陳東東，鄧濤，門向南，仝朋艷，王永軍，張建

（1.航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092；2.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 西安 710072）

型材彎曲件作為航空產(chǎn)品的重要部件，多用于飛機(jī)的框肋、機(jī)身前后段和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的長(zhǎng)桁[1]。其中T 型材與蒙皮相接觸，用于固定并支撐飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，成為航空鈑金件中的代表零件。拉彎成形工藝能夠成形大屈強(qiáng)比的彎曲件，具有成形精度高、回彈小的優(yōu)點(diǎn)，在彎曲件制造中得到了廣泛應(yīng)用。以往拉彎零件的生產(chǎn)主要是一零件一拉彎，導(dǎo)致產(chǎn)品數(shù)量多，工藝裝備多，生產(chǎn)準(zhǔn)備及生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)工作量大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、加工效率低。

如何提高產(chǎn)品加工效率、減少單件零件的加工成本成為全球各大主機(jī)廠亟待解決的問題[2]。20 世紀(jì)50 年代提出的成組技術(shù)是解決多品種、小批量生產(chǎn)面臨問題的有效方法[3-6]。成組技術(shù)是利用事物本身存在的相似性，集合眾多在一定程度上存在相似性的事物成為組，按照一定的方式解決分組中的問題[5,7]。成組加工技術(shù)能夠很好的解決成形加工中項(xiàng)數(shù)多、生產(chǎn)效率低的問題[8]。石國玲[9]將液壓油缸產(chǎn)品設(shè)計(jì)成組化，使油缸產(chǎn)品從多品種、小批量生產(chǎn)過渡到批量生產(chǎn)。崔學(xué)奎等[10]采用成組技術(shù)將待裝配件小量裝配工藝設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為批量設(shè)計(jì)模式，大幅度縮短了工藝準(zhǔn)備時(shí)間。高歡[11]將成組技術(shù)應(yīng)用于平板零件的化學(xué)銑削，并套裁銑切技術(shù)相結(jié)合，大大提高了平板化銑零件的加工精度及生產(chǎn)效率。劉剛等[12]通過分析成組技術(shù)在車床夾具、加工中心夾具及某系列齒殼體夾具中的應(yīng)用，大大節(jié)約了工藝裝備中的工裝費(fèi)用。于東林等[13]根據(jù)成組技術(shù)原理，將閑置夾具組裝成能滿足工藝要求的重組夾具，做到了夾具的循環(huán)利用。

針對(duì)某型飛機(jī)T 型材零件具有相同的材料和彎曲長(zhǎng)度，零件項(xiàng)數(shù)多的特點(diǎn)，采用成組拉彎成形的方法，建立了成組拉彎成形的適用范圍計(jì)算方法，通過模具回彈修正實(shí)現(xiàn)精確成形，這種方法提高了加工效率，降低了制造的加工成本。

1 T 型材零件編碼

航空鈑金零件中存在大量與蒙皮相接觸，用于固定并支撐飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度類的截面為T 字形的型材零件。T 型材立邊較高、且不同零件截面幾何尺寸各異，長(zhǎng)度短，彎曲角度小。T 型材彎曲件模型如圖1所示，紅色線表示T 型材的引導(dǎo)線。

圖1 T 型材零件數(shù)模Fig.1 Digital model of T profile part

1.1 T 型材截面

通過型材截面幾何信息和引導(dǎo)線幾何信息表達(dá)拉彎成形型材模型，T 型材截面尺寸示意圖如圖2所示。T 型材成組化編碼分類要素見表1。

表1 T 型材成組化編碼分類要素Tab.1 Group coding and classification elements of T profiles

圖2 T 型材截面尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of section size of T profile

拉彎過程中的截面圖如圖3 所示。拉彎過程中弦板下表面貼在拉彎模具的包絡(luò)面上，一般模具厚度大于T 型材弦板寬度。T 型材腹板位于拉彎成形模具上模和下模的間隙中，模具腹板槽寬度和高度對(duì)應(yīng)T 型材腹板的厚度和高度，和拉彎過程中腹板起皺等截面畸變相關(guān)，合理的設(shè)計(jì)模具腹板槽可以有效的提高拉彎件成形精度。實(shí)際生產(chǎn)中為提高模具的利用率，常在上模和下模中間添加墊板用以增加模具腹板槽寬度，選擇不同厚度的墊板即可組裝不同的腹板槽厚度，擴(kuò)大拉彎模具適用的T 型材腹板厚度。拉彎后的型材需要銑切弦板和腹板以獲取要求的形狀尺寸，成組技術(shù)中拉彎模具的腹板槽高度設(shè)計(jì)為T 型材零件組腹板高度最大值，拉彎成形后銑切型材腹板多余部分，即可在增大模具利用率的同時(shí)獲取滿足形狀精度的零件?？梢蕴岣呃瓘澇尚文＞叩睦寐剩s短拉彎成形的準(zhǔn)備時(shí)間，減少型材拉彎成形模具數(shù)量，提高生產(chǎn)效率。

