彭艷敏

一、引言

鈑金加工是飛機(jī)零件、組件和部件制造的重要工藝，鈑金零部件約占飛機(jī)總零部件數(shù)的 50%以上，飛機(jī)鈑金零件的生產(chǎn)對保證飛機(jī)生產(chǎn)進(jìn)度、達(dá)到技術(shù)質(zhì)量要求具有重要影響。

鈑金件展開是指從將三維零件設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分析和計(jì)算得到平面毛料的過程，對于框肋零件、部分蒙皮零件等復(fù)雜雙曲率鈑金件而言，其展開形狀決定了成形的外形尺寸精度。鈑金零件的毛坯展開計(jì)算是沖壓工藝設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié)。精確的毛坯形狀不僅能夠節(jié)約原材料，減少成形后的修邊工作量，而且可以改善成形條件、提高成形質(zhì)量。因此，研究開發(fā)沖壓零件的展開技術(shù)，具有重要的意義。但是由于零件成形過程中材料的塑性變形行為較復(fù)雜，目前還沒有很好的方法來準(zhǔn)確地計(jì)算毛坯形狀。常見的展開方法歸納為：基于材料中性層的零件展開；基于零件外表面的曲面展開；基于有限元分析軟件逆算法的零件展開。本文所述為基于材料中性層的零件展開和零件外表面的曲面展開。

傳統(tǒng)折彎鈑金件加工工藝以粗放展開加工并結(jié)合機(jī)械切削為特點(diǎn) ，先近似以展開尺寸放樣落料 ，預(yù)留后續(xù)加工余量后進(jìn)行折彎。折彎后再修準(zhǔn)尺寸 ，加工孔槽。這種工藝對展開圖精度要求低 ，存在著工藝路線復(fù)雜、效率低、浪費(fèi)材料及加工質(zhì)量不易保證等缺點(diǎn)。

現(xiàn)代折彎鈑金件加工工藝以精確展開加工、零機(jī)械切削為特點(diǎn) ，先按展開圖全部切割出外形及孔、槽 ，然后折彎成型。這種工藝具有鈑金零件的單元封閉加工、工藝路線簡化、效率高和加工質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn) ，但對鈑金展開圖的精度要求高。因此 ，現(xiàn)代折彎鈑金件加工中精確展開圖的繪制就成了首先要解決的問題。

二、零件展開原理

為了觀察板料彎曲時的金屬流動情況，便于分析材料的變形特點(diǎn)，可以采用在彎曲前的板料側(cè)表面用機(jī)械刻線或照相腐蝕制作正方形網(wǎng)格的方法。然后用工具觀察并測量彎曲前后網(wǎng)格的尺寸和形狀變化情況，如圖 1所示彎曲前，材料側(cè)面線條均為直線，組成大小一致的正方形小格，縱向網(wǎng)格線長度。彎曲后，通過觀察網(wǎng)格形狀的變化，如圖1所示，可以看出彎曲變形具有以下特點(diǎn)。

1.彎曲圓角部分是彎曲變形的主要變形區(qū)

通過對網(wǎng)格的觀察，彎曲圓角部分的網(wǎng)格發(fā)生了顯著的變化，原正方形網(wǎng)格變成了扇形；而在遠(yuǎn)離圓角的直邊部分，則沒有這種變化；在靠近圓角處的直邊，有少量的變化，這說明彎曲變形區(qū)主要在圓角部分。通過不同角度的彎曲，會發(fā)現(xiàn)彎曲圓角半徑越小，該變形區(qū)的網(wǎng)格變形越大。因此，彎曲變形程度可以用相對彎曲半徑來表示（r/t）。

