模擬技術(shù)在特形三通半管凈邊精沖成形中的應(yīng)用研究

[摘 要]三通半管高質(zhì)量、高效率一次成形一直是生產(chǎn)中的重大難題，傳統(tǒng)沖壓方法難以同時克服中部起皺與邊緣開裂相互矛盾問題，因此三通半管一次精確成形一直是國內(nèi)外鈑金成形熱門研究領(lǐng)域。特別是延展性差、強度較低鋁合金板制大直徑特形三通半管成形十分困難，往往采取邊成形、邊敲打除皺的漸進成形辦法，質(zhì)量不穩(wěn)定、效率較低、對人員技能要求高。凈邊精沖成形是通過模具將板料一次成形為立體空心零件的工藝方法；其目的是實現(xiàn)復(fù)雜零件零試模、零切割、零敲擊的凈邊一次成形技術(shù)。精沖成形技術(shù)的核心是鈑金數(shù)字化制造，運用數(shù)字化仿真分析成形問題；即通過對模具結(jié)構(gòu)、毛坯形狀、定位方式等工藝參數(shù)的優(yōu)化配合，實現(xiàn)成形過程的穩(wěn)定的先進技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字化制造、有限元模擬、凈邊精沖成形

中圖分類號：V261.28；TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）12-0399-02

1 引言

精沖成形優(yōu)點是成形效率高，零件表面質(zhì)量光滑美觀；但缺點是成形過程受力情況復(fù)雜、影響因素多；傳統(tǒng)沖壓方法對零件成形成敗具有不可預(yù)見性，多數(shù)零件投產(chǎn)試制存在制造失敗風(fēng)險。而飛機產(chǎn)品批量小，模具投入成本高、制造周期長、新機交付時間緊急等特點，導(dǎo)致航空復(fù)雜鈑金件制造成本超過同等重量黃金價值數(shù)倍的情況時有發(fā)生。本文以特形三通半管凈邊精沖成形為例，論述采用數(shù)字模擬仿真技術(shù)給實際生產(chǎn)帶來的便利；以期望引起航空鈑金制造業(yè)人員對有限元模擬技術(shù)的重視。

2 零件概述

如圖1特形三通半管是某型飛機系統(tǒng)重要承力管道，材料6061，厚度為δ3.175mm，三處轉(zhuǎn)彎半徑均為R153，管口內(nèi)徑Φ194具體形狀如圖1。要求兩個三通半管對縫焊接后在管口處與其它管道焊接，作為飛機重要的管道，必須具備承載高壓的能力，因此對零件的外形尺寸與表面質(zhì)量要求較高。由于傳統(tǒng)方法無法有效解決零件中部起皺與邊緣開裂互相矛盾問題，成形后的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，效率相對較低，因此研究三通半管凈邊精沖成形仿真技術(shù)運用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)具有十分重要的意義。

3 零件制造技術(shù)難點

三通半管成形主要難點如下：

1.鋁合金材料延展性差、強度較低，強度不足容易斷裂與起皺相互矛盾的問題如圖2。圖2中傳統(tǒng)方法解決中部起皺是增加法蘭區(qū)壓力，但是增加壓力意味著開裂位置更容易斷裂。

2.傳統(tǒng)沖壓方法成形后都存在大量的余量需切割如圖2；特別是厚度大于2.0mm材料，切割過程往往對零件邊掰邊切割， 零件變形嚴重。

3.特形三通管形狀復(fù)雜，精確展開計算難度大，展開形狀復(fù)雜，即使能解決展開計算問題，由于零件結(jié)構(gòu)不對稱性，成形過程受力不平衡極容易壓偏，而且壓偏一側(cè)容易斷裂如圖3、圖4。

4.模具結(jié)構(gòu)及毛料形狀確定

4.1 模具結(jié)構(gòu)

目前三通半管主要成形模具為落壓模、曲壓模、拉深模。落壓成形解決缺陷的方法主要有兩方面，一是在落壓凹模內(nèi)填沖一定量的橡皮使得中起皺部位的材料向外排開；二是在法蘭邊區(qū)域用橡皮及層板壓緊。曲壓成形是采用模具凹型與凸型直接合模，主要缺陷邊緣材料向內(nèi)擁擠，由于邊緣材料不受向外力限制，中部容易形成死皺如圖5。拉深成形一般采用壓邊圈與凹模壓緊毛料后在凸模上成形零件。其缺點是壓邊力過小，中部起皺區(qū)材料無法排開；壓邊過大，材料向放邊變薄區(qū)補充受到限制；容易發(fā)生中部起皺與放邊變薄斷裂同時出現(xiàn)現(xiàn)象如圖5，因此出現(xiàn)增加壓邊力與減小壓邊力相互矛盾的問題。

