縫翼滑軌沖點(diǎn)成形關(guān)鍵工藝參數(shù)的數(shù)值研究

徐偉峰 張囡

摘要：民用飛機(jī)型號(hào)縫翼滑軌沖點(diǎn)凸緣的成形是飛機(jī)制造領(lǐng)域一項(xiàng)亟待解決的技術(shù)難題，本文基于Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit兩個(gè)主分析模塊，分別模擬了銷軸過(guò)盈配合工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布和手工沖擊工況下的凸緣成形質(zhì)量情況，研究了摩擦因數(shù)、銷孔過(guò)盈量及沖擊深度對(duì)凸緣成形徑向位移量的影響關(guān)系及沖擊前后拉脫力的變化過(guò)程，對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題的解決具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：沖點(diǎn)凸緣；過(guò)盈；應(yīng)力；應(yīng)變；拉脫力；仿真

中圖分類號(hào)：V262.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.010

縫翼作為飛機(jī)上重要的增升部件，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由滑軌、滾輪及齒條組成，而齒條與滑軌本體之間的連接是通過(guò)銷軸過(guò)盈配合形成，因此過(guò)盈配合的可靠性是齒條正常工作的重要保障。軸承收口工藝在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]，為了進(jìn)一步提高銷軸連接的安全可靠性，降低銷軸在縫翼運(yùn)動(dòng)工作期間惡劣環(huán)境影響下松脫的風(fēng)險(xiǎn)，飛機(jī)設(shè)計(jì)者采取了孔周圍沖點(diǎn)收口的工藝方法，通過(guò)沖點(diǎn)凸緣形成過(guò)程中的材料塑性變形提高銷軸配合的連接強(qiáng)度。而縫翼滑軌本體為鈦合金TC4制造，該材料具有較高的比強(qiáng)度及耐蝕性能等，大量應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但塑性性能較差[4-6]，是制約凸緣成形的重要影響因素。從目前的文獻(xiàn)資料來(lái)看[1，7-10]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在軸承過(guò)盈連接時(shí)的壓裝力、摩擦因數(shù)的解析模型以及軸承收口拉脫力方面進(jìn)行了大量的研究，而沖點(diǎn)收口工藝的原理與軸承收口的原理一致，因此借鑒軸承收口的分析方法及影響因素對(duì)本文工程實(shí)際問(wèn)題的解決具有指導(dǎo)意義；由于沖擊凹坑呈球坑狀，且凸緣非常小，當(dāng)前沒有有效量具能建立測(cè)量基準(zhǔn)對(duì)凸緣數(shù)值進(jìn)行測(cè)量，因此本文采用有限元軟件Abaqus從理論模擬方面對(duì)手工沖擊工況下的凸緣成形以及沖擊前后的銷軸拉脫力進(jìn)行分析。

1有限元仿真模型建立

2有限元仿真結(jié)果

2.1應(yīng)力與應(yīng)變分布

通過(guò)有限元Abaqus/Standard模塊模擬可以得到孔軸過(guò)盈量s為0.01mm、0.02mm、0.03mm時(shí)的Mises應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D及應(yīng)力應(yīng)變曲線圖（見圖3），圖4為s=0.03mm時(shí)的云圖。從圖3中可以看出，應(yīng)力應(yīng)變呈線性比例趨勢(shì)，圖中應(yīng)力應(yīng)變分布比較均勻，擠壓應(yīng)力最大值為457MPa，小于兩種材料的屈服強(qiáng)度，因此孔軸配合面的擠壓變形均為彈性變形，達(dá)不到塑性變形階段。

2.2手工沖擊凸緣成形結(jié)果

實(shí)際工況中要求沖點(diǎn)工具的沖擊深度不大于0.8mm，手工扶持沖點(diǎn)工具時(shí)軸線盡量垂直于滑軌腹板平面，因此本文在Abaqus/Explicit模塊中設(shè)置邊界條件時(shí)，以最大值0.8mm作為位移約束，隨后設(shè)置反向位移使沖點(diǎn)工具反向移動(dòng)，釋放沖擊彈性變形及工具與平板本體的接觸應(yīng)力，其余自由度約束為0，沖擊分析步設(shè)置時(shí)間為0.1s，研究滑軌材料在“過(guò)盈+沖擊”作用下的動(dòng)力響應(yīng)，沖擊后凸緣的成形效果如圖5所示。工具球頭部分在沖擊區(qū)域形成一個(gè)近球形凹坑，同時(shí)由于材料的塑性變形，部分材料向銷軸倒角區(qū)域流動(dòng)，形成一個(gè)局部收口。依據(jù)圖6示例云圖，取收口附近徑向方向三個(gè)節(jié)點(diǎn)變形值的平均值作為整體衡量值，從圖7可以看出，孔壁材料徑向（U2方向）塑性變形量均在0.15mm左右，相差不大，均屬于微量小變形。這是由于實(shí)際工況中沖點(diǎn)工具的沖擊深度很淺，且沖擊完成后存在彈性回彈現(xiàn)象；此外，摩擦因數(shù)和過(guò)盈量?jī)蓚€(gè)因素對(duì)形變量影響甚微，反映出塑性變形位移主要受縫翼滑軌本體材料屬性影響。對(duì)于TC4這種塑性較差的硬質(zhì)材料，較淺的沖擊深度使得凸緣成形并未達(dá)到理想的效果，與實(shí)際情況（見圖8）相符。

