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        負(fù)角度鈦合金飛機(jī)蒙皮零件成形工藝研究及數(shù)值模擬

        2023-03-17 01:34:56何曉健朱麗張曉巍吳偉平王玨
        金屬加工(熱加工) 2023年3期
        關(guān)鍵詞:凸模蒙皮圓角

        何曉健,朱麗,張曉巍,吳偉平,王玨

        沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110850

        1 序言

        由于鈦合金質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比斷裂韌度高、疲勞強(qiáng)度高、低溫韌性良好、耐腐蝕性能強(qiáng)等優(yōu)異的綜合性能,因此在航空航天、汽車、造船等工業(yè)部門獲得廣泛使用。同時(shí),因?yàn)殁伜辖鸢宀膹?qiáng)度很高,因此在常溫下成形時(shí)變形抗力大,易開(kāi)裂,回彈嚴(yán)重,成形困難,故多采用熱成形工藝進(jìn)行成形。

        本文以TC4鈦合金板材的熱拉深成形和熱成形工藝為研究對(duì)象,擬采取兩種成形工藝相結(jié)合的方式來(lái)突破雙側(cè)負(fù)角度零件難加工、無(wú)法脫模的難題。期間設(shè)計(jì)熱拉深模具1套、熱成形模具2套,并結(jié)合成形工藝仿真來(lái)驗(yàn)證該方案是否具備可行性。

        2 零件工藝性分析

        2.1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        該負(fù)角度鈦合金零件為某飛機(jī)的整流蒙皮,如圖1所示,采用厚度δ=0.8mm的TC4板材成形,零件成形后外廓尺寸約為465mm×350mm×35mm。零件結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)。

        圖1 整流蒙皮零件

        1)零件外形較復(fù)雜,腹板和彎邊均為雙曲面。

        2)零件前端兩側(cè)均存在負(fù)角度區(qū)域(見(jiàn)圖2),且角度最小處約為40°(見(jiàn)圖3)。

        圖2 前端兩側(cè)負(fù)角度區(qū)域

        圖3 負(fù)角度區(qū)域角度

        2.2 零件工藝性分析

        1)零件前端兩側(cè)彎邊與腹板之間均存在負(fù)角度區(qū)域,且角度過(guò)小,無(wú)法通過(guò)一次成形制備該零件。

        2)彎邊與腹板之間圓角半徑為4.2mm,大于4倍板材成形最小彎曲半徑。

        3 工藝方案討論

        1)兩側(cè)負(fù)角度的鈦合金槽形零件很難通過(guò)一次熱成形。外形簡(jiǎn)單的負(fù)角度零件可通過(guò)機(jī)床的水平側(cè)壓裝置輔助完成,但大型熱成形設(shè)備沒(méi)有側(cè)壓裝置;部分負(fù)角度零件可使用帶有將豎直力轉(zhuǎn)化為橫向力裝置的模具成形[1],而此零件腹板和彎邊均為二次曲面,且?jiàn)A角為變角度,因此方案不可行。

        2)經(jīng)對(duì)數(shù)模進(jìn)行分析,蒙皮零件關(guān)于縱向剖面對(duì)稱,單從工藝角度考慮,可采用左右兩側(cè)分段成形,再通過(guò)激光焊接為整體的方法進(jìn)行成形。但該零件設(shè)計(jì)方案為整體成形,沒(méi)有焊接信息,且焊接會(huì)造成零件性能有一定的下降,焊接變形也需熱校形來(lái)消除,因此所需模具數(shù)量沒(méi)有減少。

        3)采用分步成形法,采取兩種成形工藝相結(jié)合的方式來(lái)突破雙側(cè)負(fù)角度零件難加工、無(wú)法脫模的難題,采取先預(yù)成形、再終成形的兩步成形工藝方法,即先進(jìn)行熱拉深成形[2,3],形成沒(méi)有負(fù)角度彎邊的槽形零件,然后分別對(duì)兩側(cè)負(fù)角度區(qū)域進(jìn)行熱成形,得到最終零件。

        4 成形過(guò)程模擬

        通過(guò)工藝方案討論,分步成形方法工藝性較好,成形精度可以保證,可進(jìn)行進(jìn)一步研究討論。該工藝路線的成形過(guò)程模擬順序?yàn)椋簲?shù)模預(yù)處理→板料預(yù)成形→零件終成形→成形模擬仿真。

        4.1 數(shù)模預(yù)處理

        依據(jù)零件數(shù)模,提取零件外型面,隨后識(shí)別負(fù)角度區(qū)域,在零件彎邊上負(fù)角度和開(kāi)角之間設(shè)置分離面,移除原負(fù)角度一側(cè)彎邊,隨后做出與腹板夾角>90°的工藝補(bǔ)充面,結(jié)合模具的分模面,最終形成預(yù)成形模具(即熱拉深成形模具)的模面,如圖4所示。

