橡皮囊液壓成形回彈補(bǔ)償技術(shù)比較分析

張 鑫，于長旺，李小強(qiáng)

（1.航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司制造數(shù)據(jù)中心，沈陽 110034；2. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191）

橡皮囊液壓成形是航空鈑金零件主要的成形方法之一，具有效率高、工裝成本低、成形零件表面質(zhì)量好等特點(diǎn)，在航空制造領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。國外的橡皮囊液壓成形工藝已經(jīng)比較完善，零件手工敲修量要求嚴(yán)格，基本靠高壓機(jī)床一次或兩次成形即可完成。但國內(nèi)各大航空制造工廠橡皮囊液壓成形零件在制造上還處于較低水平，這對航空鈑金零件的精準(zhǔn)化制造產(chǎn)生嚴(yán)重的制約。橡皮囊液壓成形零件的主要缺陷有破裂、起皺和回彈，其中回彈是影響框肋零件成形質(zhì)量的突出問題。隨著對鈑金零件精準(zhǔn)制造需求的日益提高，航空鈑金領(lǐng)域?yàn)榻鉀Q橡皮囊液壓成形的回彈問題，開展了大量研究和實(shí)踐。

韓志仁等[1]以帶下陷直彎邊和凸彎邊鈑金件為研究對象，基于試驗(yàn)和有限元模擬方法進(jìn)行橡皮成形和回彈過程的分析，研究了帶下陷鈑金件成形的回彈規(guī)律，為設(shè)計(jì)模具提供依據(jù)。結(jié)果表明：隨著壓力的增加，回彈值減小；彎曲線取向?yàn)?0°的回彈值，大于彎曲線取向?yàn)?°的回彈值。宮林東[2]利用有限元模擬的回彈結(jié)果，對模具進(jìn)行回彈補(bǔ)償，并用修正后的模具進(jìn)行工藝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)修模后的零件外形更符合要求，驗(yàn)證了回彈補(bǔ)償?shù)挠行?。閆紅勇等[3]通過分析影響框肋零件回彈的主要因素，對框肋零件橡皮囊液壓成形工藝的回彈預(yù)測及控制研究情況做了綜述，并將預(yù)測方法歸類為解析法、有限元法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和試驗(yàn)法4種，最后總結(jié)分析了框肋零件橡皮囊成形零件回彈控制方法的發(fā)展方向。Sinke[4]通過試驗(yàn)分別研究了直彎邊和曲彎邊回彈的不同影響因素，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了直彎邊回彈和圓角半徑與板料厚度比成線性正相關(guān)，曲彎邊回彈與圓角半徑和厚度比、輪廓半徑與厚度比、最大應(yīng)變3個(gè)參數(shù)非線性正相關(guān)。Chen等[5]利用試驗(yàn)和有限元技術(shù)對直彎邊橡皮成形的回彈進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在橡皮成形的模具設(shè)計(jì)中，模具圓角半徑是最重要的因素。r/t＜2時(shí)（r為圓角半徑，t為成形時(shí)間），回彈會消失。當(dāng)板料能貼合模具時(shí)，增大壓力和成形時(shí)間對回彈的影響很小。由于摩擦力的關(guān)系，橡皮成形零件的回彈比沖壓件的小。魏永[6]結(jié)合有限元數(shù)值模擬技術(shù)與試驗(yàn)研究，研究了直彎邊橡皮囊液壓成形的回彈規(guī)律，針對典型橡皮成形零件進(jìn)行回彈補(bǔ)償研究，并研究了帶側(cè)壓塊橡皮成形方法對帶下陷零件成形貼模精度的影響。

本文從分析影響橡皮囊液壓成形零件回彈的主要因素入手，對解決橡皮囊成形回彈問題的方案進(jìn)行綜述，結(jié)合各種方案的技術(shù)原理和應(yīng)用情況對各種方案進(jìn)行對比分析，并結(jié)合生產(chǎn)制造需求提出適用于航空企業(yè)工程化應(yīng)用的解決方案。

橡皮囊液壓成形回彈影響因素分析

橡皮囊液壓成形工藝生產(chǎn)的零件主要是直彎邊、凸（凹）彎邊、淺拉深件等。此類零件由于幾何結(jié)構(gòu)上的原因，成形中以純彎曲變形為主，缺少拉伸變形，因而卸載后回彈明顯。典型零件如圖1所示。影響零件尺寸的回彈主要表現(xiàn)在彎邊結(jié)構(gòu)處的回彈，彎邊的回彈是彎曲過程中的彈性變形和殘余應(yīng)力釋放的過程，受到諸多因素影響，主要為材料的機(jī)械性能、零件的幾何尺寸及成形工藝參數(shù)。

（1）材料的機(jī)械性能參數(shù)[7]。主要為屈服強(qiáng)度σs、彈性模量E及硬化指數(shù)n。σs/E大的材料在總應(yīng)變中彈性應(yīng)變比重大，因而回彈大；n表示材料變形的強(qiáng)化能力，n越大回彈越小。