2.3單點(diǎn)沖擊深度對(duì)徑向變形量及拉脫力的影響

拉脫力的數(shù)值能有效衡量沖擊前后連接強(qiáng)度提高的水平，靜力拉脫試驗(yàn)從整體來(lái)看是一個(gè)靜移動(dòng)的過(guò)程，因此主要與摩擦因數(shù)、銷孔過(guò)盈量及凸緣效果有關(guān)，鑒于摩擦因數(shù)和過(guò)盈量?jī)蓚€(gè)因素對(duì)形變量影響微弱，故直接選取最大摩擦因數(shù)及最大過(guò)盈量進(jìn)行仿真分析，即μ=0.3，s=0.03mm，徑向變形量及拉脫力隨沖擊深度l的變化而變化的模擬結(jié)果分別如圖9和圖10所示，明顯可以看出U2值及峰值拉脫力均隨著沖擊深度l的增大而增大，當(dāng)沖擊深度l滿足1～ 1.6mm時(shí)，U2值增長(zhǎng)速度較快，增幅較大，但之后增大趨勢(shì)平緩，這主要是由于材料塑性流動(dòng)沿著孔軸線方向的傾向加強(qiáng)；銷軸拉脫過(guò)程中首先要克服過(guò)盈配合面最大靜摩擦力及塑性收口區(qū)域，隨后在移動(dòng)過(guò)程中配合面的接觸面積逐漸變小，因此拉脫力變化均是先急劇增大后緩慢減小的過(guò)程，U2值的增大導(dǎo)致銷軸移動(dòng)的阻力增大，使得峰值拉脫力均有一定程度的提高。沖擊前峰值拉脫力約為10.85kN，l=2.0mm時(shí)峰值拉脫力約為15.87kN，總增長(zhǎng)百分比約為46.3%，增長(zhǎng)幅度較大，因此若在實(shí)際工況中允許適當(dāng)增大沖擊深度，則可有效提高銷軸連接的安全可靠性。

3結(jié)論

本文以銷孔過(guò)盈配合沖點(diǎn)防松工藝為研究對(duì)象，利用有限元軟件對(duì)過(guò)盈配合的應(yīng)力應(yīng)變分布、沖擊凸緣成形情況及沖擊前后拉脫力的變化進(jìn)行了模擬分析。研究結(jié)果表明：

（1）當(dāng)過(guò)盈量為s=0.03mm時(shí)，擠壓應(yīng)力最大值為457MPa，均小于材料的屈服強(qiáng)度，因此孔軸配合面的擠壓變形為彈性變形，達(dá)不到塑性變形階段。

（2）在符合現(xiàn)階段工藝要求l=0.8mm的情況下，摩擦因數(shù)和過(guò)盈量?jī)蓚€(gè)因素對(duì)沖擊后孔壁材料徑向變形量U2影響甚微，沖擊深度是主要因素。

（3）摩擦因數(shù)、銷孔過(guò)盈量及凸緣徑向變形量是與銷軸拉脫力正相關(guān)的主要因素，提高摩擦因數(shù)、增大過(guò)盈量及徑向凸出量，均能有效增強(qiáng)拉脫過(guò)程中的阻礙作用，提升拉脫力的峰值大小。

（4）加大沖擊深度的允許值是使凸緣徑向變形量增大的必要條件，拉脫力的提高幅度有很大空間。

基于以上研究結(jié)果，為提高銷軸連接的強(qiáng)度可靠性，解決縫翼滑軌沖點(diǎn)凸緣的成形質(zhì)量問(wèn)題，本文建議工程設(shè)計(jì)人員首先考慮適當(dāng)增大過(guò)盈量的設(shè)置及提高摩擦因數(shù)的措施，其次對(duì)工藝規(guī)范中關(guān)于沖擊深度的要求進(jìn)行更改，放大工藝人員手工沖擊深度的允許范圍。

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（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡(jiǎn)介

徐偉峰（1992-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配工藝。

Tel：029-86846418

E-mail：xwf9201@163.com

張囡（1980-）女，學(xué)士，高級(jí)工程師。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配工藝。

Numerical Research on Key Process Parameters of Punching Point Forming of Slat Slide

Xu Weifeng*，Zhang Nan

AVIC Xian Aircraft Industry（Group）Company Ltd.，Xian 710089，China

Abstract： As for a civil aircraft ， the forming of punching point flange of slat slide is a technical problem to be solved urgently. This paper simulates the stress-strain distribution under the condition of shaft interference fit and the flange forming quality under the condition of manual impact through two main analysis modules， including Abaqus / Standard and Abaqus / Explicit. In addition， this paper also studies the effects of friction coefficient and pin interference on flange forming， as well as the change process of pull-off force before and after impact. It has guiding significance for solving practical engineering problems.

Key Words： punch point flange； interference； stress； strain； pull-off force； simulation