圖3 T 型材拉彎成形過程中模具和型材截面示意圖Fig.3 Schematic diagram of die and profile section in the process of T profile stretch bending

考慮T 型材截面幾何尺寸，拉彎成形模具可以按照T 型材厚度、腹板和弦板交界處的倒角和立邊高度進(jìn)行分類。相同的腹板厚度和高度的T 型材，當(dāng)引導(dǎo)線半徑處于半徑變化范圍內(nèi)時(shí)可以采用一套成形模具。

1.2 T 型材編碼

采用成組技術(shù)，按照零件組進(jìn)行加工，是解決航空航天類產(chǎn)品生產(chǎn)過程中周期長(zhǎng)、效率低的有效方法之一[4]。根據(jù)事物相似性，按一定的準(zhǔn)則合理的分組是實(shí)施成組技術(shù)的基礎(chǔ)[14-16]。T 型材拉彎成形的幾何描述由截面信息和引導(dǎo)線信息構(gòu)成。因此分別基于截面、引導(dǎo)線對(duì)拉彎成形的T 型材進(jìn)行分組。

采用特征位碼域法將T 型材拉彎零件進(jìn)行分組，其分組編碼尺寸要素包含截面弦板的寬度和厚度、板的高度和厚度，引導(dǎo)線長(zhǎng)度和引導(dǎo)線半徑[15,17]。

編碼數(shù)量計(jì)算式[18]為

按照表2 編制T 型材零件信息對(duì)應(yīng)的編碼。編碼范圍相同的T 型材零件采用同一套拉彎成形模具。

表2 零件編碼含義Tab.2 Meaning of part coding mm

考慮拉彎成形模具，T 型材編碼要素中弦板厚度和弦板寬度對(duì)模具的尺寸影響不大，其中腹板厚度、引導(dǎo)線長(zhǎng)度和引導(dǎo)線半徑作為特征碼位。T 型材零件分組的編碼個(gè)數(shù)計(jì)算式為

1.3 T 型材零件拉彎成形成組加工流程

拉彎成形加工前需要根據(jù)型材材料和回彈修正的引導(dǎo)線設(shè)計(jì)制造拉彎成形模具，結(jié)合拉彎結(jié)果進(jìn)行修模以保證型材的成形精度。考慮拉彎?rùn)C(jī)夾持型材的長(zhǎng)度和型材實(shí)際長(zhǎng)度，計(jì)算型材毛料長(zhǎng)度并按照毛料長(zhǎng)度鋸切成段，之后對(duì)弦板和腹板進(jìn)行劃線、銑切，將型材裝夾到拉彎?rùn)C(jī)上進(jìn)行拉彎成形，卸載后按照型材外形銑切至要求尺寸，完成一件型材拉彎件的成形。型材傳統(tǒng)拉彎的流程如圖4 所示。

圖4 傳統(tǒng)型材拉彎流程Fig.4 Traditional profile stretch bending process

采用成組技術(shù)對(duì)T 型材進(jìn)行拉彎成形時(shí)，取T 型材腹板高度、彎曲長(zhǎng)度的最大值作為固定值，依據(jù)腹板厚度和彎曲半徑將此類零件組成一個(gè)零件族，運(yùn)用成組加工的方式進(jìn)行拉彎成形。首先對(duì)較長(zhǎng)型材進(jìn)行拉彎成形，之后再分割為要求的短型材段，銑切外形后獲得多個(gè)要求的拉彎型材零件。型材零件拉彎成組加工流程如圖5 所示。

圖5 型材零件拉彎成組加工流程Fig.5 Flow chart of group processing of profile stretch bending

在某項(xiàng)目某部件T 型材零件拉彎成形需訂制4 套拉彎模，對(duì)應(yīng)的加工工裝統(tǒng)計(jì)如表3 所示。由表3 可以看出，采用成組加工方法，可一次拉彎成形加工20 件零件以上，相比傳統(tǒng)單件成形效率提高20 倍以上。由于減少了模具數(shù)量，模具保存、搬運(yùn)、維護(hù)等需要的場(chǎng)地減少，減少了資源消耗，提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。

