張凌云, 周 帥,陳 瑤,樸小東

(1.航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室(沈陽航空航天大學(xué))，沈陽 110136；2.空軍航空大學(xué) 飛行訓(xùn)練基地，遼寧 錦州 121000)

飛機鈑金制造過程中，框肋類零件具有種類多、批量小、精度要求高等特點.采用傳統(tǒng)的制造方法無法滿足航空工廠的要求.橡皮成形工藝是利用橡皮作為彈性凹模(凸模)，用液體作為傳壓介質(zhì)使金屬板料隨剛性凸模(凹模)變形的一種軟模成形方法[1-2].橡皮成形工藝在現(xiàn)代飛機制造過程中占50%以上，提高了零件成形質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的可靠性，使成形零件可不經(jīng)修整或少量修整便可直接用于裝配.

鈑金零件成形過程中回彈量是獲得所需零件幾何形狀和相應(yīng)模具設(shè)計的重要參數(shù)，近年來板料成形領(lǐng)域?qū)貜椦a償技術(shù)進行了大量的研究.Livatyali 和 Altan[3]提出了一種計算機輔助設(shè)計方法，使用有限元方法對直彎邊零件進行回彈補償；Nanu 和Brabie[4]分析了U型彎曲工藝參數(shù)對回彈的影響，并得出回彈參數(shù)是板料厚度應(yīng)力分布的函數(shù)；Wagoner等.[5]對純彎曲變形卸載前所加彎曲力矩的計算進行推導(dǎo)，得出相對彎曲半徑越小，彎曲力矩越大.孫志英等[6]利用Hill理論分析了液壓成形過程中應(yīng)力分布對回彈的影響.裴興林等[7]用正交試驗設(shè)計法和均勻試驗設(shè)計法對L型薄板彎曲回彈進行預(yù)測，得出厚向積分點數(shù)對回彈影響非常顯著；陽湘安等[8]提出了一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的綜合評判回彈方法，建立了分別以等效應(yīng)力偏差和等效塑性應(yīng)變來表征目標(biāo)函數(shù)，表明了方法的有效性；陳磊等[9]采用正交試驗方法分析了不同因素對凹彎邊回彈的影響，得出增大模具圓角半徑，回彈增加，增加翻邊高度，回彈先降低后增大.

上述回彈研究主要針對剛性模具，對于橡皮成形回彈補償?shù)睦碚撗芯亢脱a償系統(tǒng)的開發(fā)還不足，本文提出補償因子對回彈公式進行修正，并通過CATIA二次開發(fā)對模具進行補償，利用數(shù)值模擬對直彎邊下陷零件橡皮成形回彈補償進行研究.

1 板料回彈理論公式

1.1 回彈公式

板料在成形過程中，當(dāng)卸載之后彈性變形消失，板料變形區(qū)由于殘余應(yīng)力釋放將導(dǎo)致零件發(fā)生回彈現(xiàn)象，板料在彎曲成形時模型如圖1所示[10-11].

圖1 板料彎曲成形分析模型

根據(jù)塑性力學(xué)知識，在平面應(yīng)變情況下的屈服條件為

(1)

(2)

式中：ρ為卸載前曲率半徑，ρ*為卸載后曲率半徑.為了簡化模型，卸載時產(chǎn)生的彎矩為

(3)

式中：E為彈性模量，t為板料厚度，ν為泊松比，卸載完成時彎矩為

(4)

式中：K為強化系數(shù)，n為應(yīng)變強化指數(shù)，根據(jù)卸載前后彎矩大小相等，方向相反，即ΔM=M，可推導(dǎo)出

(5)

由于板料回彈前后中性層長度不變即ρθ=ρ*θ*，可以得出回彈角Δθ和回彈后圓角半徑ρ*分別為

(6)

(7)

1.2 回彈補償因子

在飛機設(shè)計過程中，鈑金零件結(jié)構(gòu)特征存在較多的下陷，典型直彎邊下陷零件如圖2所示.下陷的主要目的是起到躲避其他零件的作用.

