S截面框肋類鈑金零件回彈量預(yù)測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)研究及應(yīng)用

胡雅玲，路騏安，吳紅兵，史 航，鄭偉龍，袁玉平，熊光利

（1.中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司鈑金廠，南昌 330024；2.西北工業(yè)大學(xué)陜西省數(shù)字化制造工程技術(shù)研究中心，西安 710072）

胡雅玲 在中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司鈑金廠負(fù)責(zé)某型號(hào)鈑金件工藝設(shè)計(jì)工作，組織開展了大型框肋零件精密成形技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)。

框肋零件在飛機(jī)整體框架結(jié)構(gòu)中起到重要作用，大都位于機(jī)體尺寸和形狀的控制截面上，常用于機(jī)翼翼肋、機(jī)身隔框等處，多與蒙皮搭接，擔(dān)負(fù)著控制飛機(jī)外形、保證氣動(dòng)特性的作用?？蚶吡慵鶕?jù)彎邊線的形狀可以分為直線、凸曲線和凹曲線3種彎邊類型，凸曲線彎邊類框肋零件占有較大比例，按零件截面分為U形（同向彎邊）、S形（異向彎邊）兩種基本類型結(jié)構(gòu)，部分零件在彎邊上帶有加強(qiáng)彎邊。對(duì)于框肋零件來說，不同彎邊類型、板材厚度、彎邊高度有相應(yīng)的彎邊斜角和高度的精度要求。傳統(tǒng)上采用“設(shè)備粗成形+手工精校形”的方法，成形周期長(zhǎng)、質(zhì)量不高、手工勞動(dòng)量大?，F(xiàn)代飛機(jī)產(chǎn)品的快速研制要求成形后的零件盡可能接近最終形狀，特別是要求盡量減少手工修整量，在民機(jī)研制中不允許手工敲修，實(shí)現(xiàn)“一步法”成形達(dá)到精度要求，迫切要求發(fā)展高效精確成形的框肋零件制造技術(shù)體系。

國內(nèi)外諸多企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者圍繞以回彈補(bǔ)償為核心的復(fù)雜鈑金零件精確成形技術(shù)開展了大量的研究工作。近年來，數(shù)字化仿真在零件成形預(yù)測(cè)與補(bǔ)償中得到了廣泛應(yīng)用[1]，采用數(shù)值模擬軟件把零件型面離散為網(wǎng)格，使用不同的后置處理算法對(duì)變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，沿不同方向補(bǔ)償回彈變形，直至成形后形狀滿足精度要求。代表性的方法如應(yīng)力反向補(bǔ)償法[2]、節(jié)點(diǎn)幾何位移補(bǔ)償法[3]，從模型補(bǔ)償?shù)慕嵌?，目前幾乎所有大型軟件?duì)復(fù)雜零件回彈數(shù)值模擬的誤差和離散性都較大，預(yù)測(cè)精度仍較低，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性仍然是國際上的一大難題[1]。如代表性軟件Pam-Stamp在回彈的分析計(jì)算上有良好的定性參考價(jià)值，但是其回彈預(yù)估相對(duì)誤差往往超過30%。

與基于點(diǎn)離散的型面回彈補(bǔ)償方法不同，沿彎邊與腹板交線離散點(diǎn)的法平面將其離散成彎邊單元后，采用解析法或智能化方法進(jìn)行變形預(yù)測(cè)后進(jìn)行補(bǔ)償，重構(gòu)形成工藝模型用于模具設(shè)計(jì)[4-5]。對(duì)于復(fù)雜型面零件離散，首先劃分截面，對(duì)任意形狀截面線，按照離散點(diǎn)曲率分成圓弧段，把回彈修正后各弧段組合得到整個(gè)截面線的回彈[6]。對(duì)于框肋零件而言，外形尺寸各異、型面復(fù)雜，因此，需要在分析其變形的基礎(chǔ)上建立基于線的定量離散表達(dá)方法。對(duì)于變形預(yù)測(cè)來說，解析計(jì)算法是針對(duì)各種簡(jiǎn)單幾何形狀基于塑性成形基礎(chǔ)理論建立描述零件彎曲成形的力學(xué)模型[7-8]或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律建立預(yù)測(cè)函數(shù)[6]，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值有一定差距。隨著人工智能的不斷發(fā)展，根據(jù)試驗(yàn)或生產(chǎn)的實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行推理的回彈預(yù)測(cè)是一種有效的途徑[9]，根據(jù)零件材料厚度、彎曲半徑和角度檢索得到回彈補(bǔ)償?shù)慕嵌龋⑶胰〉昧肆己玫男Ч鸞4]。