2.彎曲變形區(qū)的應(yīng)變中性層

比較變形區(qū)內(nèi)彎曲前后相應(yīng)位置的網(wǎng)格線長度可知，板料的外區(qū)（靠凹模一側(cè)），縱向纖維受拉而伸長；內(nèi)區(qū)（靠凸模一側(cè)），縱向纖維受壓縮而縮短。內(nèi)、外區(qū)至板料的中心，其縮短和伸長的程度逐漸變小。由于材料的連續(xù)性，在伸長和縮短兩個變形區(qū)域之間，其中必定有一層金屬纖維材料的長度在彎曲前后保持不變，這一金屬層稱為應(yīng)變中性層（圖 1中 o-o層）。應(yīng)變中性層長度的確定是進(jìn)行彎曲件毛坯展開尺寸計(jì)算的重要依據(jù)。當(dāng)彎曲變形程度很小時，應(yīng)變中性層的位置基本上處于材料厚度的中心，但當(dāng)彎曲變形程度較大時，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)變中性層向材料內(nèi)側(cè)移動，變形量愈大，內(nèi)移量愈大。

三、基于零件中性層的展開方法

1.幾何計(jì)算法

幾何計(jì)算法又稱鈑金件展開經(jīng)驗(yàn)公式，主要對于一般的彎邊零件和幾何形狀規(guī)整的框，肋等平面零件以及成形時材料流動較小的零件，均可采用此方法。

通常，零件展開是計(jì)算值（圖 2），其計(jì)算公式如下：

Z=L-（ L1+x）

令：

m=m1 -m2

則： Z=B-m

式中， B為彎邊實(shí)際高度； R為彎曲內(nèi)半徑； δ為零件材料厚度； α為 90° ±M；M為斜角值； n為零件內(nèi)表面到彎曲中性線的距離； m、m1、m2稱為展開修正值，根據(jù)常用的 R和 δ的幾種組合算出值。

當(dāng) R和 δ的比值小于 2時，應(yīng)查 K值表計(jì)算展開。具體數(shù)值可查閱航空制造工程手冊—飛機(jī)模線樣板相關(guān)章節(jié)。

幾何計(jì)算法適用于零件腹板面為平面，且展開面形狀簡單的系列零件。用此方法，計(jì)算比較繁瑣，效率比較低。

2.CATIA V5航空鈑金模塊的展開

該方法的特點(diǎn)是在鈑金模塊下建立的鈑金件三維實(shí)體模型，均可利用該模塊的 fold/unfold的功能，進(jìn)行展開，并且可以展開零件外形形狀比較復(fù)雜的普通鈑金件。另外，經(jīng)過比較，CATIA鈑金模塊得到的展開尺寸比國內(nèi)飛機(jī)公司技術(shù)人員展開的尺寸相對要小一些。所以，需合理選取材料的成形參數(shù)— K值，具體步驟是：①進(jìn)入 CATIA V5航空鈑金模塊（Aerospace Sheet Metal Design），設(shè)立鈑金件的建模參數(shù)（Sheet Metal Parameter），在建模參數(shù)對話框中分別設(shè)置鈑金件的材料厚度、彎曲半徑以及材料的彎曲參數(shù)— K值等。②建立腹板面以及彎曲面，以及下陷、各種減輕孔、加強(qiáng)窩等。③完成鈑金件的實(shí)體建模，運(yùn)用模塊中的展開功能實(shí)現(xiàn)展開。鈑金零件展開實(shí)例如圖 3所示。

CATIA V5航空鈑金模塊的不足：①要求鈑金零件必須在航空鈑金模塊中生成才能展開，而實(shí)際生產(chǎn)中零件是在零件設(shè)計(jì)模塊中生成的。②要求鈑金零件必須至少一個面為平面或近似平面，即腹板面為平面，但是飛機(jī)上有一部分鈑金零件，不存在平面，均為曲面。例如，帶翻邊的墊片、角片等。③在航空鈑金模塊創(chuàng)建雙曲度彎邊存在一定的局限性，無法建立或很難創(chuàng)建曲率變化比較大的雙曲度零件。因此，要對零件的外形曲面進(jìn)行適度。

（1）曲面模塊的曲面展開。

曲面展開可以運(yùn)用 CATIA V5中的創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊（Generative Shape Design）以及 CATIA V4里的develop模塊。創(chuàng)成式曲面模塊提供較為全面的曲面展開功能包括展開原點(diǎn)選擇，展開方向的選擇，以及展開后的誤差云圖分析。

