復(fù)雜薄壁曲面鈑金零件成形分析及加工

成都凱天電子股份有限公司 (四川 610091)吳 涯 倪 宏 吳 濤 張智斌 易 利

在航空工業(yè)中，鈑金零件是組成現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)體的主要部分，約占飛機(jī)零件總數(shù)量的70%，制造工作量約占整架飛機(jī)勞動(dòng)量的15%，并有品種多、數(shù)量少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外廓尺寸大及剛性小等特點(diǎn)，直接影響飛機(jī)整機(jī)質(zhì)量和生產(chǎn)周期。隨著機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)鈑金加工方式，需要反復(fù)進(jìn)行工藝試驗(yàn)確定展開外形尺寸，而傳統(tǒng)的加工方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化企業(yè)生產(chǎn)需要，特別是航空薄壁件更是一項(xiàng)高效、復(fù)雜、快速加工的工程。本文以現(xiàn)場(chǎng)某項(xiàng)復(fù)雜薄壁鈑金零件為實(shí)踐，利用三維設(shè)計(jì)軟件UG 進(jìn)行復(fù)雜薄壁鈑金成形性分析、成形加工。

1.零件分析

圖1 零件選用材料316L 不銹鋼板，材料厚度僅為0.3mm，標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A240。零件鈑金成形存在以下困難:①轉(zhuǎn)角處一次成形困難，易起皺、拉裂。②材料厚度僅為0.3mm，材料延展性差。③曲面未知，模具設(shè)計(jì)制造困難。④零件為復(fù)雜三維曲面，需要反復(fù)工藝試驗(yàn)確定展開外形尺寸。⑤采用焊接加工，屬于超薄板焊接，三維曲面焊接難度大。

圖1

奧氏體不銹鋼316L 板化學(xué)成分與力學(xué)性能分析如表1 所示:

表1

不銹鋼316L 特性:①因添加Mo，故其耐蝕性、耐大氣腐蝕性和高溫強(qiáng)度特別好，可在苛酷的條件下使用。②加工硬化性優(yōu)(無(wú)磁性)。③高溫強(qiáng)度優(yōu)秀，固溶狀態(tài)無(wú)磁性。④冷軋零件外觀光澤度好。⑤相對(duì)304L 不銹鋼，價(jià)格較高。

2.零件成形可行性分析

(1)建立模型 在三維設(shè)計(jì)軟件UG 里，通過參數(shù)化命令，用數(shù)字化的方法建立三維模型坐標(biāo)，并在零件下面平生成另一個(gè)平面，高于零件最底面1mm (見圖2)，通過菜單命令調(diào)用出航空鈑金設(shè)計(jì)模塊，設(shè)置相對(duì)位置。

(2)成形性厚度分布 在UG 軟件里，分析可成形性一步式分析中，設(shè)置好零件材料、材料厚度后，利用可成形性一步式的厚度的設(shè)置對(duì)零件進(jìn)行成形分析(見圖3)，可以看出整體成形進(jìn)，零件厚度的變化較大，零件厚度從0.260 6mm 變化至0.341 1mm，在折彎拐角外變化達(dá)到最大，零件厚度變化相差達(dá)到0.08mm。

在變化較大的拐角點(diǎn)可以看出，拐點(diǎn)處在成形時(shí)易起皺。

(3)成形性應(yīng)力分布 利用UG 分析可成形性一步式，利用UG 軟件對(duì)零件進(jìn)行應(yīng)力成形分析(見圖4)，可以看出零件應(yīng)力的變化較大，零件應(yīng)力從160.3MPa 變化至405.5MPa，在折彎拐角外變化達(dá)到最大，零件應(yīng)力變化最大405.5MPa。在變化較大的拐角點(diǎn)可以看出，拐點(diǎn)處在成形時(shí)易拉裂，從圖上可以看出一步成形困難。

(4)成形性應(yīng)變分布 利用UG 分析可成形性一步式，利用UG 軟件對(duì)零件進(jìn)行應(yīng)變成形分析(見圖5)，可以看出零件應(yīng)變的變化較大，零件應(yīng)變從0.0168 變化至0.2197。通過分析，變化較大的拐角處應(yīng)變分布如圖5 所示，拐角處一步成形時(shí)易產(chǎn)生拉裂、起皺。

(5)零件網(wǎng)狀、展開 通過UG 軟件對(duì)零件一步成形、展開，可以看出展開的圖形是相交(見圖6)，在平面上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的過程，利用軟件CAE 模塊進(jìn)行分析，最大限度地減少了設(shè)計(jì)缺陷。

圖2 分析可成形性

圖3 厚度分布數(shù)據(jù)

圖4 應(yīng)力分布數(shù)據(jù)

圖5 應(yīng)變分布數(shù)據(jù)

圖6

3.零件拆分及展開成形

(1)成形過程 根據(jù)UG 軟件對(duì)零件一步成形性分析，零件拆分為兩個(gè)零件加工(見圖7)，拆分為曲面成形與平面成形，通過對(duì)零件的拆分，簡(jiǎn)化成形時(shí)難題，避免在一次成形時(shí)起皺、拉裂。

