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數(shù)控拉彎機(jī)在飛機(jī)框緣類型材成形中的應(yīng)用分析論文
第二次世界大戰(zhàn)中，各國致力于提高飛機(jī)的性能和產(chǎn)量，因而產(chǎn)生了不少新的工藝方法和機(jī)床設(shè)備，轉(zhuǎn)臺拉彎機(jī)就是這一時期的產(chǎn)物。20世紀(jì)50年代，拉彎機(jī)得到很大的發(fā)展，結(jié)構(gòu)和性能日趨完善。美國發(fā)動朝鮮戰(zhàn)爭后，美國各主要飛機(jī)、直升機(jī)、導(dǎo)彈、發(fā)動機(jī)制造廠紛紛購置拉彎機(jī)。60年代，拉彎機(jī)的液壓裝置和控制系統(tǒng)得到改進(jìn)，使產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，操作更加方便。目前拉彎機(jī)已推廣至汽車、火車、高鐵、電梯、升降機(jī)、建筑、冰箱和橋梁等民用工業(yè)中。
拉彎是指工件在彎曲壓入模具型槽的同時加以切向拉力、以改變工件截面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)的一種彎曲工藝。拉彎與普通彎曲的區(qū)別在于:普通彎曲時中性層基本不變，而拉彎時中性層內(nèi)移，甚至內(nèi)移至內(nèi)側(cè)或移出內(nèi)側(cè)表面。當(dāng)最內(nèi)層截面上的應(yīng)力達(dá)到或超過材料的屈服應(yīng)力時，回彈明顯減小，從而提高了零件的成形精度。飛機(jī)上的框緣、機(jī)身前后段和發(fā)動機(jī)短艙的長析等零件是尺寸大、相對彎曲半徑大的擠壓型材和板彎型材彎曲件。它們組成飛機(jī)骨架的受力零件，直接影響到飛機(jī)的氣動力外形，因而形狀精度要求很高，生產(chǎn)中普遍采用拉彎成形的方法制造這類零件。
典型的型材拉彎成形控制方法有力控制、應(yīng)變控制和位移控制。型材拉彎成形過程中常見的問題有回彈、破裂、起皺和截面畸變等，分析解決以上問題的方法有試驗研究、理論解析和數(shù)值模擬等。拉彎機(jī)與拉彎模具是生產(chǎn)拉彎產(chǎn)品的關(guān)鍵裝備，按照設(shè)備工作方式，拉彎機(jī)分為轉(zhuǎn)臺式拉彎機(jī)和轉(zhuǎn)臂式拉彎機(jī)兩類。由于數(shù)控拉彎機(jī)的精確和可重復(fù)運(yùn)動控制，保證了成形零件的一致性，目前在航空工業(yè)中數(shù)控轉(zhuǎn)臂式拉彎機(jī)被廣泛采用。法國ACB、美國Cyril Bath和L&F Industries公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)臂式數(shù)控拉彎機(jī)最大拉伸力可達(dá)到300 kN。
本文針對L & F Industries公司的A -7B位移控制轉(zhuǎn)臂式數(shù)控拉彎機(jī)，從拉彎機(jī)床結(jié)構(gòu)、成形過程、工藝參數(shù)設(shè)定和成形能力方面介紹數(shù)控型材拉彎機(jī)，并以典型實例闡述國內(nèi)飛機(jī)框緣類型材數(shù)控拉彎成形技術(shù)現(xiàn)狀。