        圖4 熱拉深成形模具模面

        4.2 板料預(yù)成形

        板料預(yù)成形即鈦合金槽形零件的熱拉深成形。熱拉深模具由凸模、凹模、壓邊圈和導(dǎo)向板等組成,如圖5所示。利用凸凹模和壓邊圈的吊裝棒和壓板槽在設(shè)備上安裝定位,設(shè)備頂桿推壓邊圈上行與凹模夾緊合模,之后凹模、板料和壓邊圈下行與凸模合模成形腹板和無(wú)負(fù)角度彎邊的形狀。

        圖5 熱拉深成形模具模型

        4.3 零件終成形

        零件的終成形通過(guò)使用熱成形的方法,對(duì)前端負(fù)角度區(qū)域分別進(jìn)行成形。熱成形模具由上模、下模和導(dǎo)向板組成,如圖6所示。共需終成形模具2套,分別對(duì)兩側(cè)的負(fù)角度區(qū)域進(jìn)行成形。

        圖6 熱成形模具模型

        4.4 數(shù)值模擬

        熱成形工藝仿真,是利用PAM-STAMP等鈑金成形仿真軟件,將模具和板料模型轉(zhuǎn)化為有限元模型,通過(guò)輸入工藝參數(shù)和邊界條件后,提交計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算,以云圖和數(shù)據(jù)的形式顯示熱成形過(guò)程和結(jié)果的相關(guān)信息。工藝仿真可以預(yù)測(cè)板料成形趨勢(shì)及各種缺陷產(chǎn)生的位置和程度,可判斷工藝方案或工裝設(shè)計(jì)的合理性。

        在本工藝方案中,使用PAM-STAMP 2G 2012軟件分別對(duì)預(yù)成形和終成形過(guò)程進(jìn)行成形工藝仿真。

        首先,對(duì)熱拉深過(guò)程進(jìn)行工藝仿真,進(jìn)行成形仿真前處理,包括熱拉深模具和板料模型導(dǎo)入、建立局部坐標(biāo)系、調(diào)整網(wǎng)格法線方向,以及設(shè)定上模、下模和壓邊等成形屬性等。

        工藝參數(shù)方面,設(shè)定熱拉深成形的溫度為750℃,摩擦系數(shù)為0.12,壓邊力為50kN。

        其次,選擇求解器并進(jìn)行求解計(jì)算,得到計(jì)算結(jié)果。通過(guò)模擬過(guò)程可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)凸模剛開(kāi)始上行10mm時(shí),前端凸模圓角處等效塑性應(yīng)變開(kāi)始出現(xiàn),如圖7a所示;當(dāng)凸模上行20mm時(shí),凸模圓角等效應(yīng)變分布范圍增大,延凸模圓角方向延伸,如圖7b所示;當(dāng)凸模行程為35mm時(shí),凸模圓角等效應(yīng)變繼續(xù)增大,凹模圓角處也出現(xiàn)塑性應(yīng)變,如圖7c所示;當(dāng)上模上行約50mm時(shí),板料完全貼模,應(yīng)變達(dá)到峰值,如圖7d所示。在整個(gè)熱拉深模擬過(guò)程中,等效應(yīng)變均值較小,基本沒(méi)有產(chǎn)生缺陷的趨勢(shì)。

        圖7 熱拉深過(guò)程等效塑性應(yīng)變分布

        同時(shí),依據(jù)模擬結(jié)果,熱拉深成形后零件厚度分布較為均勻,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的減薄或增厚現(xiàn)象,如圖8所示。拉深成形力隨凸模位移增加呈近似線性增大,如圖9所示。

        圖8 熱拉深成形厚度分布

        圖9 拉深成形力與凸模位移關(guān)系

        最后,進(jìn)行負(fù)角度區(qū)域的熱成形工藝仿真。將上一步熱拉深成形模擬結(jié)果以及熱成形模具模型導(dǎo)入到PAM-STAMP 2G 2012軟件中并進(jìn)行前處理,熱成形溫度設(shè)定為750℃,進(jìn)行求解計(jì)算,仿真結(jié)果如圖10所示。依據(jù)模擬結(jié)果,零件厚度分布均勻,沒(méi)有褶皺、破裂等缺陷,貼膜度高,滿足設(shè)計(jì)條件的要求。

        圖10 熱成形厚度分布

        5 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)上述研究,探索了一種利用分步成形的方法制備雙側(cè)負(fù)角度飛機(jī)蒙皮零件。這種分步成形的方法,可有效地解決負(fù)角度鈦合金蒙皮零件難以成形的問(wèn)題;同時(shí),采取先熱拉深、后熱成形的方法,可以提高蒙皮零件最終成形精度,提高產(chǎn)品質(zhì)量。結(jié)合上述二級(jí)模擬仿真結(jié)果證明,該蒙皮零件成形效果良好,故方案可行。實(shí)際成形過(guò)程需熱拉深模具1套,熱成形模具2套。

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