T 型截面鋁合金型材零件成組加工技術研究與應用

陳東東，鄧濤，門向南，仝朋艷，王永軍，張建

（1.航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都 610092；2.西北工業(yè)大學 機電學院， 西安 710072）

型材彎曲件作為航空產(chǎn)品的重要部件，多用于飛機的框肋、機身前后段和發(fā)動機短艙的長桁[1]。其中T 型材與蒙皮相接觸，用于固定并支撐飛機結構強度，成為航空鈑金件中的代表零件。拉彎成形工藝能夠成形大屈強比的彎曲件，具有成形精度高、回彈小的優(yōu)點，在彎曲件制造中得到了廣泛應用。以往拉彎零件的生產(chǎn)主要是一零件一拉彎，導致產(chǎn)品數(shù)量多，工藝裝備多，生產(chǎn)準備及生產(chǎn)計劃排產(chǎn)工作量大，生產(chǎn)周期長、加工效率低。

如何提高產(chǎn)品加工效率、減少單件零件的加工成本成為全球各大主機廠亟待解決的問題[2]。20 世紀50 年代提出的成組技術是解決多品種、小批量生產(chǎn)面臨問題的有效方法[3-6]。成組技術是利用事物本身存在的相似性，集合眾多在一定程度上存在相似性的事物成為組，按照一定的方式解決分組中的問題[5,7]。成組加工技術能夠很好的解決成形加工中項數(shù)多、生產(chǎn)效率低的問題[8]。石國玲[9]將液壓油缸產(chǎn)品設計成組化，使油缸產(chǎn)品從多品種、小批量生產(chǎn)過渡到批量生產(chǎn)。崔學奎等[10]采用成組技術將待裝配件小量裝配工藝設計轉化為批量設計模式，大幅度縮短了工藝準備時間。高歡[11]將成組技術應用于平板零件的化學銑削，并套裁銑切技術相結合，大大提高了平板化銑零件的加工精度及生產(chǎn)效率。劉剛等[12]通過分析成組技術在車床夾具、加工中心夾具及某系列齒殼體夾具中的應用，大大節(jié)約了工藝裝備中的工裝費用。于東林等[13]根據(jù)成組技術原理，將閑置夾具組裝成能滿足工藝要求的重組夾具，做到了夾具的循環(huán)利用。

針對某型飛機T 型材零件具有相同的材料和彎曲長度，零件項數(shù)多的特點，采用成組拉彎成形的方法，建立了成組拉彎成形的適用范圍計算方法，通過模具回彈修正實現(xiàn)精確成形，這種方法提高了加工效率，降低了制造的加工成本。

1 T 型材零件編碼

航空鈑金零件中存在大量與蒙皮相接觸，用于固定并支撐飛機結構強度類的截面為T 字形的型材零件。T 型材立邊較高、且不同零件截面幾何尺寸各異，長度短，彎曲角度小。T 型材彎曲件模型如圖1所示，紅色線表示T 型材的引導線。

圖1 T 型材零件數(shù)模Fig.1 Digital model of T profile part

1.1 T 型材截面

通過型材截面幾何信息和引導線幾何信息表達拉彎成形型材模型，T 型材截面尺寸示意圖如圖2所示。T 型材成組化編碼分類要素見表1。

表1 T 型材成組化編碼分類要素Tab.1 Group coding and classification elements of T profiles

圖2 T 型材截面尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of section size of T profile

拉彎過程中的截面圖如圖3 所示。拉彎過程中弦板下表面貼在拉彎模具的包絡面上，一般模具厚度大于T 型材弦板寬度。T 型材腹板位于拉彎成形模具上模和下模的間隙中，模具腹板槽寬度和高度對應T 型材腹板的厚度和高度，和拉彎過程中腹板起皺等截面畸變相關，合理的設計模具腹板槽可以有效的提高拉彎件成形精度。實際生產(chǎn)中為提高模具的利用率，常在上模和下模中間添加墊板用以增加模具腹板槽寬度，選擇不同厚度的墊板即可組裝不同的腹板槽厚度，擴大拉彎模具適用的T 型材腹板厚度。拉彎后的型材需要銑切弦板和腹板以獲取要求的形狀尺寸，成組技術中拉彎模具的腹板槽高度設計為T 型材零件組腹板高度最大值，拉彎成形后銑切型材腹板多余部分，即可在增大模具利用率的同時獲取滿足形狀精度的零件?？梢蕴岣呃瓘澇尚文＞叩睦寐剩s短拉彎成形的準備時間，減少型材拉彎成形模具數(shù)量，提高生產(chǎn)效率。

圖3 T 型材拉彎成形過程中模具和型材截面示意圖Fig.3 Schematic diagram of die and profile section in the process of T profile stretch bending