1轉(zhuǎn)臂式數(shù)控拉彎機(jī)床結(jié)構(gòu)
L & F Industries公司的A-7B數(shù)控拉彎機(jī)，是30 kN通用拉彎成形設(shè)備。
A -7B轉(zhuǎn)臂式拉彎機(jī)工作臺固定不動，在臺面兩側(cè)的轉(zhuǎn)軸上各裝一轉(zhuǎn)臂，左右轉(zhuǎn)臂上通過托架組件各裝了一拉伸缸，拉伸缸在轉(zhuǎn)臂上的位置可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的毛料長度。在拉伸缸的端頭，裝有液壓夾鉗以夾緊毛料。轉(zhuǎn)臂由裝在床身上的轉(zhuǎn)臂缸帶動轉(zhuǎn)動。2個轉(zhuǎn)臂既能分別轉(zhuǎn)動，又可同時轉(zhuǎn)動。模具裝在工作臺上，應(yīng)使模具的對稱軸線與機(jī)床的縱軸線重合。托架裝置裝有手動橫向滑塊，每個托架都可手動控制，并可獨(dú)立沿垂直于轉(zhuǎn)臂方向橫向滑動，從而實現(xiàn)拉伸缸的橫向移動。拉伸缸安裝在托架上，可沿轉(zhuǎn)臂運(yùn)動。此外，在機(jī)床每一個拉伸缸拖架上安裝了控制箱，以控制夾頭開閉和拉伸缸的伸縮運(yùn)動。液壓動力單元由一套集成的泵/馬達(dá)組成，用來提供必要的動力，包含一個油箱、換氣裝置、位視測量儀和油位開關(guān)。
在成形前，4個缸體(左右轉(zhuǎn)臂缸和左右拉伸缸)協(xié)調(diào)運(yùn)動，實現(xiàn)模具輪廓記錄，用于生成數(shù)控程序。工作時先將轉(zhuǎn)臂向前展開，毛料的兩端用液壓夾頭夾緊;然后開動拉伸缸使毛料拉伸。2個拉伸缸的拉力相同，以免發(fā)生竄動。當(dāng)拉伸力達(dá)到規(guī)定的數(shù)值后，2個轉(zhuǎn)臂向后轉(zhuǎn)動，使毛料沿模具型面進(jìn)行拉彎。待毛料全部貼模后，增大拉伸缸的壓力，對毛料進(jìn)行補(bǔ)拉，從而減小零件回彈。
中央操作控制面板安裝在機(jī)床前面，包括操作按鈕、開關(guān)、指示燈、電位計和急停。自由放置的控制器上裝有一個電源和警示面板、操作按鍵和機(jī)床各種系統(tǒng)的操作監(jiān)控。
2數(shù)控型材拉彎成形過程
數(shù)控型材拉彎成形的典型步驟如下。
2. 1成形準(zhǔn)備
成形準(zhǔn)備主要是指模具安裝和夾頭嵌塊安裝。模具采用平臺上的活動立柱來安裝定位，必要時可在模具底部放置墊塊，以保證合適的高度。
模具應(yīng)正確安裝在設(shè)備上，以便分布成形零件時的載荷，這是非常重要的。
(1)畫出模具俯視圖以便安裝規(guī)劃;
(2)畫出一條與模具前端相切、且與模具后端平行的直線。將這條直線定義為參考線，轉(zhuǎn)臂的銷軸中心位于該直線上;
(3)畫出與模具的兩端相切(切點(diǎn)為A和B) ,且通過參考線的直線，這兩條直線與參考線的交點(diǎn)為C和D;
(4)等分線段CD，線段CD的中點(diǎn)定義為E點(diǎn);
(5)畫一條通過E點(diǎn)、且與參考線垂直的直線，這是模具成形的中心線，應(yīng)與設(shè)備的中心線.