本文在單彎邊回彈補(bǔ)償方法的基礎(chǔ)上，依據(jù)S截面框類零件結(jié)構(gòu)特征建立一種整體回彈補(bǔ)償方案，采用基于實(shí)例數(shù)據(jù)的彎邊回彈補(bǔ)償量預(yù)測(cè)方法，對(duì)有變形疊加影響的內(nèi)緣彎邊，采用數(shù)值模擬法確定修正系數(shù)；通過S截面框類零件局部件試驗(yàn)驗(yàn)證了上述彎邊回彈補(bǔ)償量預(yù)測(cè)方法的有效性。

S形截面框肋零件回彈量預(yù)測(cè)與補(bǔ)償方法

1 S形截面零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

圖1為大型客機(jī)后機(jī)身大型異向彎邊框肋零件局部件，具有凹凸彎邊相結(jié)合、S形截面、彎邊線為變曲率曲線等特點(diǎn)，零件材料為2024-O-δ1.27，零件周向長(zhǎng)度為 663.5mm，沿著周向分布曲率不斷變化。實(shí)例零件S截面異向彎邊零件腹板為平面，彎邊包括外緣彎邊、內(nèi)緣彎邊和內(nèi)緣加強(qiáng)邊，各彎邊幾何尺寸見表1。

圖1 實(shí)例異向彎邊零件及截面幾何參數(shù)Fig.1 S cross-section case part and its geometric parameters

表1 S截面異向彎邊零件彎邊幾何尺寸

為方便成形過程中的定位，對(duì)實(shí)例零件添加工藝耳片與工藝孔，得到零件成形工件模型如圖2所示，其內(nèi)型面用于后續(xù)彎邊區(qū)展開計(jì)算，外型面用于成形工藝模型的定義。

2 S截面大型框類零件彎邊回彈量計(jì)算與補(bǔ)償方法

針對(duì)S截面大型框類零件異向彎邊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以腹板為基礎(chǔ)將零件3個(gè)彎邊的回彈補(bǔ)償過程進(jìn)行分解和組合，以建立彎邊回彈補(bǔ)償?shù)墓に嚹Ｐ陀糜诔尚文＞咴O(shè)計(jì)。S截面大型框類零件內(nèi)緣與外緣結(jié)構(gòu)形式不同，內(nèi)緣彎邊與內(nèi)緣加強(qiáng)邊相鄰，在回彈變形過程中造成變形的疊加，導(dǎo)致內(nèi)緣與外緣的回彈量值不同。S形截面大型框類零件彎邊回彈補(bǔ)償方案如圖3所示，對(duì)內(nèi)緣結(jié)構(gòu)首先進(jìn)行內(nèi)緣加強(qiáng)邊補(bǔ)償，補(bǔ)償后型面與內(nèi)緣彎邊共同構(gòu)成新的型面進(jìn)行內(nèi)緣彎邊補(bǔ)償；對(duì)于外緣彎邊則直接進(jìn)行回彈補(bǔ)償，對(duì)3個(gè)彎邊回彈補(bǔ)償完成之后建立零件工藝模型。由于彎邊與腹板交線的變曲率及各點(diǎn)處變彎邊角度的特點(diǎn)，難以直接進(jìn)行回彈補(bǔ)償計(jì)算，因此，發(fā)展一種適用于變曲率、變截面的框肋零件彎邊回彈補(bǔ)償量計(jì)算與彎邊面重構(gòu)方法，即對(duì)于每個(gè)彎邊，將彎邊與腹板交線離散成點(diǎn)，以各點(diǎn)在交線上的法平面將彎邊離散成一組截面線，形成不同的彎邊離散單元；對(duì)各截面線的彎邊離散單元分別進(jìn)行回彈預(yù)測(cè)和補(bǔ)償，再對(duì)補(bǔ)償后的彎邊截面線重構(gòu)形成補(bǔ)償后的彎邊面，用于零件工藝模型建模。

圖2 實(shí)例零件成形工件模型Fig.2 Forming workpiece model of case part

（1）對(duì)腹板與彎邊交線進(jìn)行等距離散，形成離散點(diǎn)，過離散點(diǎn)作腹板彎邊線的法平面，法平面與彎邊參考圓角面和彎邊參考凸緣面相交，形成彎邊離散單元的圓角面曲線段和凸緣面曲線段，如圖4所示。

（2）對(duì)于各彎邊截面線回彈量預(yù)測(cè)，采用基于實(shí)例試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回彈預(yù)測(cè)方法。這種方法將試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)為實(shí)例知識(shí)的形式，所考慮的因素有材料牌號(hào)、厚度、彎曲半徑、彎曲角度等（見圖5）。根據(jù)零件材料牌號(hào)、材料厚度、圓角半徑和斜角值預(yù)測(cè)得到對(duì)應(yīng)的回彈角φ。