考慮T 型材截面幾何尺寸，拉彎成形模具可以按照T 型材厚度、腹板和弦板交界處的倒角和立邊高度進行分類。相同的腹板厚度和高度的T 型材，當引導線半徑處于半徑變化范圍內時可以采用一套成形模具。

1.2 T 型材編碼

采用成組技術，按照零件組進行加工，是解決航空航天類產(chǎn)品生產(chǎn)過程中周期長、效率低的有效方法之一[4]。根據(jù)事物相似性，按一定的準則合理的分組是實施成組技術的基礎[14-16]。T 型材拉彎成形的幾何描述由截面信息和引導線信息構成。因此分別基于截面、引導線對拉彎成形的T 型材進行分組。

采用特征位碼域法將T 型材拉彎零件進行分組，其分組編碼尺寸要素包含截面弦板的寬度和厚度、板的高度和厚度，引導線長度和引導線半徑[15,17]。

編碼數(shù)量計算式[18]為

按照表2 編制T 型材零件信息對應的編碼。編碼范圍相同的T 型材零件采用同一套拉彎成形模具。

表2 零件編碼含義Tab.2 Meaning of part coding mm

考慮拉彎成形模具，T 型材編碼要素中弦板厚度和弦板寬度對模具的尺寸影響不大，其中腹板厚度、引導線長度和引導線半徑作為特征碼位。T 型材零件分組的編碼個數(shù)計算式為

1.3 T 型材零件拉彎成形成組加工流程

拉彎成形加工前需要根據(jù)型材材料和回彈修正的引導線設計制造拉彎成形模具，結合拉彎結果進行修模以保證型材的成形精度。考慮拉彎機夾持型材的長度和型材實際長度，計算型材毛料長度并按照毛料長度鋸切成段，之后對弦板和腹板進行劃線、銑切，將型材裝夾到拉彎機上進行拉彎成形，卸載后按照型材外形銑切至要求尺寸，完成一件型材拉彎件的成形。型材傳統(tǒng)拉彎的流程如圖4 所示。

圖4 傳統(tǒng)型材拉彎流程Fig.4 Traditional profile stretch bending process

采用成組技術對T 型材進行拉彎成形時，取T 型材腹板高度、彎曲長度的最大值作為固定值，依據(jù)腹板厚度和彎曲半徑將此類零件組成一個零件族，運用成組加工的方式進行拉彎成形。首先對較長型材進行拉彎成形，之后再分割為要求的短型材段，銑切外形后獲得多個要求的拉彎型材零件。型材零件拉彎成組加工流程如圖5 所示。

圖5 型材零件拉彎成組加工流程Fig.5 Flow chart of group processing of profile stretch bending

在某項目某部件T 型材零件拉彎成形需訂制4 套拉彎模，對應的加工工裝統(tǒng)計如表3 所示。由表3 可以看出，采用成組加工方法，可一次拉彎成形加工20 件零件以上，相比傳統(tǒng)單件成形效率提高20 倍以上。由于減少了模具數(shù)量，模具保存、搬運、維護等需要的場地減少，減少了資源消耗，提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。

表3 某項目某部件T 型材成組加工工裝統(tǒng)計Tab.3 Statistics of T profile group processing tooling for a certain part of B767-300

2 T 型材拉彎成形成組加工技術應用實例

2.1 基于T 型材截面成組加工技術

在某項目某部件T 型材零件中，取T 型材立邊高度、零件長度的最大值作為固定值，僅腹板厚度、引導線半徑不同，經(jīng)統(tǒng)計需訂制4 套拉彎模即可成形所有零件拉彎成形。結合表4 和表5 統(tǒng)計某項目某部件T 型材拉彎成形過程中，兩套拉彎模具即可完成所有項零件的成形。

表4 某項目某部件T 型材零件截面幾何尺寸統(tǒng)計Tab.4 Statistics on the section geometrical sizes of T section of the certain part of the B767-300

表5 某項目某部件T 型材引導線幾何尺寸統(tǒng)計Tab.5 Statistics on the section geometrical sizes of T profile guide line of the certain part of B767-300

2.2 基于T 型材引導線成組加工技術

型材截面和引導線決定型材拉彎成形后的形狀。在型材截面確定的前提下，引導線決定拉彎型材零件的形狀。拉彎成形模具的包絡面由T 型材引導線經(jīng)回彈補償修正確定?；谝龑Ь€的成組加工可以有效地提高T 型材零件拉彎成形效率。