表3 某項(xiàng)目某部件T 型材成組加工工裝統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of T profile group processing tooling for a certain part of B767-300

2 T 型材拉彎成形成組加工技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

2.1 基于T 型材截面成組加工技術(shù)

在某項(xiàng)目某部件T 型材零件中，取T 型材立邊高度、零件長(zhǎng)度的最大值作為固定值，僅腹板厚度、引導(dǎo)線半徑不同，經(jīng)統(tǒng)計(jì)需訂制4 套拉彎模即可成形所有零件拉彎成形。結(jié)合表4 和表5 統(tǒng)計(jì)某項(xiàng)目某部件T 型材拉彎成形過程中，兩套拉彎模具即可完成所有項(xiàng)零件的成形。

表4 某項(xiàng)目某部件T 型材零件截面幾何尺寸統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics on the section geometrical sizes of T section of the certain part of the B767-300

表5 某項(xiàng)目某部件T 型材引導(dǎo)線幾何尺寸統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics on the section geometrical sizes of T profile guide line of the certain part of B767-300

2.2 基于T 型材引導(dǎo)線成組加工技術(shù)

型材截面和引導(dǎo)線決定型材拉彎成形后的形狀。在型材截面確定的前提下，引導(dǎo)線決定拉彎型材零件的形狀。拉彎成形模具的包絡(luò)面由T 型材引導(dǎo)線經(jīng)回彈補(bǔ)償修正確定?；谝龑?dǎo)線的成組加工可以有效地提高T 型材零件拉彎成形效率。

如何確定引導(dǎo)線分組規(guī)則是拉彎成形成組加工技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和仿真計(jì)算結(jié)果，型材拉彎成形回彈后型材引導(dǎo)線兩端半徑小，中間部分半徑最大。提前預(yù)測(cè)型材拉彎成形回彈后引導(dǎo)線各部分的半徑，合理安排成形型材位置，經(jīng)過一次拉彎可以得到多個(gè)滿足成形精度的型材彎曲零件，改變傳統(tǒng)的單件加工方式，極大的提高生產(chǎn)效率。

2.2.1 理論計(jì)算

對(duì)引導(dǎo)線進(jìn)行誤差分析可以為基于引導(dǎo)線的成組技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。T 型材拉彎成形引導(dǎo)線長(zhǎng)度短、彎曲角度小。引導(dǎo)線半徑在一定范圍內(nèi)變化，引導(dǎo)線形狀仍滿足成形精度要求。引導(dǎo)線彎曲半徑、弦長(zhǎng)、弦高幾何關(guān)系示意如圖6 所示。

圖6 引導(dǎo)線幾何示意圖Fig.6 Geometric diagram of the guide line

彎曲半徑R、弦高h(yuǎn)、弦長(zhǎng)L的關(guān)系式為

由幾何關(guān)系得到彎曲半徑、弦長(zhǎng)和弦高的誤差為

在固定引導(dǎo)線長(zhǎng)度的條件下對(duì)引導(dǎo)線弦高誤差進(jìn)行分析計(jì)算，回彈后半徑通常增大，半徑變化率為正值。計(jì)算得到不同半徑變化率下的弦高誤差，直至弦高誤差的絕對(duì)值大于誤差極限0.5 mm，得出不同半徑變化率下零件弧高變化曲線，如圖7 所示。

圖7 不高同半徑變化率下的弦變化量Fig.7 Variation of chord heights under different radius change ratios

圖7 中紅色虛線為成形精度弦高0.5 mm 的臨界線，點(diǎn)劃線為引導(dǎo)線半徑分別為2 000，2 450 mm在不同半徑變化率下的弦高變化量。隨著彎曲半徑的增大，相同半徑變化率下弦高變化量的絕對(duì)值逐漸減小。相同半徑下，隨著半徑變化率的增加，弦高變化量的絕對(duì)值逐漸增加。由圖7 可知，T 型材零件半徑變化率在20%都能滿足制造精度。

當(dāng)弦高變化量絕對(duì)值在成形精度要求的取值范圍內(nèi)，不同弦高變化量下的半徑變化率如圖8 所示。

圖8 不同弦高變化量下的半徑變化率Fig.8 Radius change ratio under different chord height changes

隨著弦高變化量絕對(duì)值的減小，半徑變化率的絕對(duì)值也在減小。型材引導(dǎo)線半徑的增加，在相同的弦高變化量下，半徑變化率的絕對(duì)值減小。