回彈補(bǔ)償后的圓弧段彎曲角度：

其中，φ1為彎曲角，它等于90°減去斜角值，λ為回彈補(bǔ)償系數(shù)。

根據(jù)回彈角計(jì)算求得回彈補(bǔ)償后的圓角半徑R2：

其中，R1為彎曲內(nèi)半徑，δ為材料厚度，K為與零件材料厚度和彎曲半徑有關(guān)的中性層系數(shù)。

圖3 S截面大型框類零件彎邊回彈補(bǔ)償方案Fig.3 Springback compensation method for S cross-section frame part

圖4 沿變曲率彎邊線離散過程Fig.4 Flange division process along the edge curve

對(duì)本文的實(shí)例零件，根據(jù)其彎曲角度相同的特點(diǎn)，采用回彈角度均值化處理的方式確定回彈角；對(duì)于內(nèi)緣彎邊修正系數(shù)K，根據(jù)數(shù)值模擬確定為0.8。

（3）借助CAD軟件中多截面曲面定義功能，對(duì)回彈補(bǔ)償后的各彎邊截面線構(gòu)造形成回彈補(bǔ)償后的彎邊面，實(shí)現(xiàn)對(duì)彎邊面的回彈補(bǔ)償重構(gòu)。

3 實(shí)例零件回彈量計(jì)算與補(bǔ)償

依據(jù)上述彎邊回彈補(bǔ)償方法，基于CATIA V5R18 CAA（Component Application Architecture）和 Microsoft Visual Studio 2005作為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了框肋零件彎邊回彈補(bǔ)償量計(jì)算與補(bǔ)償工具，具體計(jì)算過程如下：

（1）外緣彎邊回彈補(bǔ)償參數(shù)計(jì)算與補(bǔ)償。

依據(jù)由外緣彎邊圓角區(qū)和凸緣區(qū)組成的彎邊外型面、外緣彎邊與腹板交線、材料厚度1.27mm及材料牌號(hào)2024，進(jìn)行回彈補(bǔ)償量計(jì)算，補(bǔ)償角度2.5°，補(bǔ)償后外半徑4.167mm，如圖6所示。對(duì)于外緣彎邊，修正系數(shù)為1，使用彎邊型面重構(gòu)工具，將彎邊截面線重構(gòu)形成補(bǔ)償后零件彎邊型面。

（2）內(nèi)緣加強(qiáng)邊回彈補(bǔ)償計(jì)算與重構(gòu)。

依據(jù)由內(nèi)緣加強(qiáng)邊圓角區(qū)和凸緣區(qū)組成的彎邊外型面、內(nèi)緣加強(qiáng)邊與內(nèi)緣彎邊交線、材料厚度1.27mm及材料牌號(hào)2024，進(jìn)行回彈補(bǔ)償量計(jì)算，補(bǔ)償角度2.5°，補(bǔ)償后外半徑4.167mm，如圖7所示。對(duì)于內(nèi)緣加強(qiáng)邊，修正系數(shù)為1，使用彎邊型面重構(gòu)工具，將彎邊截面線重構(gòu)形成補(bǔ)償后零件彎邊型面。

（3）內(nèi)緣彎邊回彈補(bǔ)償參數(shù)計(jì)算與補(bǔ)償。

圖5 彎邊離散單元回彈補(bǔ)償原理Fig.5 Compensation principle of cross-section flange element

圖6 實(shí)例零件外緣彎邊回彈補(bǔ)償計(jì)算Fig.6 Outer flange springback compensation of case part

圖7 實(shí)例零件內(nèi)緣加強(qiáng)邊回彈補(bǔ)償計(jì)算Fig.7 Reinforced section springback compensation of inner flange of case part

圖8 實(shí)例零件內(nèi)緣彎邊回彈補(bǔ)償計(jì)算Fig.8 Inner flange springback compensation of case part

依據(jù)由內(nèi)緣加強(qiáng)邊圓角區(qū)和凸緣區(qū)組成的彎邊外型面、內(nèi)緣彎邊與腹板交線、材料厚度1.27mm及材料牌號(hào)2024，進(jìn)行回彈補(bǔ)償量計(jì)算，對(duì)內(nèi)緣彎邊的回彈補(bǔ)償量為2°，回彈補(bǔ)償后彎曲半徑為4.153mm，如圖8所示。對(duì)內(nèi)緣彎邊，使用回彈補(bǔ)償重構(gòu)功能對(duì)回彈補(bǔ)償后外型面進(jìn)行重構(gòu)，由于內(nèi)緣加強(qiáng)邊的作用對(duì)內(nèi)緣彎邊的回彈量應(yīng)考慮回彈修正系數(shù)，由數(shù)值模擬結(jié)果分析可得，該零件內(nèi)緣彎邊回彈修正系數(shù)約為0.8。