具體步驟是：①根據(jù)零件的厚度，計(jì)算零件內(nèi)表面到彎曲中性線的距離 n，一般取 n=0.446δ （δ為零件的厚度 ）；②將包絡(luò)零件最大外形的曲面偏置至中性層，曲面略大于零件外形且盡量取裁規(guī)整，以確保展開后的曲面質(zhì)量；③將零件最大外形輪廓線，參考元素以及孔軸線投影到中性層曲面；④利用 CATIA V5或 V4的展開功能，展開零件外形并分析曲面展開后的誤差。

在 CATIA V5實(shí)體模塊，創(chuàng)建展開后的實(shí)體模型，如圖 4所示。

（2）展開誤差分析。

為保證簡單曲面類零件展開的準(zhǔn)確性，利用檢查曲面邊緣、對角線和網(wǎng)格線三類檢測線在曲面展開前后的長度變化，以及曲面展開前后的網(wǎng)格是否變形，確定曲面類零件展開的準(zhǔn)確性。

三類檢測線：如圖 5所示，紅色線：檢測曲面展開后4個外邊的變形情況；青色線：用與檢測曲面展開的對角線變形情況，防止曲面的扭曲變形；黑 K色線：檢測曲面內(nèi)部局部由于曲面構(gòu)形不同造成的局部突變。

曲面網(wǎng)格是曲面最重要的構(gòu)成元素，利用自由曲面中控制點(diǎn)查看工具 查看曲面展開前后網(wǎng)格有無明顯的彎曲變形或扭曲變形，若存在嚴(yán)重的網(wǎng)格變形，則展開曲面不可用；若網(wǎng)格展開前后規(guī)整，無變形且三類檢測線符合數(shù)字樣板設(shè)計(jì)要求，則展開曲面準(zhǔn)確，展開誤差為三類檢測線中最大差值。將展開曲面劃分網(wǎng)絡(luò)，如圖 6所示。

對展開后曲面與原來的已存曲面相比較，誤差在規(guī)定的范圍內(nèi)，完全能夠滿足設(shè)計(jì)和制造上的需要。在展開數(shù)據(jù)上增加化銑余量線，定位耳片，得出化銑樣板展開數(shù)據(jù)，如圖 7所示。

（3）CATIA V5曲面展開模塊的不足：①展開單曲度的鈑金件，例如機(jī)身、機(jī)翼的蒙皮類零件或機(jī)翼前緣、后緣等部位的蜂窩芯類的零件。②對于雙曲度零件，CATIA V5不可展或展開后誤差較大，不能滿足零件設(shè)計(jì)要求。

3.基于 CATIA V4 的展開

（1）用 DEVELOP功能展開計(jì)算。

該功能基于曲面的參數(shù) u或 v方向的一條基線進(jìn)行展開計(jì)算。它包含 CREATE和 DEFORM兩部分?；诰瓤紤]，對于可展曲面用 DEFORM直接展開，而對于不可展曲面需用 CREATE沿原曲面的兩條邊界線構(gòu)造符合要求的可展曲面，再用 DEFORM展開。此功能局限性較大，不適用于雙曲度曲面的近似展開計(jì)算。

（2）用 FLATPATTERN功能展開計(jì)算。

首先需要把待展曲面網(wǎng)格化，然后選擇一組等參數(shù)線（U、V）作為展開基準(zhǔn)即曲面坐標(biāo)系的兩個軸，再以此曲面坐標(biāo)系展開網(wǎng)格，最后把曲面上的零件結(jié)構(gòu)特征信息映射到展開網(wǎng)格上以達(dá)到零件的展開。該功能適用于雙曲度曲面的展開計(jì)算。

四、結(jié)語

本文論述基于零件中性層理論的鈑金零件展開，適用于普通鈑金、航空鈑金和飛機(jī)等直段蒙皮；雙曲度飛機(jī)蒙皮以及飛機(jī)整流外形蒙皮的展開、長桁和雙曲度整體壁板。