如何確定引導線分組規(guī)則是拉彎成形成組加工技術研究的重點和難點。結合生產(chǎn)實際經(jīng)驗和仿真計算結果，型材拉彎成形回彈后型材引導線兩端半徑小，中間部分半徑最大。提前預測型材拉彎成形回彈后引導線各部分的半徑，合理安排成形型材位置，經(jīng)過一次拉彎可以得到多個滿足成形精度的型材彎曲零件，改變傳統(tǒng)的單件加工方式，極大的提高生產(chǎn)效率。

2.2.1 理論計算

對引導線進行誤差分析可以為基于引導線的成組技術提供理論基礎。T 型材拉彎成形引導線長度短、彎曲角度小。引導線半徑在一定范圍內變化，引導線形狀仍滿足成形精度要求。引導線彎曲半徑、弦長、弦高幾何關系示意如圖6 所示。

圖6 引導線幾何示意圖Fig.6 Geometric diagram of the guide line

彎曲半徑R、弦高h、弦長L的關系式為

由幾何關系得到彎曲半徑、弦長和弦高的誤差為

在固定引導線長度的條件下對引導線弦高誤差進行分析計算，回彈后半徑通常增大，半徑變化率為正值。計算得到不同半徑變化率下的弦高誤差，直至弦高誤差的絕對值大于誤差極限0.5 mm，得出不同半徑變化率下零件弧高變化曲線，如圖7 所示。

圖7 不高同半徑變化率下的弦變化量Fig.7 Variation of chord heights under different radius change ratios

圖7 中紅色虛線為成形精度弦高0.5 mm 的臨界線，點劃線為引導線半徑分別為2 000，2 450 mm在不同半徑變化率下的弦高變化量。隨著彎曲半徑的增大，相同半徑變化率下弦高變化量的絕對值逐漸減小。相同半徑下，隨著半徑變化率的增加，弦高變化量的絕對值逐漸增加。由圖7 可知，T 型材零件半徑變化率在20%都能滿足制造精度。

當弦高變化量絕對值在成形精度要求的取值范圍內，不同弦高變化量下的半徑變化率如圖8 所示。

圖8 不同弦高變化量下的半徑變化率Fig.8 Radius change ratio under different chord height changes

隨著弦高變化量絕對值的減小，半徑變化率的絕對值也在減小。型材引導線半徑的增加，在相同的弦高變化量下，半徑變化率的絕對值減小。

2.2.2 T 型材零件實例

忽略弦板和腹板端部尺寸較小的圓角保留腹板和弦板交界處的圓角，按圖2b）的截面尺寸描述型材截面的幾何信息，計算腹板的高度，整理某項目某部件“T”型材零件截面幾何尺寸。由表4 可知：雖然T 型材零件截面幾何尺寸各不相同，但也有共性，序號2、3、5、6 型材的厚度相同，序號1 和4 的厚度相同，序號2、3、7 腹板高度相近，序號1、6 腹板高度相近，序號4、5 腹板高度相近。由表5 可知，T 型材零件長度均小于200 mm，取型材長度最大值作為理論計算的型材長度。T 型材引導線彎曲半徑有2100 、2450 mm。按照引導線半徑將T 型材引導線分為兩類，結合表5 中型材彎曲半徑和最大長度，計算型材拉彎成形引導線彎曲角度和弦長，如表6 所示。

表6 引導線幾何參數(shù)Tab.6 Geometric parameters of guide line

由表7 可知，長度為200 mm 的T 型材拉彎成形滿足精度要求時，可選用彎曲半徑范圍較大。

表7 滿足成形精度引導線半徑和弦長的誤差、數(shù)值范圍Tab.7 Error and value range of guide line radius and chord length to meet forming accuracy

2.2.3 數(shù)值模擬分析

理論計算獲取了固定弦高變化量下T 型材引導線半徑變化率，可以發(fā)現(xiàn)滿足成形精度時容許的半徑的變化量較大。理論彎曲半徑分別為2000 mm和2450 mm 的長度為200 mm 型材，半徑變化率小于20%都能滿足成形精度。

1.2.3 統(tǒng)計學方法。采用SPSS 21.0統(tǒng)計學軟件，對所有數(shù)據(jù)進行描述性分析，符合正態(tài)分布的計量資料以（x-±s）表示，計數(shù)資料用率表示。計量資料兩組間差異檢驗采用獨立樣本t檢驗，計數(shù)資料兩組間差異檢驗采用非參數(shù)秩和檢驗和χ2檢驗，采用二元Logistic回歸，進一步研究影響血腫增大的危險因素，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