圖7

(2)零件成形分析 利用UG 分析可成形性一步式，對(duì)零件進(jìn)行成形厚度、應(yīng)力、應(yīng)變成形曲面、平面分析(見圖8、圖9)。

(3)零件展開 在鈑金零件設(shè)計(jì)完成后，為便于加工，都要將其轉(zhuǎn)化為展開圖，以確定所需板料大小以及板料的形狀等。在傳統(tǒng)的鈑金零件展開時(shí)，都通過人工憑經(jīng)驗(yàn)計(jì)算獲得。這樣做有三方面困難:①工作量大，展開過程繁瑣。②效率低，在展開時(shí)對(duì)于一般工程師而言易產(chǎn)生錯(cuò)誤，需要進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)確認(rèn)展開準(zhǔn)確性。③精度低，大部分展開憑經(jīng)驗(yàn)獲得，造成物料和人工的大量浪費(fèi)。

圖8 曲面成形分析

圖9 曲面成形分析

在UG 中利用鈑金模塊UG/Sheet Metal Design 的自動(dòng)展開功能，可完成鈑金零件的自動(dòng)展開，直接生成二維平面加工(見圖10)。對(duì)于展開后板料的形狀和大小，均可通過自動(dòng)計(jì)算獲得，因此擁有高速、高精度、零錯(cuò)誤率以及操作簡(jiǎn)捷的優(yōu)點(diǎn)。

(4)零件成形對(duì)比 根據(jù)上述零件成形性分析，對(duì)整體成形與拆分成形做對(duì)比，對(duì)比情況如表2所示。

圖10

表2

通過上述表格數(shù)據(jù)比較，零件整體成形時(shí)，成形厚度與應(yīng)力大小都超過了材料力學(xué)性能，展開時(shí)存在曲面相交。零件拆分為曲面和平面組合件時(shí)，在曲面成形與平面成形都能保證，厚度與應(yīng)力大小都未超過材料力學(xué)性能，展開后的零件加工工藝性能較好。

4.模具快速設(shè)計(jì)

在三維設(shè)計(jì)軟件UG 中，通過建模模塊命令，首先建立三維模型，并確定三維模型坐標(biāo)后。通過抽取體命令，抽取零件內(nèi)平面、內(nèi)曲面，隱藏建立的三維模型，利用曲面掃掠的特征(見圖11)，分別作出曲面上的掃掠后相關(guān)的曲面，使抽取體與掃掠曲面縫合在一塊，形成一塊整體。然后在零件中建立平面，與零件成水平狀，并通過平面拉伸成形(見圖12)保證修剪實(shí)體時(shí)確保模具成形，模具成形定位位置。在拉伸成形后，充公利用修剪體的命令對(duì)零件進(jìn)行修剪(見圖13)，設(shè)置好目標(biāo)體與刀具體，通過目標(biāo)體與刀具體相剪切，生成凸模成形形狀(見圖14)，完成后通過拉伸命令中的求差，拉伸出凸模模具(見圖15)。

根據(jù)上述圖示，通過三維軟件生成相關(guān)的上模模具、凹模模具(見圖16)。

圖11 抽取、掃掠

圖12 拉伸成形

圖13 修剪體

圖14 凸模成形

圖15 凸模模具

加工的模具組合如圖17 所示，在三維軟件中可以分析，成形過程中是否存在干涉現(xiàn)象。通過三維軟件的設(shè)計(jì)可以快速轉(zhuǎn)換成二維圖樣，并在三維模型里可以設(shè)置好相配合尺寸，可以提高加工過程模具的返修。在模具加工過程中，編程人員通過三維模型生成編程程序，大大節(jié)約了編程人員與操作人員的輔助工作時(shí)間。在早期模具設(shè)計(jì)大部分以二維設(shè)計(jì)為主，特別是在加工復(fù)雜曲面的時(shí)，模具型面以模線樣板、樣件、模胎等模擬量的方式進(jìn)行傳遞協(xié)調(diào)，模具制造精度及配合面的協(xié)調(diào)性不易保證，往往通過反復(fù)調(diào)整與修改，達(dá)到最終的圖樣要求。

圖16

圖17 凸模模具

5.手工成形

采用手工成形的方式，操作人員利用成形凸模、成形凹模成形零件曲面、平面(見圖18、圖19)，保證曲面、平面與三維建模一致。成形后，通過檢測(cè)三坐標(biāo)檢測(cè)出曲平與平面符合圖樣要求。

圖18 圖 19

6.零件焊接

316L 屬于奧氏體不銹鋼焊接奧氏體不銹鋼主要問題是熱裂紋(焊接過程中)，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)所產(chǎn)生的焊接熱裂紋、脆化、晶間腐蝕(沿金屬晶粒邊界發(fā)生的腐蝕破壞現(xiàn)象)和應(yīng)力腐蝕開裂(金屬材料，包括焊接接頭，在一定溫度下受腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用而產(chǎn)生的裂紋)。此外，因?qū)嵝圆?，線膨脹系數(shù)大，焊接變形也大。

焊接工藝采用方法是利用焊接模具進(jìn)行焊接(見圖20)，夾持曲面與平面零件，使零件在焊接時(shí)處于固定狀態(tài)，首先采用點(diǎn)焊，點(diǎn)焊完成后進(jìn)行滿焊，焊接時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)焊接夾具。采用此方法焊接，盡量采用小電流、窄焊道、快速焊工藝，減少熱輸人，控制層間溫度。

圖20

7.結(jié)語(yǔ)

通過三維軟件設(shè)計(jì)中制造技術(shù)，加工工廠實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、分析、制造的數(shù)字協(xié)同并行一體化，并且采用智能化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，使產(chǎn)品研發(fā)周期縮短了50% 以上，成本降低40%，出錯(cuò)返工率降低80%。