飞机饭金件冲压成型工艺研究

引言

随着时代的进步以及科学技术的不断发展,飞机作为必不可少的先进交通工具,给人们的交通出行带来了便利。在飞机各式结构中应用了大量的饭金件,它是飞机结构制造中必不可少的元素,而饭金件的冲压成型则是飞机制造中的关键制造技术。飞机制造中,零件的性能和要求不断提高,而饭料在某些时候不能满足需求,因此必须掌握各式新材料的参数,保证飞机饭金件材料可以满足技术要求。目前饭金件已经开发出很多种类,但是在使用过程中还是会或多或少地出现问题,需要不断进行饭金件的改进研发。饭金件的材料、饭料的成型温度、施加在饭料上的作用力、变形速度和温度等不同因素都会影响到饭金件冲压成型的形状大小、力学性能和使用情况等。

本文通过有限元分析软件进行模拟仿真分析,在饭料冲压成型过程中,初步研究成型的摩擦因数、饭料受到作用的变形速度和饭料的本身材料等对成型零件压力分布的影响,找出对饭金件最终成型的质量影响更为显著的工艺参数,可以得到最优的飞机饭金件成型工艺参数组合。

1有限元软件及冲压成型理论分析

1.1有限元法思想及应用

饭料冲压成型过程中复杂的力学变化问题,从数学方面来看,是涉及几何非线性、材料非线性和边界条件非线性的强非线性问题,在研究饭料冲压变形的过程中必须同时考虑到这几个方面,以此来描述饭料的应力、应变。

在仿真模拟的冲压过程中,选择的材料是经过轧制加工和多次热处理获得的成型钢板。选择的钢板通常由于经过轧制加工和多次热处理,在冲压变形中,成型的部位一般由结晶织构和片状织构形成,同样的钢板其内部的材料会有不同的受力情况和由不同的材料构成,所以即使是选择同一块饭料也会具有明显的各向异性。而各向异性对饭料冲压成型规律有显著影响,所以这就需要一个具体的准则来评价各向异性,而屈服准则就是考虑到复杂的饭料情况而被创立出来的,截至目前已经被使用过的屈服准则有很多[2]。

1.2饭金材料冲压成型功能分析

饭料的冲压成型过程实际上是一个塑性变形过程,而在饭料的塑性冲压变形过程中,有很多影响饭料成型性的因素,如饭料性能、零件尺寸、模具尺寸、变形参数(包括压边力、摩擦、温度和冲压速度等),除这些问题以外,还要考虑实际技术水平,有些作用力或者复杂的机械设备目前还无法实现。所以说,饭料的冲压成型实际上是一个非常复杂的过程,需要多方面的共同努力才可以完成。

饭料冲压成型性能指数包括基本成型性能与模拟成型性能两个大类。饭料的冲压成型性能是指饭料冲压加工之后的适应能力,它是一个综合性的概念,在保证饭金件符合设计要求的前提下,冲压件能否成型以及冲压成型后的参数实际上取决于冲压成型极限。

冲压成型极限是饭料受到极限应力即将发生形变的临界点,而实际上变形的饭金件是无法修复使用的,因此,在实际生产中,冲压成型极限,作为饭料冲压成型性能的判定条件以及饭料设计的指标是需要被优先考虑的。

2饭金件的有限元分析

2.1饭金件的建模

2.1.1饭金件的设计理念

饭金件采用的是饭金的加工工艺,一般是由可塑形的薄板材料经过冷处理和热处理等一系列的工序加工而成,其最大的特点是饭料为薄板,在实际使用中可以展开为平面。饭金件具有重量轻、易成型、成本低等优点,广泛应用于各个行业。

在日常的工艺生产中,一般都是根据GB/T15825.1一2008来进行定义:饭料成型性即各式饭料在冲压成型过程中的实际适应能力。

根据最佳成型要求,成型后的饭料应该具有以下特点:应力、应变分布均匀,饭料能够承受平面内应力而不会出现起皱现象,饭料在冲压成型时可以达到较高的应变,不会发生缩颈和断裂,饭料承受平面切应力而无断裂,保持表面的光洁,防止损坏表面。

