)變從0.0168 變化至0.2197。通過分析,變化較大的拐角處應(yīng)變分布如圖5 所示,拐角處一步成形時易產(chǎn)生拉裂、起皺。
(5)零件網(wǎng)狀、展開 通過UG 軟件對零件一步成形、展開,可以看出展開的圖形是相交(見圖6),在平面上無法實現(xiàn)的過程,利用軟件CAE 模塊進行分析,最大限度地減少了設(shè)計缺陷。
圖2 分析可成形性
圖3 厚度分布數(shù)據(jù)
圖4 應(yīng)力分布數(shù)據(jù)
圖5 應(yīng)變分布數(shù)據(jù)
圖6
(1)成形過程 根據(jù)UG 軟件對零件一步成形性分析,零件拆分為兩個零件加工(見圖7),拆分為曲面成形與平面成形,通過對零件的拆分,簡化成形時難題,避免在一次成形時起皺、拉裂。
圖7
(2)零件成形分析 利用UG 分析可成形性一步式,對零件進行成形厚度、應(yīng)力、應(yīng)變成形曲面、平面分析(見圖8、圖9)。
(3)零件展開 在鈑金零件設(shè)計完成后,為便于加工,都要將其轉(zhuǎn)化為展開圖,以確定所需板料大小以及板料的形狀等。在傳統(tǒng)的鈑金零件展開時,都通過人工憑經(jīng)驗計算獲得。這樣做有三方面困難:①工作量大,展開過程繁瑣。②效率低,在展開時對于一般工程師而言易產(chǎn)生錯誤,需要進行反復(fù)試驗確認(rèn)展開準(zhǔn)確性。③精度低,大部分展開憑經(jīng)驗獲得,造成物料和人工的大量浪費。
圖8 曲面成形分析
圖9 曲面成形分析
在UG 中利用鈑金模塊UG/Sheet Metal Design 的自動展開功能,可完成鈑金零件的自動展開,直接生成二維平面加工(見圖10)。對于展開后板料的形狀和大小,均可通過自動計算獲得,因此擁有高速、高精度、零錯誤率以及操作簡捷的優(yōu)點。
(4)零件成形對比 根據(jù)上述零件成形性分析,對整體成形與拆分成形做對比,對比情況如表2所示。
圖10
表2
通過上述表格數(shù)據(jù)比較,零件整體成形時,成形厚度與應(yīng)力大小都超過了材料力學(xué)性能,展開時存在曲面相交。零件拆分為曲面和平面組合件時,在曲面成形與平面成形都能保證,厚度與應(yīng)力大小都未超過材料力學(xué)性能,展開后的零件加工工藝性能較好。
在三維設(shè)計軟件UG 中,通過建模模塊命令,首先建立三維模型,并確定三維模型坐標(biāo)后。通過抽取體命令,抽取零件內(nèi)平面、內(nèi)曲面,隱藏建立的三維模型,利用曲面掃掠的特征(見圖11),分別作出曲面上的掃掠后相關(guān)的曲面,使抽取體與掃掠曲面縫合在一塊,形成一塊整體。然后在零件中建立平面,與零件成水平狀,并通過平面拉伸成形(見圖12)保證修剪實體時確保模具成形,模具成形定位位置。在拉伸成形后,充公利用修剪體的命令對零件進行修剪(見圖13),設(shè)置好目標(biāo)體與刀具體,通過目標(biāo)體與刀具體相剪切,生成凸模成形形狀(見圖14),完成后通過拉伸命令中的求差,拉伸出凸模模具(見圖15)。
根據(jù)上述圖示,通過三維軟件生成相關(guān)的上模模具、凹模模具(見圖16)。
圖11 抽取、掃掠
圖12 拉伸成形
圖13 修剪體
圖14 凸模成形
圖15 凸模模具
加工的模具組合如圖17 所示,在三維軟件中可以分析,成形過程中是否存在干涉現(xiàn)象。通過三維軟件的設(shè)計可以快速轉(zhuǎn)換成二維圖樣,并在三維模型里可以設(shè)置好相配合尺寸,可以提高加工過程模具的返修。在模具加工過程中,編程人員通過三維模型生成編程程序,大大節(jié)約了編程人員與操作人員的輔助工作時間。在早期模具設(shè)計大部分以二維設(shè)計為主,特別是在加工復(fù)雜曲面的時,模具型面以模線樣板、樣件、模胎等模擬量的方式進行傳遞協(xié)調(diào),模具制造精度及配合面的協(xié)調(diào)性不易保證,往往通過反復(fù)調(diào)整與修改,達(dá)到最終的圖樣要求。
圖16
圖17 凸模模具
采用手工成形的方式,操作人員利用成形凸模、成形凹模成形零件曲面、平面(見圖18、圖19),保證曲面、平面與三維建模一致。成形后,通過檢測三坐標(biāo)檢測出曲平與平面符合圖樣要求。
圖18 圖 19
316L 屬于奧氏體不銹鋼焊接奧氏體不銹鋼主要問題是熱裂紋(焊接過程中),焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)所產(chǎn)生的焊接熱裂紋、脆化、晶間腐蝕(沿金屬晶粒邊界發(fā)生的腐蝕破壞現(xiàn)象)和應(yīng)力腐蝕開裂(金屬材料,包括焊接接頭,在一定溫度下受腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用而產(chǎn)生的裂紋)。此外,因?qū)嵝圆?,線膨脹系數(shù)大,焊接變形也大。
焊接工藝采用方法是利用焊接模具進行焊接(見圖20),夾持曲面與平面零件,使零件在焊接時處于固定狀態(tài),首先采用點焊,點焊完成后進行滿焊,焊接時轉(zhuǎn)動焊接夾具。采用此方法焊接,盡量采用小電流、窄焊道、快速焊工藝,減少熱輸人,控制層間溫度。
圖20
通過三維軟件設(shè)計中制造技術(shù),加工工廠實現(xiàn)了產(chǎn)品從設(shè)計、分析、制造的數(shù)字協(xié)同并行一體化,并且采用智能化設(shè)計制造技術(shù),使產(chǎn)品研發(fā)周期縮短了50% 以上,成本降低40%,出錯返工率降低80%。