2.2.2 T 型材零件實(shí)例

忽略弦板和腹板端部尺寸較小的圓角保留腹板和弦板交界處的圓角，按圖2b）的截面尺寸描述型材截面的幾何信息，計(jì)算腹板的高度，整理某項(xiàng)目某部件“T”型材零件截面幾何尺寸。由表4 可知：雖然T 型材零件截面幾何尺寸各不相同，但也有共性，序號(hào)2、3、5、6 型材的厚度相同，序號(hào)1 和4 的厚度相同，序號(hào)2、3、7 腹板高度相近，序號(hào)1、6 腹板高度相近，序號(hào)4、5 腹板高度相近。由表5 可知，T 型材零件長(zhǎng)度均小于200 mm，取型材長(zhǎng)度最大值作為理論計(jì)算的型材長(zhǎng)度。T 型材引導(dǎo)線彎曲半徑有2100 、2450 mm。按照引導(dǎo)線半徑將T 型材引導(dǎo)線分為兩類，結(jié)合表5 中型材彎曲半徑和最大長(zhǎng)度，計(jì)算型材拉彎成形引導(dǎo)線彎曲角度和弦長(zhǎng)，如表6 所示。

表6 引導(dǎo)線幾何參數(shù)Tab.6 Geometric parameters of guide line

由表7 可知，長(zhǎng)度為200 mm 的T 型材拉彎成形滿足精度要求時(shí)，可選用彎曲半徑范圍較大。

表7 滿足成形精度引導(dǎo)線半徑和弦長(zhǎng)的誤差、數(shù)值范圍Tab.7 Error and value range of guide line radius and chord length to meet forming accuracy

2.2.3 數(shù)值模擬分析

理論計(jì)算獲取了固定弦高變化量下T 型材引導(dǎo)線半徑變化率，可以發(fā)現(xiàn)滿足成形精度時(shí)容許的半徑的變化量較大。理論彎曲半徑分別為2000 mm和2450 mm 的長(zhǎng)度為200 mm 型材，半徑變化率小于20%都能滿足成形精度。

1.2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性分析，符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以（x-±s）表示，計(jì)數(shù)資料用率表示。計(jì)量資料兩組間差異檢驗(yàn)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料兩組間差異檢驗(yàn)采用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)和χ2檢驗(yàn)，采用二元Logistic回歸，進(jìn)一步研究影響血腫增大的危險(xiǎn)因素，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

有限元數(shù)值模擬方法是求解拉彎成形的重要手段，它是根據(jù)由試驗(yàn)和理論方法所得到的材料模型、摩擦邊界條件及有關(guān)力學(xué)原理和簡(jiǎn)化假設(shè)，建立利用計(jì)算機(jī)求解成形過程的有限元模型，從而可以計(jì)算出工件在成形過程中各瞬間的位移、應(yīng)變和應(yīng)力分布，預(yù)測(cè)工件的回彈。對(duì)T 型材拉彎成形過程進(jìn)行仿真模擬，擬采用動(dòng)態(tài)顯式算法求解拉彎成形過程，然后將計(jì)算結(jié)果作為靜態(tài)隱式算法的輸入進(jìn)行回彈計(jì)算。在拉彎成形過程模擬中，采用位移控制法。通過計(jì)算得出準(zhǔn)確的夾頭運(yùn)動(dòng)軌跡、模具以及零件的位置、零件的長(zhǎng)度等。最后需通過適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和約束條件連接夾鉗與型材，從而達(dá)到模擬拉彎成形過程的效果。

模擬模型中T 型材截面的幾何信息如圖9b)所示，T 型材截面形狀規(guī)整，采用殼單元進(jìn)行建?？梢约涌煊?jì)算速度。以半徑2000 mm 引導(dǎo)線為例模擬計(jì)算拉彎回彈后引導(dǎo)線半徑變化情況。

圖9 T 型材拉彎成形模型幾何信息Fig.9 Geometric information of T profile stretch-bending forming model

型材成形為等曲率拉彎，為減少計(jì)算量選取一半型材進(jìn)行模擬計(jì)算。建立彎曲半徑為2000 mm拉彎模具殼單元模型，與長(zhǎng)度為1600 mm 的 T 型材進(jìn)行裝配，型材長(zhǎng)度端的形心處耦合面施加彎曲過程的位移數(shù)據(jù)，添加邊界載荷條件進(jìn)行后期的仿真計(jì)算。