圖2 典型直彎邊下陷零件

下陷區(qū)截面示意圖如圖3所示，下陷區(qū)與兩側(cè)彎邊結(jié)合位置有一段過渡圓角半徑區(qū)，在成形時，此區(qū)域的應(yīng)力分布比較復(fù)雜，為了方便計算彎矩，忽略過渡圓角半徑區(qū)域的應(yīng)力計算，將下陷區(qū)域簡化.

圖3 下陷區(qū)截面示意圖

下陷區(qū)彎矩與純彎曲產(chǎn)生彎矩計算類似，其大小為

(8)

下陷區(qū)卸載后的彎矩ΔM2可分解為兩個方向上的彎矩ΔM2x和ΔM2y，其中ΔM2x是下陷區(qū)卸載后產(chǎn)生回彈的彎矩，ΔM2y在卸載后變成殘余應(yīng)力貯存在板料中，對回彈沒有產(chǎn)生影響.因此用于產(chǎn)生回彈的彎矩為

(9)

沿Y方向?qū)⑾孪輩^(qū)分成無數(shù)個寬度為dL的微元，由幾何關(guān)系可以確定微元的長度c，其表達(dá)式為

(10)

根據(jù)材料力學(xué)矩形截面慣性矩計算公式得出每個微元的慣性矩為

(11)

則整個下陷區(qū)的慣性矩為

(12)

下陷區(qū)影響著下陷區(qū)兩側(cè)彎邊的回彈，距離下陷區(qū)越遠(yuǎn)則影響越小.

卸載后的下陷區(qū)與兩側(cè)彎邊總彎矩為

ΔM總=ΔM1+ΔM2x+ΔM3=

(13)

其中b為下陷兩端彎邊長度，ΔM1、ΔM3為直彎邊部分彎矩，下陷區(qū)及其兩側(cè)彎邊的總慣性矩：

(14)

距離下陷區(qū)為b的彎邊回彈為

(15)

從而得出直彎邊下陷區(qū)回彈補償因子為

(16)

此時，回彈補償公式為

Δθ補償=f·Δθ.

(17)

其中f為補償因子，Δθ為公式(7)計算的回彈角.

2 回彈補償模塊二次開發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)庫連接

在飛機鈑金制造過程中，“一步法”成形是國內(nèi)采用的革新工藝，其核心是利用鋁合金板料經(jīng)淬火后，采用低溫冷藏的辦法，保持鋁合金板料在新淬火狀態(tài)下良好的塑性并一次完成成形工作.新淬火狀態(tài)下板料性能可通過單向拉伸試驗測定，將其開發(fā)成Access數(shù)據(jù)庫，為回彈補償計算提供材料參數(shù).

訪問Access數(shù)據(jù)庫主要有以下4種方式：(1)ODBC (Open Database Connectivity) 開放式數(shù)據(jù)庫連接 ; (2) DAO (Data Access Object) 數(shù)據(jù)訪問對象集; (3) OLEDB (Object Link and Embedding Database)基于COM接口的技術(shù); (4) ADO (ActiveX Data Object) 是建立在 OLEDB 之上的高層數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，是對 OLEDB 的封裝.本文采用ADO方式對數(shù)據(jù)庫進行提取和寫入，窗口如圖4所示.

圖4 材料參數(shù)窗口

2.2 回彈補償系統(tǒng)二次開發(fā)

本文提出一種曲線法平面截取補償算法對板料成形過程中回彈問題進行補償，通過回彈函數(shù)分別計算圓角半徑以及彎曲角度的回彈量，利用反向加或減的方式對其進行回彈補償[12].本文采用CATIA二次開發(fā)來實現(xiàn)該算法，曲線法平面截取補償理論是基于截取平面內(nèi)的二維補償方法，主要包括3部分操作：1)提取系統(tǒng)所需特征；2)彎曲圓角區(qū)域半徑的回彈補償；3)彎曲角度回彈補償.

