自動化生產(chǎn)在航空復合材料零件鍛造中的應(yīng)用研究

摘要：由于航空復合材料零件的性能參數(shù)要求較高，導致鍛造產(chǎn)出的合格率難以得到有效保障，為此，提出自動化生產(chǎn)在航空復合材料零件鍛造中的應(yīng)用研究。首先，利用有限元分析軟件ANSYS構(gòu)建了航空復合材料零件有限元模型，通過模擬零件的受力特點和邊界條件，對航空復合材料零件鍛造的參數(shù)進行優(yōu)化；其次，在生產(chǎn)階段，引入了自動化生產(chǎn)技術(shù)，以滿足零件設(shè)計要求的有限元模型參數(shù)為基準，控制各個加工環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對零件的鍛造生產(chǎn)。在測試結(jié)果中，各設(shè)計參數(shù)的合格率始終在95.0%以上，最大值達到了98.4%，應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞：航空復合材料零件有限元模型、受力特點、邊界條件、參數(shù)優(yōu)化、自動化生產(chǎn)技術(shù)、合格率

中圖分類號：TG316文獻標識碼：A

ResearchontheApplicationofAutomatedProductionintheForgingofAerospaceCompositeParts

SONGWen

AVICShenyangLimingAero-Engine（Group）Corporation，Ltd.，LiaoningLiaoningProvince.110043China

Abstract：Duetothehighrequirementsofperformanceparametersofaviationcompositeparts，itisdifficulttoeffectivelyguaranteethequalificationrateofforgingoutput，sotheapplicationresearchofautomaticproductionintheforgingofaviationcompositepartsisproposed.Firstly，afiniteelementmodelofaviationcompositepartsisconstructedbyusingthefiniteelementanalysissoftwareANSYS，andtheparametersofforgingaviationcompositepartsareoptimizedbysimulatingtheforcecharacteristicsandboundaryconditionsoftheparts.Secondly，intheproductionstage，automatedproductiontechnologyisintroducedtomeetthefiniteelementmodelparametersofthepartdesignrequirementsasthebenchmark，controleachprocessinglink，andrealizetheforgingproductionofparts.Inthetestresults，thepassrateofeachdesignparameterisalwaysabove95.0%，andthemaximumvaluereaches98.4%，indicatinggoodapplicationeffect.

KeyWords：Finiteelementmodelofaerospacecompositeparts;Forcecharacteristics;Boundaryconditions;Parameteroptimization;Automatedproductiontechnology;Passrate

航空工業(yè)的迅猛發(fā)展和技術(shù)的不斷進步對高性能、高可靠性的航空復合材料零件的需求日益增長。航空復合材料因其優(yōu)異的力學性能和耐腐蝕性，在航空器的制造中扮演著至關(guān)重要的角色。然而，傳統(tǒng)的鍛造工藝在面對復雜形狀、高精度要求的航空復合材料零件時，往往難以滿足現(xiàn)代航空制造業(yè)對效率、精度和質(zhì)量的高標準要求。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，自動化生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)運而生，并逐漸在航空復合材料零件鍛造中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。自動化生產(chǎn)不僅能夠提高生產(chǎn)過程的效率和精度，還能夠有效縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本，同時提升零件的整體性能。因此，自動化生產(chǎn)在航空復合材料零件鍛造中的應(yīng)用研究成為當前的熱點話題。本研究旨在深入探討自動化生產(chǎn)如何提升航空復合材料零件鍛造過程的效率與質(zhì)量，全面分析其在降低成本、縮短生產(chǎn)周期、提高零件性能等方面的潛力。通過本研究，期望能夠為航空制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供有力的理論支持和實踐指導，推動航空復合材料零件鍛造技術(shù)的進一步發(fā)展和創(chuàng)新。

1航空復合材料零件鍛造技術(shù)設(shè)計

1.1航空復合材料零件有限元模型構(gòu)建

為保障航空復合材料零件的參數(shù)能夠滿足設(shè)計要求，本文首先構(gòu)建了航空復合材料零件有限元模型。其中，具體實現(xiàn)過程涵蓋的關(guān)鍵步驟如圖1所示。

按照圖1所示的方式，首先根據(jù)航空復合材料零件的實際幾何形狀、尺寸和邊界條件，在有限元分析軟件（ANSYS）中建立幾何模型[1]。使用軟件中的幾何建模工具，精確繪制零件的幾何形狀，包括長度、寬度、高度、圓角等細節(jié)。同時，根據(jù)零件的受力情況和邊界條件，設(shè)置相應(yīng)的約束和載荷。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)零件的幾何形狀和受力特點，將幾何模型劃分為有限個單元（三角形單元或四邊形單元），準確模擬零件的力學行為。在此過程中，需要確保單元之間具有連續(xù)性，且不發(fā)生重疊[2]。之后，根據(jù)復合材料的具體類型和規(guī)格，為每個單元定義復合材料的屬性，包括彈性模量、泊松比、密度，并使用軟件中的復合材料層合結(jié)構(gòu)定義工具，通過直接輸入材料本構(gòu)矩陣的方式定義零件復合材料性質(zhì)[3，4]。再使用軟件中的網(wǎng)格劃分工具，自動完成節(jié)點和單元的連接。結(jié)合鍛造航空復合材料零件的受力特點和邊界條件，使用軟件中的荷載施加工具，根據(jù)零件的受力特點和邊界條件設(shè)計要求，施加靜力荷載、動力荷載等[5]，以模擬零件在實際工作中的受力情況。本文使用ANSYS軟件中的求解器，自動完成有限元方程的求解過程。根據(jù)求解結(jié)果，分析零件的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等力學行為，確定零件的薄弱環(huán)節(jié)對單元大小、材料屬性以及工藝進行優(yōu)化和改進[7]。