1) 計(jì)算結(jié)果

彎曲半徑為2000 mm 的T 型材拉彎成形模擬結(jié)果如圖10 所示。

圖10 R2000 結(jié)果云圖Fig.10 R2000 result cloud image

2) 回彈結(jié)果

通過預(yù)定義場(chǎng)的方式對(duì)T 型材拉彎成形進(jìn)行回彈計(jì)算，由圖11 可知，回彈后型材夾持端遠(yuǎn)離模具。為計(jì)算T 型材回彈后半徑的大小，提取回彈后引導(dǎo)線位置坐標(biāo)，提取路徑如圖12 所示。

圖11 R2000 回彈結(jié)果Fig.11 R2000 springback result

圖12 提取引導(dǎo)線坐標(biāo)Fig.12 Extracting guide line coordinates

根據(jù)引導(dǎo)線上相鄰的三點(diǎn)位置坐標(biāo)計(jì)算曲率，得到彎曲型材中心到端部的半徑變化。以引導(dǎo)線上三點(diǎn)為頂點(diǎn)作三角形，a、b、c為3 個(gè)邊長(zhǎng)，曲線半徑為

式中S為是三角形面積。

式中：p為三角形的半周長(zhǎng)，p=(a+b+c)/2。

結(jié)合型材實(shí)際拉彎成形的弧長(zhǎng)，從回彈提取的引導(dǎo)線的坐標(biāo)信息，計(jì)算引導(dǎo)線的半徑。R2000 引導(dǎo)線半徑回彈前后變化如表8 所示。

表8 引導(dǎo)線半徑回彈前后變化Tab.8 Changes of the radius of the guide line before and after springback

處理模擬數(shù)據(jù)時(shí)，采用理論彎曲半徑表示回彈前半徑，回彈率數(shù)值上等于半徑變化率。半徑在回彈后相對(duì)于理論半徑的變化率小于20%，回彈帶來的形狀誤差滿足精度要求。模擬型材的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于不同規(guī)格彎曲型材的極限長(zhǎng)度，一次拉彎較長(zhǎng)型材后切割出要求的零件長(zhǎng)度得到的零件可以滿足成形精度要求。

2.2.4 拉彎試驗(yàn)驗(yàn)證

拉彎加工工藝是對(duì)一根型材兩端進(jìn)行夾持，采用張臂式或轉(zhuǎn)臺(tái)式拉彎?rùn)C(jī)結(jié)合拉彎模具，對(duì)型材進(jìn)行拉彎。試驗(yàn)采用A-14 張臂式拉彎?rùn)C(jī)，A-14 最大拉力82.5×103kg、最大拉彎零件長(zhǎng)度8585 mm，型材拉彎成形拉彎試驗(yàn)如圖13 所示。

圖13 型材拉彎成形拉彎試驗(yàn)Fig.13 Profiles stretch-bending test

測(cè)量裝夾狀態(tài)下T 型材包繞模具時(shí)不同位置的半徑，之后測(cè)量型材卸載回彈后相應(yīng)位置的半徑。拉彎試驗(yàn)回彈前后彎曲半徑變化如表9 所示。

表9 拉彎試驗(yàn)回彈前后彎曲半徑變化Tab.9 Change of bending radius before and after springback in stretch-bending test

拉彎試驗(yàn)表明實(shí)際拉彎生產(chǎn)中，T 型材拉彎回彈后的彎曲半徑變化率均小于理論計(jì)算的極限值20%，回彈后的型材按照零件長(zhǎng)度要求進(jìn)行切割，銑去弦板和腹板多余部分即可獲得滿足成形精度要求的T 型材彎曲零件。拉彎試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了拉彎成組加工的可行性。

3 結(jié)論

1）提出了T 型材拉彎成形的成組加工技術(shù)。理論計(jì)算得到某部件T 型材滿足形狀精度要求時(shí)所允許的半徑變化率的極限值為20%，并結(jié)合模擬計(jì)算和拉彎試驗(yàn)驗(yàn)證了長(zhǎng)段T 型材拉彎后切割為短型材方法的可行性。

2）型材拉彎成組加工技術(shù)改變傳統(tǒng)工藝中小彎曲零件為大件，一次拉彎獲取多個(gè)零件，提高了單件零件的成形效率20 倍以上。采用型材拉彎的成組加工技術(shù)，減少了拉彎模具的數(shù)量及人手工校正量，降低了成本，提高了零件的整體質(zhì)量。