利用Visual C++將公式(16)基于CATIA二次開發(fā)出回彈補償系統(tǒng)，針對長條U形鈑金件進行回彈補償，圖5為直彎邊下陷零件工藝參數(shù)示意圖，其中板將料厚度t=1 mm，圓角半徑R=3 mm，彎邊高度h=25 mm.

圖5 彎邊工藝參數(shù)

通過CATIA二次開發(fā)的補償系統(tǒng)對長條U形鈑金件進行補償，對于純直彎邊部分采用未修正的公式6進行補償，補償結(jié)果如圖6(a)所示.下陷區(qū)部分采用帶有補償因子的公式(16)進行補償，補償結(jié)果如圖6(b)所示.

圖6 回彈補償

3 直彎邊下陷零件有限元模擬

3.1 有限元模型

為簡化計算，提高效率，二次開發(fā)回彈補償系統(tǒng)中將補償完成的模具曲面導(dǎo)出，采用Pam-stamp 2G軟件模擬來對回彈進行預(yù)測，建立有限元模型如圖7所示.主要由4部分組成：工作臺、模具、板料和橡皮.模具和工作臺為剛體，板料和橡皮為變形體，橡皮邊界固定x、y平移自由度以及xyz方向的旋轉(zhuǎn)，模具和工作臺固定6個自由度，摩擦均為0.2[13]，板料材料為2024鋁合金，在壓力的作用下橡皮下移變形使得板料與模具貼合，從而成形出合格的鈑金零件.

圖7 有限元分析模型

3.2 模擬結(jié)果分析

圖8所示為成形過程中板料厚度變化分布圖，可以看出，下陷位置厚度明顯增厚，不容易成形.圖9為板料回彈分布情況，從圖中可以看出，經(jīng)補償后模具成形回彈很小且在公差范圍內(nèi).

4 實際成形試驗

試驗過程中所用模具為采用二次開發(fā)補償后模具，模具材料為Q235鋼.試驗選用ABB公司生產(chǎn)的QFC1.4 4-1000橡皮液壓機，其工作效率高，省時高效，由于板料在成形過程中，使用不同潤滑劑會出現(xiàn)不同的摩擦狀況[14,15]，本試驗選用SDL水基潤滑劑并添加一定量的油酸鈉.對板料進行橡皮成形試驗，成形壓力分別為40、50和60 MPa，試驗后板料貼模情況如圖10所示.

成形出合格的直彎邊下陷零件如圖11所示.從圖11(b)可以看出，當(dāng)成形壓力為60 MPa時，下陷效果較為明顯.

試驗結(jié)束后，采用通用量角器對圖11中所示直彎邊帶下陷彎邊各位置的回彈角進行測量，結(jié)果見表1.

圖8 成形過程板料厚度分布圖

Fig.8 Forming process blank thickness distribution：(a)T=0 ms; (b)T=5 ms； (c)T=10 ms； (d)T=15 ms； (e)T=20 ms

圖9 回彈分布情況 圖10 板料貼模情況

圖11 實際成形零件照片

壓力/MPa角度/°12345674089.7089.9090.0290.0390.1889.8389.885089.8589.7690.0090.0790.3889.9889.956089.6589.8490.0390.1290.0889.9089.82

從表1可以得出，成形壓力對回彈的影響較小，二次開發(fā)回彈補償更精準(zhǔn)且二次開發(fā)補償誤差均在0.5°之內(nèi).采用計算公式二次開發(fā)下陷區(qū)回彈補償結(jié)果與試驗值和模擬值比較如圖12所示.從圖中可以看出越靠近下陷區(qū)，回彈越小，呈現(xiàn)出波動先增加后減小的趨勢.

圖12 回彈補償結(jié)果比較

5 結(jié) 論

1)根據(jù)剛度概念推導(dǎo)出基于補償因子的下陷區(qū)回彈補償公式.

2)通過CATIA二次開發(fā)將補償公式得以實現(xiàn)并與數(shù)據(jù)庫進行連接，實現(xiàn)了材料參數(shù)的快速讀取和寫入.

3)在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，成形出合格的下陷零件，驗證了補償公式的可靠性.