張凌云, 周 帥,陳 瑤,樸小東

(1.航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室(沈陽(yáng)航空航天大學(xué))，沈陽(yáng) 110136；2.空軍航空大學(xué) 飛行訓(xùn)練基地，遼寧 錦州 121000)

飛機(jī)鈑金制造過(guò)程中，框肋類零件具有種類多、批量小、精度要求高等特點(diǎn).采用傳統(tǒng)的制造方法無(wú)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(jī)制造過(guò)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(guò)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(jì)的重要參數(shù)，近年來(lái)板料成形領(lǐng)域?qū)貜椦a(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了大量的研究.Livatyali 和 Altan[3]提出了一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，使用有限元方法對(duì)直彎邊零件進(jìn)行回彈補(bǔ)償；Nanu 和Brabie[4]分析了U型彎曲工藝參數(shù)對(duì)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(duì)純彎曲變形卸載前所加彎曲力矩的計(jì)算進(jìn)行推導(dǎo)，得出相對(duì)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(guò)程中應(yīng)力分布對(duì)回彈的影響.裴興林等[7]用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法和均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)L型薄板彎曲回彈進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出厚向積分點(diǎn)數(shù)對(duì)回彈影響非常顯著；陽(yáng)湘安等[8]提出了一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的綜合評(píng)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(lái)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(yàn)方法分析了不同因素對(duì)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(duì)剛性模具，對(duì)于橡皮成形回彈補(bǔ)償?shù)睦碚撗芯亢脱a(bǔ)償系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)還不足，本文提出補(bǔ)償因子對(duì)回彈公式進(jìn)行修正，并通過(guò)CATIA二次開(kāi)發(fā)對(duì)模具進(jìn)行補(bǔ)償，利用數(shù)值模擬對(duì)直彎邊下陷零件橡皮成形回彈補(bǔ)償進(jìn)行研究.

1 板料回彈理論公式

1.1 回彈公式

板料在成形過(guò)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(shí)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(shí)，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(jiǎn)化模型，卸載時(shí)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(shí)彎矩為

(4)

式中：K為強(qiáng)化系數(shù)，n為應(yīng)變強(qiáng)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(zhǎng)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(bǔ)償因子

在飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)渡圓角半徑區(qū)，在成形時(shí)，此區(qū)域的應(yīng)力分布比較復(fù)雜，為了方便計(jì)算彎矩，忽略過(guò)渡圓角半徑區(qū)域的應(yīng)力計(jì)算，將下陷區(qū)域簡(jiǎn)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(jì)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(gè)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(duì)回彈沒(méi)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(wú)數(shù)個(gè)寬度為dL的微元，由幾何關(guān)系可以確定微元的長(zhǎng)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(jì)算公式得出每個(gè)微元的慣性矩為

(11)

則整個(gè)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(zhǎng)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(bǔ)償因子為

(16)

此時(shí)，回彈補(bǔ)償公式為

Δθ補(bǔ)償=f·Δθ.

(17)

其中f為補(bǔ)償因子，Δθ為公式(7)計(jì)算的回彈角.

2 回彈補(bǔ)償模塊二次開(kāi)發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)連接

在飛機(jī)鈑金制造過(guò)程中，“一步法”成形是國(guó)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(guò)單向拉伸試驗(yàn)測(cè)定，將其開(kāi)發(fā)成Access數(shù)據(jù)庫(kù)，為回彈補(bǔ)償計(jì)算提供材料參數(shù).

訪問(wèn)Access數(shù)據(jù)庫(kù)主要有以下4種方式：(1)ODBC (Open Database Connectivity) 開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)連接 ; (2) DAO (Data Access Object) 數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)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(kù)訪問(wèn)技術(shù)，是對(duì) OLEDB 的封裝.本文采用ADO方式對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行提取和寫(xiě)入，窗口如圖4所示.

圖4 材料參數(shù)窗口

2.2 回彈補(bǔ)償系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)

本文提出一種曲線法平面截取補(bǔ)償算法對(duì)板料成形過(guò)程中回彈問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)回彈函數(shù)分別計(jì)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(duì)其進(jìn)行回彈補(bǔ)償[12].本文采用CATIA二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)該算法，曲線法平面截取補(bǔ)償理論是基于截取平面內(nèi)的二維補(bǔ)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(bǔ)償；3)彎曲角度回彈補(bǔ)償.

利用Visual C++將公式(16)基于CATIA二次開(kāi)發(fā)出回彈補(bǔ)償系統(tǒng)，針對(duì)長(zhǎng)條U形鈑金件進(jìn)行回彈補(bǔ)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(guò)CATIA二次開(kāi)發(fā)的補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)條U形鈑金件進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于純直彎邊部分采用未修正的公式6進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償結(jié)果如圖6(a)所示.下陷區(qū)部分采用帶有補(bǔ)償因子的公式(16)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償結(jié)果如圖6(b)所示.

圖6 回彈補(bǔ)償

3 直彎邊下陷零件有限元模擬

3.1 有限元模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算，提高效率，二次開(kāi)發(fā)回彈補(bǔ)償系統(tǒng)中將補(bǔ)償完成的模具曲面導(dǎo)出，采用Pam-stamp 2G軟件模擬來(lái)對(duì)回彈進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立有限元模型如圖7所示.主要由4部分組成：工作臺(tái)、模具、板料和橡皮.模具和工作臺(tái)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(tái)固定6個(gè)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(guò)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(bǔ)償后模具成形回彈很小且在公差范圍內(nèi).

4 實(shí)際成形試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程中所用模具為采用二次開(kāi)發(fā)補(bǔ)償后模具，模具材料為Q235鋼.試驗(yàn)選用ABB公司生產(chǎn)的QFC1.4 4-1000橡皮液壓機(jī)，其工作效率高，省時(shí)高效，由于板料在成形過(guò)程中，使用不同潤(rùn)滑劑會(huì)出現(xiàn)不同的摩擦狀況[14,15]，本試驗(yàn)選用SDL水基潤(rùn)滑劑并添加一定量的油酸鈉.對(duì)板料進(jìn)行橡皮成形試驗(yàn)，成形壓力分別為40、50和60 MPa，試驗(yàn)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(shí)，下陷效果較為明顯.

試驗(yàn)結(jié)束后，采用通用量角器對(duì)圖11中所示直彎邊帶下陷彎邊各位置的回彈角進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1.

圖8 成形過(guò)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(shí)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(duì)回彈的影響較小，二次開(kāi)發(fā)回彈補(bǔ)償更精準(zhǔn)且二次開(kāi)發(fā)補(bǔ)償誤差均在0.5°之內(nèi).采用計(jì)算公式二次開(kāi)發(fā)下陷區(qū)回彈補(bǔ)償結(jié)果與試驗(yàn)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(dòng)先增加后減小的趨勢(shì).

圖12 回彈補(bǔ)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(bǔ)償因子的下陷區(qū)回彈補(bǔ)償公式.

2)通過(guò)CATIA二次開(kāi)發(fā)將補(bǔ)償公式得以實(shí)現(xiàn)并與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了材料參數(shù)的快速讀取和寫(xiě)入.

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