張超/哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司
飛機(jī)支架彎曲成型工藝研究
張超/哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司
某型機(jī)產(chǎn)品支架,選用材料牌號(hào)/規(guī)格為Z2CN18-10/G25x1的管材,結(jié)構(gòu)上彎曲段多,由11個(gè)彎曲段和10個(gè)直線段組成,且為空間彎曲,形狀復(fù)雜,成形困難,攻關(guān)組從原材料性能及其結(jié)構(gòu)特征分析入手,利用模擬法及坐標(biāo)值法結(jié)合對(duì)此件進(jìn)行研制,取得成功。
彈性模量;彈性回跳角;應(yīng)變剛模量;彎管模;屈服強(qiáng)度
某型機(jī)是我公司與國(guó)外某公司合作的新機(jī)型,許多產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上均屬首次生產(chǎn),本文所述產(chǎn)品支架即為該型機(jī)上支架類產(chǎn)品的一個(gè)典型零件,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成形困難,對(duì)此展開了某型機(jī)支架彎曲成形工藝研究。
(一)產(chǎn)品材料及結(jié)構(gòu)尺寸
1.產(chǎn)品材料。
材料標(biāo)準(zhǔn):ASNA3041-2876;
材料牌號(hào)Z2CN18-10,規(guī)格G25×1,成形性能較好。
機(jī) 械 性 能 :σP0.2≥210MPa、500MPa≤Ram≤650 MPa、130≤HRC≤190;
2.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸。
圖一 支架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸圖
由圖一可見,該產(chǎn)品11個(gè)彎曲段,半徑分別為63mm、50mm和100mm。最小的彎曲半徑僅為兩倍管材直徑。
(二)產(chǎn)品制造的關(guān)鍵技術(shù)及制造難點(diǎn)
根據(jù)圖一中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸分析,該產(chǎn)品在制造過程中主要應(yīng)解決彎曲回彈和半徑過小的難題,總結(jié)制造難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)如下:
1.兩彎曲段之間直線段過短。根據(jù)航標(biāo)規(guī)定,該產(chǎn)品理論最小直線段距離為75mm,從側(cè)視圖看,該產(chǎn)品兩個(gè)R50之間的直線段僅為12.5mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論值。該直線段為彎曲成形階段的夾持段,該段過短,夾緊力不夠,無法獲得所需形變,增加成形難度;
2.彎曲半徑過小。航標(biāo)規(guī)定,標(biāo)準(zhǔn)的彎曲半徑為管材直徑的3倍,至少應(yīng)為2.5倍,彎曲半徑過小,管壁外側(cè)易出現(xiàn)裂紋甚至破裂的缺陷,但該產(chǎn)品R50mm的彎曲半徑僅為管材直徑φ25mm的2倍,增加了彎曲成形的難度;
3.彎曲回彈的確定。彎曲回彈,是不能避免的必然現(xiàn)象,而產(chǎn)品的彎曲回彈量,為設(shè)計(jì)彎曲工裝的主要依據(jù)。
彎曲回彈的確定試驗(yàn):
任何管件的彎曲過程中都存在著塑性變形和彈性變形,外載荷卸去后,塑性變形保留下來,彈性變形得以恢復(fù)。因此要準(zhǔn)確確定零件的成形尺寸,必須知道管材的彎曲回彈量。
管材回彈:
彈性回跳角:
σS--材料屈服極限
E--彈性模量
F--應(yīng)變剛模量
ρ′--卸載后中性層殘留彎曲半徑
ρ--加載時(shí)中性層彎曲半徑
D0--管子外徑
do--管子內(nèi)徑
d--管子平均直徑 d=(D0+do)/2
S0--管子壁厚
ρ--加載時(shí)中性層相對(duì)彎曲半徑ρ=ρ/D0
θ--卸載前管子彎曲夾角
Δθ--彈性回跳角