經(jīng)過以上分析解決問題的關(guān)鍵是如何在成形過程中使中部區(qū)域材料始終處于壓緊狀態(tài)；采用一種中間能壓緊毛料的模具結(jié)構(gòu)（如圖6）即可解決成形問題。

4.2 模具導(dǎo)向及定位

傳統(tǒng)模具不考慮毛料與模具的準確定位問題，由于三通結(jié)構(gòu)的不對稱性，成形過程容易產(chǎn)生壓偏問題，為了滿足外形要求必須增加毛料尺寸。產(chǎn)生的主要缺陷主要有二個方面；一是成形過程毛料都存在較大的修邊余量，特別是厚料切割特別困難；二是為解決切割變形或邊緣不規(guī)整，必須增加輔助用于校形或修整配套的工裝，造成工裝浪費。因此急需研究一種能同時解決起皺、開裂、不切割或少切割、能準確定位毛料的成形方法。為了解決毛料與模具的定位問題，采取了以圖6中三個導(dǎo)向柱定位毛料的措施，在圖6中導(dǎo)向柱有三個作用，一是限制中間頂件塊相對位置，避免發(fā)生位移影響合模；二是可以在展開毛料上開同樣尺寸孔，用于準確定位毛料；三是解決毛料定位問題后，可以最大限度減少毛料尺寸，可以同時起到防壓偏、開裂的作用。

4.3 毛料精確展開

凈邊精沖成形普遍用于平板沖通孔或成形標準孔等，即要求沖壓后的產(chǎn)品不需進行毛料邊緣切割或輔助處理工序。一般針對立體復(fù)雜曲面沖壓零件僅限于成形，成形后必須人工去除余量；但是對于厚度超過2.0mm的鋁板人工切割非常困難，尤其是成形后的立體零件，受到尺寸及形狀限制很難實現(xiàn)邊緣精確切割。通過提取數(shù)模尺寸，初步估計展開毛料如圖7（外輪廓），并要求按模具導(dǎo)向柱制出定位孔。并采取激光精確下料，在展開毛料四周做出若干條邊緣的法線，試壓成形后按如圖7測量法線端頭到對縫線的距離，修正得出精確展開毛料7（內(nèi)輪廓），再通過激光下料得出精確展開毛料如圖8。

5.模擬分析實物制造驗證。

對以上優(yōu)化措施進行模擬預(yù)測和驗證生產(chǎn)，模擬預(yù)測結(jié)果如圖9，從圖9可以看出板料最小、最大厚度約3.063mm， 3.36mm，最大變薄率、增厚率分別約4.4%、5%，遠低于破裂及起皺極限分別（30%，10%），從理論上說明該措施具有極高的可實施性。通過實踐生產(chǎn)此類特形三通半管的沖壓成形質(zhì)量已經(jīng)完全滿足了圖紙和文件的要求，通過該項目的推進，達到了一次沖壓過程零切割、零敲擊、高質(zhì)量對縫、高表面質(zhì)量一次凈邊精確成形效果（如圖10）。

6.結(jié)束語

以有限元法為基礎(chǔ)的數(shù)字仿真數(shù)值模擬技術(shù)，為沖壓設(shè)計與工藝參數(shù)優(yōu)化提供了科學(xué)的新途徑?？梢灶A(yù)測產(chǎn)品投產(chǎn)后可能出現(xiàn)的缺陷；為產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計、工藝設(shè)計人員提供分析思路及解決的措施；將可能產(chǎn)生問題盡量的在投產(chǎn)前解決。模擬仿真技術(shù)是解決復(fù)雜沖壓件工藝設(shè)計的最有效手段，不僅可以節(jié)省昂貴的模具試驗費用，縮短新產(chǎn)品的試制周期，極大促進沖壓工藝技術(shù)邁上新的臺階。

參考文獻

[1] 《冷沖壓成形工藝與模具設(shè)計制造》西北工業(yè)大學(xué)出版社，李壽萱，主編.

[2] 《航空制造工程手冊·飛機鈑金工藝》 航空工業(yè)出版社《航空制造工程手冊》總編委會 主編.

[3] 《沖壓工藝學(xué)》西北工業(yè)大學(xué)出版社.吳詩淳，何聲健，編著.

[4] 《板料成形CAE設(shè)計及應(yīng)用》北京航空航天大學(xué)出版社.王秀風(fēng)，郎利輝，主編.

[5] 《車身覆蓋件沖壓成形仿真》北京機械工業(yè)出版社 林忠欽 主編.

[6] 《板料冷壓成形的工程解析》北京航空航天大學(xué)出版社，胡世光，陳鶴崢，主編.

作者簡介

倪興屹（1980-09）男，貴州甕安人，職稱：高級工程師，學(xué)歷：本科，主要研究方向：鈑金成型。