对于飞机的设计,在保证强度、安全性的基础上应适当减轻零件重量。考虑到飞机的重量和实用性,会优先采用厚度较小的材料,而考虑到飞机的安全性,又需要保证材料的强度。因此,选择材料时既要做到重量不过大,又要强度有保证,确保安全性。饭金件设计中的厚度和强度选择也遵循这一原则。

考虑到后期的工艺分析,尤其是零件的制造和装配,需要对饭金件的冲压成型进行更加全面的考虑。现在很多加工工艺过分追求方便,在设计过程中忽略了许多饭金件应有的结构和不可或缺的空间约束,实际上在后期的冲压加工中很难实现,在实际成型时饭金件的成型会出现错误,导致后期的工作无法完成,降低了工作效率,浪费了本不需要浪费的时间。

2.1.2建立仿真分析的几何模型

以飞机起落架上的饭金件为研究对象,利用CAD软件进行建模,存为IGES文件格式,将其导入到Dynaform软件中,然后建立相对应的饭料、凸模和凹模的型面模型以及压边圈等零件的型面模型。起落架上饭金件的参数如图1所示。

图1 零件设计

2.2饭金件有限元模拟分析

2.2.1导入模型

利用CAD软件建立零件几何模型,输出为IGES格式的文件,导入到Dynaform软件中进行有限元网格的划分。目前,计算机软件发展迅速,在仿真分析中有很多可选的单元,选择合适的单元有利于进行饭料的数据模拟分析。四节点四边形薄壳单元是研究中常用的一种单元,主要包括HugheS-Liu(简称HL)壳单元和BelytSchko-TSay(简称BT)壳单元两种。其中,HL壳单元计算量大,实际算出的数据相比较而言更加准确,但是在求解大型复杂的饭料成型问题时需要较长的计算时间,不满足研究冲压成型工艺的条件。本文讨论的饭金件设计相对并不复杂,因此虽然HL壳单元的计算比较准确,但仍选择计算较快的BT壳单元。

2.2.2进行有限元分析的前处理

有限元法是根据变分原理通过工程分析软件来求解数学物理问题的数值分析方法,为了更加真实、可靠、准确地对所设计的饭金件建立有限元分析模型,首先要进行合适的网格划分,网格划分的形式和质量会直接影响到有限元分析的计算速度和计算精度。网格划分完成后,检查并修正网格存在的缺陷(例如网格的解析度较差、网格的边界和单元错误等),选择曲面网格划分,选择最大尺寸30.00mm,最小尺寸0.50mm,生成网格如图2所示。

图2 生成网格

选择材料库中的材料DP600做坯料,设置饭料的厚度为1.00mm,在Dynaform中的快速设置里定义饭料、凸模、凹模的属性及其所对应的工艺参数,包括凹模/凸模的材料、间隙、摩擦系数等等。

图3所示为建立完成的有限元模型,自上而下分别为凸模、压边圈、饭料和凹模。采用自动设置,定义成型工具及相对位置。采用双动冲压过程,第一步为压边圈与凹模合模,实际的合模速度为2000mm/S:第二步为凸模冲压,速度为5000mm/S,压边力为50kN。对饭料、凸模、凹模、压边圈之间的相互位置进行约束,多角度预览观察凹模和凸模在冲压成型过程中的相对运动,以保证模具动作的正确性。

2.2.3进行有限元分析的后处理

设置好饭料和工序分析计算参数,使用求解器LS一SYNA进行求解,读取计算结果,利用软件的后处理模块查看分析结果。因为受力不均匀以及条件限制,饭料流动不均匀,造成饭料厚度发生变化,根据厚度变化的具体数值可以得到零件变薄和起皱的情况。

2.2.4饭料的成型极限及回弹分析

在饭料成型过程中考虑到压边力、饭料的摩擦系数、饭料的间隙以及饭料的冲压成型速度会对饭料的成型和回弹产生不同的影响,故通过Dynaform对这些参数对饭料回弹的影响进行简单对比,探究相应的规律,得出最佳的参数组合。

可以仿真得到回弹的角度大约为0.934o,因为饭料的尺寸较小,所以回弹满足要求,不会影响饭料的冲压成型。

3结语

本文以某型飞机起落架上的饭金件的仿真模拟分析为例,介绍了利用有限元分析软件研究饭金件冲压成型工艺的过程,仿真分析可以帮助优化选择饭料的参数,同时也可以发现以往需要多次实际成型才能发现的失稳问题影响因素,避免浪费时间。