按照上述所示的方式，實現(xiàn)對航空復合材料零件有限元模型的構(gòu)建，將其作為后續(xù)零件鍛造的執(zhí)行基礎(chǔ)。

1.2航空復合材料零件自動化生產(chǎn)

結(jié)合1.1構(gòu)建航空復合材料零件有限元模型輸出的最優(yōu)工藝參數(shù)信息，本文在具體執(zhí)行零件的鍛造加工過程中，引入了自動化生產(chǎn)技術(shù)。其中，具體的實現(xiàn)方法如圖2所示。

按照圖2所示的方式，根據(jù)零件的具體設(shè)計要求，材料準備加工所需的復合材料，并按照有限元模型輸出的參數(shù)信息對所選材料進行預處理，具體的處理包括切割、打磨，以此確保材料質(zhì)量符合生產(chǎn)要求[6-7]。需要特別注意的是，對于粉末狀的高性能復合材料，需要從低溫冷庫中取出并進行熱壓罐、恒溫恒濕凈化間、烘干房環(huán)節(jié)的處理，通過這樣的方式，最大限度確保原材料的質(zhì)量和穩(wěn)定性能夠達到零件加工的設(shè)計要求[8]。

按照上述所示的方式，借助自動化生產(chǎn)的方式實現(xiàn)對航空復合材料零件鍛造加工，確保零件的質(zhì)量和性能能夠達到設(shè)計要求。

2應(yīng)用分析

2.1測試準備

在具體的測試階段，本文以應(yīng)用于航空的某TC4鈦合金鍛件為基礎(chǔ)開展具體的對比測試，其中，零件的具體參數(shù)信息配置情況如表1所示。

其中，TC4鈦合金（Ti-6Al-4V）是一種（α+β）型鈦合金，具有優(yōu)良的耐蝕性、小的密度、高的比強度以及較好的韌性和焊接性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的工藝條件和熱處理方式，對具體的鍛造方法進行測試。

2.2測試結(jié)果與分析

在上述測試環(huán)境的基礎(chǔ)上，分別采用冷熱循環(huán)下鋁基復合材料構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性提升設(shè)計方法[2]和基于高體積分數(shù)SiC/Al復合材料的零件加工質(zhì)量提升設(shè)計方法[3]作為測試的對照組，對不同鍛造方法下，生產(chǎn)零件的參數(shù)合格率進行對比分析，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

結(jié)合表2所示的測試結(jié)果可以看出，在3種不同方法下，對應(yīng)TC4鈦合金鍛件各設(shè)計指標的合格率表現(xiàn)出了不同的特點。其中，采用冷熱循環(huán)下鋁基復合材料構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性提升設(shè)計方法[2]，各設(shè)計參數(shù)的合格率基本穩(wěn)定在94.0%-96.0%區(qū)間范圍內(nèi)；在基于高體積分數(shù)SiC/Al復合材料的零件加工質(zhì)量提升設(shè)計方法[3]下，各設(shè)計參數(shù)的合格率波動更加明顯，對應(yīng)的最大值達到了96.6%，最小值僅為93.7%；在本文設(shè)計方法下，各設(shè)計參數(shù)的合格率始終在95.0%以上，最大值達到了98.4%。

3結(jié)語

航空復合材料零件鍛造的質(zhì)量要求極高，需要精密制造和嚴格控制多層結(jié)構(gòu)的復雜性。因此，本文提出自動化生產(chǎn)在航空復合材料零件鍛造中的應(yīng)用研究，切實提高了零件生產(chǎn)的合格率，具有良好的實際應(yīng)用價值，可為提高航空復合材料零件的性能和可靠性提供了有力支持。

參考文獻

[1]孫立帥，劉闖，李玉軍，等.變厚度復合材料U型零件固化變形仿真預測與結(jié)構(gòu)影響因素[J].復合材料學報，2023，40（1）：553-566.

[2]楊光，金延文，張峻凡，等.冷熱循環(huán)下鋁基復合材料構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性影響因素研究[J].精密成形工程，2024，16（4）：87-94.

[3]謝新春，楊新一，張雨菲，等.基于高體積分數(shù)SiC/Al復合材料的零件加工質(zhì)量提升實踐[J].航空標準化與質(zhì)量，2023，（S1）：60-63.

[4]高聰，祝穎丹，劉伯芳，等.熱塑性碳纖維/尼龍6復合材料界面優(yōu)化及零件快速成型工藝研究[J].汽車工程，2024，46（03）：546-556.

[5]孫琳，鄭紹祥.基于多因素約束的復合材料成型制造進罐計劃排程方法研究[J].航空制造技術(shù)，2023，66（20）：126-133.

[6]黃晶晶.基于Deform的汽車法蘭盤體零件鍛造成形工藝[J].鍛壓技術(shù)，2022，47（06）：81-86.

[7]張晨群，鮑益東，楊智勇，等.基于路徑相關(guān)本構(gòu)模型的大型薄壁曲面復合材料零件固化變形分析[J].宇航材料工藝，2022，52（06）：92-97.

[8]鄭煒，陳明，楊亞鵬，等.大尺寸復合材料薄壁異形回轉(zhuǎn)體零件數(shù)字化測量技術(shù)研究[J].機械制造與自動化，2023，52（01）：26-29.