負(fù)角度鈦合金飛機(jī)蒙皮零件成形工藝研究及數(shù)值模擬

何曉健，朱麗，張曉巍，吳偉平，王玨

沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110850

1 序言

由于鈦合金質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比斷裂韌度高、疲勞強(qiáng)度高、低溫韌性良好、耐腐蝕性能強(qiáng)等優(yōu)異的綜合性能，因此在航空航天、汽車、造船等工業(yè)部門獲得廣泛使用。同時(shí)，因?yàn)殁伜辖鸢宀膹?qiáng)度很高，因此在常溫下成形時(shí)變形抗力大，易開(kāi)裂，回彈嚴(yán)重，成形困難，故多采用熱成形工藝進(jìn)行成形。

本文以TC4鈦合金板材的熱拉深成形和熱成形工藝為研究對(duì)象，擬采取兩種成形工藝相結(jié)合的方式來(lái)突破雙側(cè)負(fù)角度零件難加工、無(wú)法脫模的難題。期間設(shè)計(jì)熱拉深模具1套、熱成形模具2套，并結(jié)合成形工藝仿真來(lái)驗(yàn)證該方案是否具備可行性。

2 零件工藝性分析

2.1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該負(fù)角度鈦合金零件為某飛機(jī)的整流蒙皮，如圖1所示，采用厚度δ＝0.8mm的TC4板材成形，零件成形后外廓尺寸約為465mm×350mm×35mm。零件結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)。

圖1 整流蒙皮零件

1）零件外形較復(fù)雜，腹板和彎邊均為雙曲面。

2）零件前端兩側(cè)均存在負(fù)角度區(qū)域（見(jiàn)圖2），且角度最小處約為40°（見(jiàn)圖3）。

圖2 前端兩側(cè)負(fù)角度區(qū)域

圖3 負(fù)角度區(qū)域角度

2.2 零件工藝性分析

1）零件前端兩側(cè)彎邊與腹板之間均存在負(fù)角度區(qū)域，且角度過(guò)小，無(wú)法通過(guò)一次成形制備該零件。

2）彎邊與腹板之間圓角半徑為4.2mm，大于4倍板材成形最小彎曲半徑。

3 工藝方案討論

1）兩側(cè)負(fù)角度的鈦合金槽形零件很難通過(guò)一次熱成形。外形簡(jiǎn)單的負(fù)角度零件可通過(guò)機(jī)床的水平側(cè)壓裝置輔助完成，但大型熱成形設(shè)備沒(méi)有側(cè)壓裝置；部分負(fù)角度零件可使用帶有將豎直力轉(zhuǎn)化為橫向力裝置的模具成形[1]，而此零件腹板和彎邊均為二次曲面，且?jiàn)A角為變角度，因此方案不可行。

2）經(jīng)對(duì)數(shù)模進(jìn)行分析，蒙皮零件關(guān)于縱向剖面對(duì)稱，單從工藝角度考慮，可采用左右兩側(cè)分段成形，再通過(guò)激光焊接為整體的方法進(jìn)行成形。但該零件設(shè)計(jì)方案為整體成形，沒(méi)有焊接信息，且焊接會(huì)造成零件性能有一定的下降，焊接變形也需熱校形來(lái)消除，因此所需模具數(shù)量沒(méi)有減少。

3）采用分步成形法，采取兩種成形工藝相結(jié)合的方式來(lái)突破雙側(cè)負(fù)角度零件難加工、無(wú)法脫模的難題，采取先預(yù)成形、再終成形的兩步成形工藝方法，即先進(jìn)行熱拉深成形[2，3]，形成沒(méi)有負(fù)角度彎邊的槽形零件，然后分別對(duì)兩側(cè)負(fù)角度區(qū)域進(jìn)行熱成形，得到最終零件。

4 成形過(guò)程模擬

通過(guò)工藝方案討論，分步成形方法工藝性較好，成形精度可以保證，可進(jìn)行進(jìn)一步研究討論。該工藝路線的成形過(guò)程模擬順序?yàn)椋簲?shù)模預(yù)處理→板料預(yù)成形→零件終成形→成形模擬仿真。

4.1 數(shù)模預(yù)處理

依據(jù)零件數(shù)模，提取零件外型面，隨后識(shí)別負(fù)角度區(qū)域，在零件彎邊上負(fù)角度和開(kāi)角之間設(shè)置分離面，移除原負(fù)角度一側(cè)彎邊，隨后做出與腹板夾角＞90°的工藝補(bǔ)充面，結(jié)合模具的分模面，最終形成預(yù)成形模具（即熱拉深成形模具）的模面，如圖4所示。