（2）零件的幾何尺寸。主要為相對彎曲半徑和彎曲角度?；貜椓侩S著相對彎曲半徑的減小而減小，彎曲角度越大，變形區(qū)越大，回彈累計(jì)越大，從而回彈角度越大。以往對彎邊特征的研究可發(fā)現(xiàn)，彎邊幾何參數(shù)是決定其成形性的關(guān)鍵因素[8]。

（3）成形工藝參數(shù)。主要指成形壓力和保壓時(shí)間。過小的成形壓力使零件不能充分成形，提高成形壓力能夠提高零件成形的準(zhǔn)確度。

在實(shí)際生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)雖能從一定程度上減小成形后的回彈量，但并不能完全消除，因此橡皮囊液壓成形零件的回彈主要由零件幾何尺寸與材料性能確定。為使卸載后的工件形狀與設(shè)計(jì)形狀相符需要通過對模具的修正即回彈補(bǔ)償來解決。

圖1 典型橡皮囊液壓成形零件Fig.1 Typical parts of rubber fluid forming

圖2 回彈補(bǔ)償應(yīng)用流程Fig.2 Flow chart of springback compensation

圖3 利用有限元回彈補(bǔ)償流程圖Fig.3 Flow chart of springback compensation using finite element

橡皮囊液壓成形回彈問題解決方案

橡皮囊液壓零件需要依靠模具進(jìn)行成形，通過在模具設(shè)計(jì)時(shí)修正回彈誤差的回彈補(bǔ)償是解決回彈問題的主要方法，其流程如圖2所示。這種方法需要準(zhǔn)確預(yù)測出零件的回彈量，并將回彈預(yù)測結(jié)果反饋到模具設(shè)計(jì)上。根據(jù)回彈預(yù)測和補(bǔ)償方法的不同，當(dāng)前解決橡皮囊液壓成形回彈的方案主要集中在基于數(shù)值模擬的回彈預(yù)測方法和基于零件幾何特征的快速回彈補(bǔ)償方法。

1 基于數(shù)值模擬的回彈預(yù)測方法

隨著有限元理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，板料成形數(shù)值模擬方法開始得到廣泛應(yīng)用，該方法既可以模擬復(fù)雜零件成形，又可以實(shí)現(xiàn)精確定量的分析，具有很好的通用性。考慮到成形原理的相似性，借用通用的板料成形分析軟件來進(jìn)行橡皮成形工藝的仿真與分析，是最可行的方案。通過有限元軟件，建立符合實(shí)際要求的數(shù)學(xué)模型，利用設(shè)計(jì)好的模面與毛料，進(jìn)行成形與回彈分析，再將回彈誤差量反向補(bǔ)償?shù)侥＞呔W(wǎng)格上，其流程如圖3所示。

橡皮囊成形數(shù)值模擬技術(shù)的關(guān)鍵在于建立橡皮囊成形的有限元模型。橡皮囊液壓成形工藝的數(shù)值模擬與其他板料成形工藝相比，最主要的差別是引入了橡膠墊層變形的仿真。橡膠材料參與傳力、摩擦過程，使板料產(chǎn)生脹形、伸長、彎曲和受壓失穩(wěn)、起皺等變形，使與板料接觸的橡皮的邊界比較復(fù)雜。對橡皮墊的數(shù)值模型一般為體單元橡膠墊、殼單元橡膠墊和不考慮橡膠墊3種簡化模型（圖4），經(jīng)理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證將橡膠墊簡化為殼單元，直接用于解決工藝問題[9]。

利用橡皮囊成形數(shù)值模擬方法可以對成形過程和回彈進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬和預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行回彈補(bǔ)償。

表1給出了零件成形后的測量結(jié)果與理論值的比較。A、B分別對應(yīng)鈑金件的兩個(gè)邊，1～7分別對應(yīng)著零件的不同位置?？梢钥闯鲂拚竽＞呒庸さ牧慵貜椇蟮男螤钆c理論形狀差距大大縮小，大部分翻邊均在尺寸公差范圍內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2 基于零件幾何特征的快速回彈補(bǔ)償方法

在實(shí)際生產(chǎn)中，橡皮囊液壓成形工藝的零件數(shù)以千計(jì)，完全借助有限元的方法進(jìn)行回彈補(bǔ)償，時(shí)間成本較大。為更好地解決工程應(yīng)用問題，需要將鈑金零件數(shù)字化定義與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和解析方法結(jié)合，開展快速回彈補(bǔ)償方法研究與嘗試。其中比較有代表性的是基于回彈分布函數(shù)進(jìn)行快速回彈預(yù)測和模面補(bǔ)償?shù)姆椒╗10]。

該方法的依據(jù)是由于橡皮成形零件的結(jié)構(gòu)具有一定特點(diǎn)，回彈誤差主要體現(xiàn)在彎邊特征上，因此根據(jù)彎邊的幾何特征進(jìn)行回彈誤差的預(yù)測，并在模面設(shè)計(jì)后，直接進(jìn)行模面的調(diào)整與優(yōu)化?；谠撛恚岢隽嘶诨貜椀哪Ｃ嬖O(shè)計(jì)方法，具體流程如圖5所示。該方法的主要步驟為：