框肋零件成形工藝模型定義與應(yīng)用

1 框肋零件成形工藝模型定義

對(duì)重構(gòu)后的實(shí)例零件回彈補(bǔ)償彎邊型面，根據(jù)設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)樹建模歷程進(jìn)行工藝模型建模，包括回彈補(bǔ)償半徑參數(shù)設(shè)置，外緣彎邊、內(nèi)緣彎邊建模，內(nèi)緣加強(qiáng)邊等特征建模，實(shí)例零件工藝模型如圖9所示。

2 零件成形模具設(shè)計(jì)與制造

依據(jù)實(shí)例零件工藝模型完成其成形模具工作型面部分的設(shè)計(jì)，非工作部分參考原始模具的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)例零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該零件需兩套模具，模具設(shè)計(jì)模型如圖10和圖11所示；使用數(shù)控加工中心制造成形模具如圖12和圖13所示。

3 實(shí)例零件成形試驗(yàn)結(jié)果分析

采用數(shù)控下料機(jī)床，將厚度為1.27mm的2024-O材料按照零件展開所得毛料數(shù)模進(jìn)行下料。對(duì)零件毛料進(jìn)行淬火使其狀態(tài)變?yōu)閃態(tài)（新淬火狀態(tài)），使用KOHLER板帶校平機(jī)校平，使用QFC1.1×4-1400型橡皮囊液壓機(jī)成形，工藝參數(shù)為：成形壓力40MPa，橡皮硬度A70，保壓時(shí)間3s。采用樣板和通用量具測(cè)量零件彎邊角度，分析成形工件的準(zhǔn)確度。

（1）外緣彎邊檢測(cè)結(jié)果。

在實(shí)例零件彎邊兩端及零件中部取點(diǎn)測(cè)量零件卸載后彎邊角度，測(cè)量結(jié)果如圖14所示，零件彎邊斜角偏差在±0.3°之內(nèi)，在零件成形精度要求±1°之內(nèi)。

（2）內(nèi)緣彎邊檢測(cè)結(jié)果。

實(shí)例零件成形內(nèi)緣板測(cè)量結(jié)果如圖15所示，彎邊中間部分成形后零件內(nèi)緣彎邊彎曲角度與設(shè)計(jì)模型角度值偏差從-0.8°到+0.3°變化，在零件成形精度要求±1°之內(nèi)。

圖9 實(shí)例零件工藝模型Fig.9 Model for forming of case part

圖10 內(nèi)緣板形液壓模示意Fig.10 Schematic diagram of inner flange forming die model

圖11 外緣成形液壓模示意Fig.11 Schematic diagram of outer flange forming die model

圖12 實(shí)例零件內(nèi)緣板成形模具Fig.12 Inner flange forming die

圖13 實(shí)例零件外板成形模具Fig.13 Outer flange forming die

圖14 實(shí)例零件外緣彎邊角度測(cè)量結(jié)果Fig.14 Measurement result of outer flange angle of case part

圖15 實(shí)例零件內(nèi)緣彎邊角度測(cè)量結(jié)果Fig.15 Measurement result of inner flange angle of case part

根據(jù)上述外緣和內(nèi)緣彎邊成形后檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，外緣彎邊斜角最大偏差為+0.3°，內(nèi)緣板最大偏差-0.8°，均在±1°的斜角公差范圍之內(nèi)。但仍存在內(nèi)緣和外緣彎邊結(jié)果有差異、內(nèi)緣偏差不均勻等問題，造成上述偏差的原因包括：成形模具加工精度不夠（數(shù)字化檢測(cè)結(jié)果顯示模具兩端局部大于0.177mm）；模具在機(jī)床中擺放位置對(duì)零件受力狀態(tài)有影響。

結(jié)束語

大型民用飛機(jī)氣動(dòng)外形要求嚴(yán)格，同時(shí)對(duì)疲勞性能、飛行壽命的要求也越來越高，這對(duì)鈑金件的制造技術(shù)提出了更高的要求，鈑金件制造要求不只是貼合，而且要有穩(wěn)定的質(zhì)量和性能狀態(tài)。傳統(tǒng)依賴于手工校形的制造方式已經(jīng)無法適應(yīng)飛機(jī)產(chǎn)品的快速、高質(zhì)量研制的要求。本文研究了S形截面框肋零件彎邊回彈補(bǔ)償方法，結(jié)合實(shí)例詳細(xì)說明了回彈補(bǔ)償量的計(jì)算和工藝模型的建模流程，控制零件形狀的工藝數(shù)模傳遞應(yīng)用于成形模具設(shè)計(jì)，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，使零件成形后不需要加工就可以滿足成形精度要求，實(shí)現(xiàn)了框肋類零件的高效、精確成形，該技術(shù)可進(jìn)一步在大型客機(jī)后續(xù)研制生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

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