2. 2數(shù)控程序模具采集
數(shù)控程序主要指拉伸缸隨著擺臂轉(zhuǎn)動中的位置。A -7B轉(zhuǎn)臂式數(shù)控拉彎機(jī)，采用位移控制方式，與力控制不同，它在模具型面特征位置采集的同時己經(jīng)確定了型材拉彎的應(yīng)變中性層位置，過程為:傳感器記錄臂向前轉(zhuǎn)動，將拉線連接到模具上，啟用傳感器記錄模式，控制轉(zhuǎn)臂向后轉(zhuǎn)至采集前根據(jù)模具彎曲角度而人工設(shè)定的彎曲極限。拉線保持繃緊，帶動拉伸缸伸長或縮短，與此同時，機(jī)床傳感器記錄了夾鉗軌跡控制參數(shù)，即轉(zhuǎn)臂位置角及對應(yīng)的拉伸缸位置，數(shù)控程序生成后，機(jī)床便能自動完成零件拉彎成形。
2. 3數(shù)控拉彎成形
數(shù)控拉彎成形時的具體操作如下。
(1)在零件設(shè)置頁面填寫拉彎工藝參數(shù)，并保存程序文件，設(shè)備歸零。
(2)把零件放入夾頭，使零件恰好與模具邊線接觸。
(3)夾緊零件。在主操作臺面按下“緊貼”鍵，以適配零件夾緊力。按鈕指示燈不停閃爍，直到恰好符合適配噸位才保持高亮，示意操作員適配完成。
(4)移動零件。夾緊完成后，根據(jù)需要可以移動零件，實現(xiàn)重新排布。
(5)預(yù)拉伸。在主操作臺界面點(diǎn)“預(yù)拉伸”按鈕，可以對零件進(jìn)行預(yù)拉伸。預(yù)拉伸按鈕指示燈不停閃爍直到預(yù)拉伸完成才保持高亮，示意操作員機(jī)械已經(jīng)處于預(yù)拉伸結(jié)束狀態(tài)。
(6)循環(huán)運(yùn)行。在主操作臺界面點(diǎn)“循環(huán)運(yùn)行”，則開始彎曲。擺動機(jī)械臂開始向正常彎曲極限位置運(yùn)動。當(dāng)擺動機(jī)械臂到達(dá)正常的彎曲極限位置時，將停止運(yùn)動，循環(huán)按鈕指示燈將保持高亮，示意操作員彎曲成形己完成。
(7)補(bǔ)拉伸。在主操作界面點(diǎn)“補(bǔ)拉伸”按鈕，實現(xiàn)零件補(bǔ)拉伸。
(8)松弛。在主操作界面點(diǎn)“松弛”按鈕，以釋放零件。松弛指示燈不停地閃爍，直至施加在零件上的力接近0才保持高亮，示意操作員機(jī)械處于放松狀態(tài)。
(9)在主操作面板上點(diǎn)“卸載”按鈕，夾頭會延遲25向外松開，釋放零件。從夾頭移開加工后的零件。
如果需要對零件程序進(jìn)行修改，可以在零件設(shè)置頁面或者零件編輯頁面對預(yù)拉伸、補(bǔ)拉伸進(jìn)行修改。總結(jié)數(shù)控拉彎成形流程。
3主要成形工藝參數(shù)設(shè)定
由于零件之間的差異很大，因此在剛開始加工一個特定零件時，沒有完整的、按部就班的方法去設(shè)置機(jī)床參數(shù)。成形速度、預(yù)拉伸量、最終補(bǔ)拉伸量直接取決于以下因素:
(1)用于成形的零件材料是板料還是擠壓型材;
(2)型材的橫截面形狀;
(3)成形零件的輪廓形狀;
(4)成形零件的硬度/韌度值;
(5)材料是在初始成形之后進(jìn)行熱處理還是在再成形的時候進(jìn)行熱處理。 對于鋁合金擠壓型材可采用如下工藝參數(shù)進(jìn)行拉彎。
4設(shè)備成形力分析能
眾所周知，成形零件時拉伸缸的拉力值不能超過最大拉力值30 t。這可通過成形材料的橫截面面積乘以其屈服強(qiáng)度得到。此外，設(shè)備成形能力還與成形零件時轉(zhuǎn)臂的最大彎矩有關(guān)。 需要注意的是，代表材料拉伸線的直線在轉(zhuǎn)臂樞軸中心的內(nèi)側(cè)，且與樞軸中心有一段距離。安裝在工作臺上的較寬模具，需要注意的是，代表材料拉伸線的直線在轉(zhuǎn)臂樞軸中心的外側(cè)，且與樞軸中心有一段距離F。對于介于二者之間的模具，會有兩種情況。在成形操作開始時，材料的拉伸線在轉(zhuǎn)臂樞軸中心的內(nèi)側(cè)。隨著材料沿著模具彎曲，F(xiàn)值逐漸減小，當(dāng)材料的拉伸線越過轉(zhuǎn)臂樞軸中心點(diǎn)時，F(xiàn)值為0。隨著材料的進(jìn)一步彎曲，F(xiàn)轉(zhuǎn)換為G，隨后G值逐漸增大到最大值。