有限元數(shù)值模擬方法是求解拉彎成形的重要手段，它是根據(jù)由試驗和理論方法所得到的材料模型、摩擦邊界條件及有關力學原理和簡化假設，建立利用計算機求解成形過程的有限元模型，從而可以計算出工件在成形過程中各瞬間的位移、應變和應力分布，預測工件的回彈。對T 型材拉彎成形過程進行仿真模擬，擬采用動態(tài)顯式算法求解拉彎成形過程，然后將計算結果作為靜態(tài)隱式算法的輸入進行回彈計算。在拉彎成形過程模擬中，采用位移控制法。通過計算得出準確的夾頭運動軌跡、模具以及零件的位置、零件的長度等。最后需通過適當?shù)倪吔鐥l件和約束條件連接夾鉗與型材，從而達到模擬拉彎成形過程的效果。

模擬模型中T 型材截面的幾何信息如圖9b)所示，T 型材截面形狀規(guī)整，采用殼單元進行建?？梢约涌煊嬎闼俣取Ｒ园霃?000 mm 引導線為例模擬計算拉彎回彈后引導線半徑變化情況。

圖9 T 型材拉彎成形模型幾何信息Fig.9 Geometric information of T profile stretch-bending forming model

型材成形為等曲率拉彎，為減少計算量選取一半型材進行模擬計算。建立彎曲半徑為2000 mm拉彎模具殼單元模型，與長度為1600 mm 的 T 型材進行裝配，型材長度端的形心處耦合面施加彎曲過程的位移數(shù)據(jù)，添加邊界載荷條件進行后期的仿真計算。

1) 計算結果

彎曲半徑為2000 mm 的T 型材拉彎成形模擬結果如圖10 所示。

圖10 R2000 結果云圖Fig.10 R2000 result cloud image

2) 回彈結果

通過預定義場的方式對T 型材拉彎成形進行回彈計算，由圖11 可知，回彈后型材夾持端遠離模具。為計算T 型材回彈后半徑的大小，提取回彈后引導線位置坐標，提取路徑如圖12 所示。

圖11 R2000 回彈結果Fig.11 R2000 springback result

圖12 提取引導線坐標Fig.12 Extracting guide line coordinates

根據(jù)引導線上相鄰的三點位置坐標計算曲率，得到彎曲型材中心到端部的半徑變化。以引導線上三點為頂點作三角形，a、b、c為3 個邊長，曲線半徑為

式中S為是三角形面積。

式中：p為三角形的半周長，p=(a+b+c)/2。

結合型材實際拉彎成形的弧長，從回彈提取的引導線的坐標信息，計算引導線的半徑。R2000 引導線半徑回彈前后變化如表8 所示。

表8 引導線半徑回彈前后變化Tab.8 Changes of the radius of the guide line before and after springback

處理模擬數(shù)據(jù)時，采用理論彎曲半徑表示回彈前半徑，回彈率數(shù)值上等于半徑變化率。半徑在回彈后相對于理論半徑的變化率小于20%，回彈帶來的形狀誤差滿足精度要求。模擬型材的長度遠大于不同規(guī)格彎曲型材的極限長度，一次拉彎較長型材后切割出要求的零件長度得到的零件可以滿足成形精度要求。

2.2.4 拉彎試驗驗證

拉彎加工工藝是對一根型材兩端進行夾持，采用張臂式或轉臺式拉彎機結合拉彎模具，對型材進行拉彎。試驗采用A-14 張臂式拉彎機，A-14 最大拉力82.5×103kg、最大拉彎零件長度8585 mm，型材拉彎成形拉彎試驗如圖13 所示。

圖13 型材拉彎成形拉彎試驗Fig.13 Profiles stretch-bending test

測量裝夾狀態(tài)下T 型材包繞模具時不同位置的半徑，之后測量型材卸載回彈后相應位置的半徑。拉彎試驗回彈前后彎曲半徑變化如表9 所示。

表9 拉彎試驗回彈前后彎曲半徑變化Tab.9 Change of bending radius before and after springback in stretch-bending test

拉彎試驗表明實際拉彎生產(chǎn)中，T 型材拉彎回彈后的彎曲半徑變化率均小于理論計算的極限值20%，回彈后的型材按照零件長度要求進行切割，銑去弦板和腹板多余部分即可獲得滿足成形精度要求的T 型材彎曲零件。拉彎試驗結果驗證了拉彎成組加工的可行性。

3 結論

1）提出了T 型材拉彎成形的成組加工技術。理論計算得到某部件T 型材滿足形狀精度要求時所允許的半徑變化率的極限值為20%，并結合模擬計算和拉彎試驗驗證了長段T 型材拉彎后切割為短型材方法的可行性。

2）型材拉彎成組加工技術改變傳統(tǒng)工藝中小彎曲零件為大件，一次拉彎獲取多個零件，提高了單件零件的成形效率20 倍以上。采用型材拉彎的成組加工技術，減少了拉彎模具的數(shù)量及人手工校正量，降低了成本，提高了零件的整體質量。