從上面的公式中得知,材料的機(jī)械性能(σs、E、F)、管件的幾何尺寸(D0、d、S0)、回彈角都可以影響管件回彈。上述所示回彈公式為我們?cè)O(shè)計(jì)彎曲工裝提供了依據(jù)?;貜椊堑拇笮。c材料種類、軟硬狀態(tài)、紋路方向、模具幾何參數(shù)、彎角大小、彎曲半徑及材料厚度等有關(guān)。雖然一些常見材料的的彎曲回彈值,通過查找相關(guān)資料能夠直接得出,但由于影響回彈的因素很多,對(duì)一種情況,預(yù)估出很精準(zhǔn)的回彈值是不可能的,在大多數(shù)情況下,預(yù)估出近似的回彈值,并根據(jù)其修理彎曲工裝(一般是減少模具角度或彎曲半徑,或兩者兼用,或采取其它對(duì)消回彈角的模具設(shè)計(jì))。綜上,對(duì)于該產(chǎn)品來說,主要的工藝試驗(yàn)為產(chǎn)品彎曲時(shí)回彈值的確定。
如圖一,支架本身為左右對(duì)稱的彎曲件,我們可以先對(duì)支架產(chǎn)品單側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成形順序分析。
按照上述分析的產(chǎn)品制造關(guān)鍵點(diǎn),可將產(chǎn)品單側(cè)生產(chǎn)過程簡(jiǎn)化成以下四步①解決連續(xù)在數(shù)控彎管機(jī)上彎曲的問題;②解決彎曲半徑過小,防止裂紋;③確定工裝的回彈;④解決直線段尺寸小的問題。
1.確定工裝的回彈。回彈的最終確定要通過試彎確定,程序如下:a.依據(jù)理論回跳值制造彎曲模具,按照模具對(duì)管材試彎,測(cè)量試件彎曲半徑及彎曲角度;b.將測(cè)量值與產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行對(duì)比;c.如若試件合格確定回跳值,如若不合格,修正回跳角,返修彎管模,進(jìn)行上面a、b流程,按上多次反復(fù)制出合格試件,確定最終回跳值。
對(duì)應(yīng)材料Z2CN18-10,查找相應(yīng)材料手冊(cè),找出公式中相應(yīng)的各量值,計(jì)算得出回彈半徑理論值彎曲半徑(彎曲半徑R63 mm、R50 mm、R100 mm的理論回彈半徑值相應(yīng)為R61.7 mm、R48 mm、R98.9 mm),以此為依據(jù),設(shè)計(jì)管材彎曲工裝,按照上述流程圖的制造流程進(jìn)行多次試驗(yàn)、測(cè)量,確定彎曲的實(shí)際回彈半徑值,依次為R62.7 mm、R49.5 mm、R99.3 mm。
2.彎曲半徑過小,防止裂紋。對(duì)于該問題,我們進(jìn)行了多次試驗(yàn),空心彎曲、加芯棒彎曲,都不理想,特別是空心彎曲,出現(xiàn)了裂紋。最終,我們?cè)诠芮粌?nèi)部灌注低熔點(diǎn)合金,灌注低熔點(diǎn)合金后整個(gè)管體相當(dāng)于一個(gè)鋼棒,彎曲時(shí)不易出現(xiàn)裂紋,管材內(nèi)腔有低熔點(diǎn)合金支撐而限制變形,加工性能大大提高,還避免了彎曲部分的變扁和起皺現(xiàn)象。
3.直線段尺寸小。對(duì)于該問題,在工裝設(shè)計(jì)時(shí),把夾塊和彎管模以直線段為準(zhǔn)向兩端沿著R(彎曲方向)延長(zhǎng),由原來的直線段夾緊改為直線段和彎曲段共同夾緊,增大夾持力,實(shí)現(xiàn)彎曲。
4.在數(shù)控彎管機(jī)上連續(xù)彎曲。首先,我們進(jìn)行分段彎曲,把每一段以形體工裝為準(zhǔn)焊接在一起,用激光測(cè)量機(jī)測(cè)出整體坐標(biāo)值,把坐標(biāo)值輸入數(shù)控彎管機(jī),進(jìn)行對(duì)管體的連續(xù)彎曲(這里我們也參考了從數(shù)模上下載的理論坐
經(jīng)過產(chǎn)品的分析和試制,確定了彎曲工裝的結(jié)構(gòu)和彎曲半徑,攻關(guān)組在數(shù)控彎管機(jī)上經(jīng)過了多次反復(fù)試驗(yàn),最終制造出符合產(chǎn)品數(shù)模的產(chǎn)品。
[1]《航空導(dǎo)管加工》國(guó)防工業(yè)出版社.
[2]《材料力學(xué)》哈爾濱工業(yè)大學(xué).
[3]《理論力學(xué)》上??萍汲霭嫔?