（1）模面設(shè)計(jì)。提取特征曲面，并設(shè)計(jì)出模面。

（2）回彈角預(yù)測。建立回彈分布函數(shù)，根據(jù)零件彎邊特征，計(jì)算出彎邊曲線上回彈角的分布。

圖4 3種簡化模型的截面示意圖Fig.4 Cross section schematic diagram of three simplified models

表1 采用數(shù)值模擬回彈補(bǔ)償成形的零件測量結(jié)果與理論值的比較（°）

圖5 回彈補(bǔ)償算法的流程Fig.5 Flow chart of springback compensation algorithm

（3）模面調(diào)整量計(jì)算。將回彈角映射成模具網(wǎng)格的調(diào)整量，并得到優(yōu)化的模面。在CATIA環(huán)境下，開發(fā)快速補(bǔ)償模塊，實(shí)現(xiàn)在數(shù)字化設(shè)計(jì)環(huán)境下快速地補(bǔ)償回彈誤差。界面如圖6所示。

表2為采用基于零件幾何特征進(jìn)行快速回彈補(bǔ)償方法的生產(chǎn)驗(yàn)證。可以看出彎邊部位的回彈達(dá)到質(zhì)量要求，因此可以認(rèn)為，用快速回彈補(bǔ)償方法優(yōu)化后成形的零件可以達(dá)到精度要求。

3 兩種解決方法的對比分析

基于數(shù)值模擬的回彈預(yù)測方法是最近十多年的熱點(diǎn)。從工程應(yīng)用角度看，數(shù)值模擬技術(shù)可用于幫助深入了解工藝過程，進(jìn)行工藝過程趨勢的預(yù)測，檢驗(yàn)工藝工裝設(shè)計(jì)合理性，這種方法需要對每個(gè)零件都進(jìn)行成形與回彈兩個(gè)過程的仿真計(jì)算。

優(yōu)點(diǎn)在于：對回彈量的預(yù)測比較準(zhǔn)確，能對形狀復(fù)雜零件成形過程進(jìn)行模擬。

缺點(diǎn)在于：

（1）需要較長的計(jì)算時(shí)間，對于單個(gè)零件而言并不長，但對于成百上千個(gè)零件而言，則時(shí)間成本極大；

（2）如果出現(xiàn)了誤差，只能通過修改有限元模型，相對地提高預(yù)測的精度，但不能直接修正誤差，對使用者的技術(shù)能力要求較高；

（3）因?yàn)槭芰Ψ绞降挠绊?，對零件下陷部分的補(bǔ)償偏小。

而基于零件幾何特征的快速回彈，避免了有限元軟件長時(shí)間的計(jì)算與迭代優(yōu)化過程，以最短的時(shí)間得到補(bǔ)償過的模面；回彈量可由試驗(yàn)數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)，得到更高的準(zhǔn)確性。

優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）不需要太長的分析時(shí)間，基于公式，或嵌入軟件中，立即可以得到回彈量；

（2）提供了修正誤差的可能，即發(fā)現(xiàn)誤差后，可以在公式、數(shù)據(jù)或圖表上修正。

缺點(diǎn)在于：

（1）回彈分布函數(shù)建立在腹板為平面的基礎(chǔ)上，對于形狀復(fù)雜零件的預(yù)測并不能保證準(zhǔn)確，例如對于零件下陷部分的補(bǔ)償需要手工修正；

（2）計(jì)算方法建立在經(jīng)驗(yàn)公式和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，回彈預(yù)測的精度與試驗(yàn)或?qū)ιa(chǎn)中零件成形回彈量的準(zhǔn)確記錄有關(guān)。

圖6 回彈補(bǔ)償算法的流程Fig.6 Flow chart of springback compensation algorithm

表2 采用快速回彈補(bǔ)償成形的零件測量結(jié)果與理論值的比較

結(jié)論

從工程應(yīng)用的角度看，實(shí)際生產(chǎn)中在解決橡皮成形工藝成形缺陷時(shí)，必須考慮到橡皮成形零件種類多、數(shù)量大的特點(diǎn)?；跀?shù)值模擬的回彈補(bǔ)償難以在效率上滿足工裝設(shè)計(jì)的需求。如某新型戰(zhàn)機(jī)中橡皮成形零件達(dá)4000項(xiàng)，其中需要回彈補(bǔ)償?shù)膹澾吋_(dá)70%～80%，成形分析與回彈補(bǔ)償?shù)牡鷥?yōu)化過程所需時(shí)間在工程中無法接受。這就使基于數(shù)值模擬的工藝分析與優(yōu)化方法應(yīng)用范圍受限。

可行的方案是將基于數(shù)值模擬的回彈預(yù)測方法和基于零件幾何特征的快速回彈補(bǔ)償方法相結(jié)合。對于形狀復(fù)雜零件采用數(shù)值模擬方法，對于大量的能夠采用快速補(bǔ)償方法的零件則采用快速補(bǔ)償方法。

參 考 文 獻(xiàn)

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