圖4 熱拉深成形模具模面

4.2 板料預(yù)成形

板料預(yù)成形即鈦合金槽形零件的熱拉深成形。熱拉深模具由凸模、凹模、壓邊圈和導(dǎo)向板等組成，如圖5所示。利用凸凹模和壓邊圈的吊裝棒和壓板槽在設(shè)備上安裝定位，設(shè)備頂桿推壓邊圈上行與凹模夾緊合模，之后凹模、板料和壓邊圈下行與凸模合模成形腹板和無(wú)負(fù)角度彎邊的形狀。

圖5 熱拉深成形模具模型

4.3 零件終成形

零件的終成形通過(guò)使用熱成形的方法，對(duì)前端負(fù)角度區(qū)域分別進(jìn)行成形。熱成形模具由上模、下模和導(dǎo)向板組成，如圖6所示。共需終成形模具2套，分別對(duì)兩側(cè)的負(fù)角度區(qū)域進(jìn)行成形。

圖6 熱成形模具模型

4.4 數(shù)值模擬

熱成形工藝仿真，是利用PAM-STAMP等鈑金成形仿真軟件，將模具和板料模型轉(zhuǎn)化為有限元模型，通過(guò)輸入工藝參數(shù)和邊界條件后，提交計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，以云圖和數(shù)據(jù)的形式顯示熱成形過(guò)程和結(jié)果的相關(guān)信息。工藝仿真可以預(yù)測(cè)板料成形趨勢(shì)及各種缺陷產(chǎn)生的位置和程度，可判斷工藝方案或工裝設(shè)計(jì)的合理性。

在本工藝方案中，使用PAM-STAMP 2G 2012軟件分別對(duì)預(yù)成形和終成形過(guò)程進(jìn)行成形工藝仿真。

首先，對(duì)熱拉深過(guò)程進(jìn)行工藝仿真，進(jìn)行成形仿真前處理，包括熱拉深模具和板料模型導(dǎo)入、建立局部坐標(biāo)系、調(diào)整網(wǎng)格法線方向，以及設(shè)定上模、下模和壓邊等成形屬性等。

工藝參數(shù)方面，設(shè)定熱拉深成形的溫度為750℃，摩擦系數(shù)為0.12，壓邊力為50kN。

其次，選擇求解器并進(jìn)行求解計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果。通過(guò)模擬過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凸模剛開(kāi)始上行10mm時(shí)，前端凸模圓角處等效塑性應(yīng)變開(kāi)始出現(xiàn)，如圖7a所示；當(dāng)凸模上行20mm時(shí)，凸模圓角等效應(yīng)變分布范圍增大，延凸模圓角方向延伸，如圖7b所示；當(dāng)凸模行程為35mm時(shí)，凸模圓角等效應(yīng)變繼續(xù)增大，凹模圓角處也出現(xiàn)塑性應(yīng)變，如圖7c所示；當(dāng)上模上行約50mm時(shí)，板料完全貼模，應(yīng)變達(dá)到峰值，如圖7d所示。在整個(gè)熱拉深模擬過(guò)程中，等效應(yīng)變均值較小，基本沒(méi)有產(chǎn)生缺陷的趨勢(shì)。

圖7 熱拉深過(guò)程等效塑性應(yīng)變分布

同時(shí)，依據(jù)模擬結(jié)果，熱拉深成形后零件厚度分布較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的減薄或增厚現(xiàn)象，如圖8所示。拉深成形力隨凸模位移增加呈近似線性增大，如圖9所示。

圖8 熱拉深成形厚度分布

圖9 拉深成形力與凸模位移關(guān)系

最后，進(jìn)行負(fù)角度區(qū)域的熱成形工藝仿真。將上一步熱拉深成形模擬結(jié)果以及熱成形模具模型導(dǎo)入到PAM-STAMP 2G 2012軟件中并進(jìn)行前處理，熱成形溫度設(shè)定為750℃，進(jìn)行求解計(jì)算，仿真結(jié)果如圖10所示。依據(jù)模擬結(jié)果，零件厚度分布均勻，沒(méi)有褶皺、破裂等缺陷，貼膜度高，滿足設(shè)計(jì)條件的要求。

圖10 熱成形厚度分布

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述研究，探索了一種利用分步成形的方法制備雙側(cè)負(fù)角度飛機(jī)蒙皮零件。這種分步成形的方法，可有效地解決負(fù)角度鈦合金蒙皮零件難以成形的問(wèn)題；同時(shí)，采取先熱拉深、后熱成形的方法，可以提高蒙皮零件最終成形精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。結(jié)合上述二級(jí)模擬仿真結(jié)果證明，該蒙皮零件成形效果良好，故方案可行。實(shí)際成形過(guò)程需熱拉深模具1套，熱成形模具2套。