為了計算G與F值，繪出一個簡單的草圖，且繪制步驟如下:
(1)畫出一條與模具的前端相切、且與模具后端平行的直線，并將這條直線定義為參考線;
(2)畫出與參考線垂直的、模具成形的中心線;
(3)在參考線上畫出一個點(diǎn)，該點(diǎn)與模具成形的中心線相距457.2 mm，此點(diǎn)為轉(zhuǎn)臂的樞軸中心;
(4)畫出一條與模具相切的線，并給出最大距離G與F，這條直線為材料拉伸線;
(5)繪制出一個圓，其圓心為轉(zhuǎn)臂樞軸的中心，原材料長度L。的1 /2加上1397 mm為該圓的半徑。該圓與材料拉伸線的交點(diǎn)近似于液壓傳動缸的樞軸點(diǎn)，并將該點(diǎn)定義為0點(diǎn);
(6)再繪出一個圓，其圓心為0點(diǎn)，轉(zhuǎn)臂的中通心線與液壓傳動缸軸線之間距離的值為該圓的半徑。a半徑值介于203-355 mm之間，取決于托架的位置;
(7)繪制出一條直線，該直線通過參考線上轉(zhuǎn)口臂樞軸的中心，且與第6步中繪制的圓相切。該直線代表轉(zhuǎn)臂的中心線，轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)角度為轉(zhuǎn)臂中心手線與參考線之間的夾角;
(8)測量該角度，然后在草圖中標(biāo)注出來。
5實例分析
5.1框類型材數(shù)控拉彎技術(shù)
飛機(jī)主框緣條為Y型材，作為球面框的主承力件，主要用于球皮固定、平衡和傳遞由球皮張力產(chǎn)生的縱向(航向)分力，同時還肩負(fù)著機(jī)身長度的對接以及機(jī)身扭矩的傳遞功能。主框緣條外表面與機(jī)身理論外形配合，立筋面與球皮外形配合，單個零件需要同時保證兩個復(fù)雜雙曲率外形，且角度、外形流線度要求高。數(shù)控型材拉彎技術(shù)克服了Y型材零件生產(chǎn)時的諸多技術(shù)難題，如:變曲率變截面Y型材容易截面畸變;角度和主框緣條面的平度達(dá)不到要求;腹板面起皺，需要較大的拉伸量，致使型材截面變窄加劇;淬火后型材嚴(yán)重扭曲變形，需要反復(fù)手工校形;冷作硬化現(xiàn)象嚴(yán)重;回彈較大等回。該技術(shù)也推動了國內(nèi)Y型材零件由轉(zhuǎn)包到自主批量制造的轉(zhuǎn)變。
5. 2鋁鋰合金緣條型材數(shù)控拉彎技術(shù)
鋁鋰合金作為一種先進(jìn)輕量化結(jié)構(gòu)材料，以其密度低、彈性模量高、比強(qiáng)度和比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕及焊接性能好等優(yōu)異的綜合性能被用于航空零件的制造，如框緣類零件。然而鋁鋰合金因室溫塑性差、屈強(qiáng)比高、各向異性明顯的特點(diǎn)使其冷加工易開裂、成形困難。數(shù)控拉彎成形技術(shù)能成形屈強(qiáng)比大的彎曲零件，且彎曲精度高、回彈小，解決了鋁鋰合金型材的拉彎成形難題。零件成形一致性良好，平度達(dá)到制造要求。實現(xiàn)了國內(nèi)首次鋁鋰合金型材的拉彎成形，推動鋁鋰合金在未來航空制造中的使用。
6型材拉彎成形技術(shù)發(fā)展趨勢
(1)拉彎成形性評估系統(tǒng)。隨著并行工程的應(yīng)用，為縮短零件的研制周期，提高設(shè)計的可制造性，制造部門提前介入到產(chǎn)品的設(shè)計階段。這就需要拉彎成形性評估系統(tǒng)，以確保能夠制造出設(shè)計的零件。
(2)模具回彈補(bǔ)償修正。隨著民用飛機(jī)的發(fā)展，在提高制造精度的同時，應(yīng)盡量減少手工敲修量，以提高使用壽命。在過去，由于手動控制拉彎機(jī)控制精度低，零件重復(fù)性差，工藝人員一般不修模，而是按產(chǎn)品外形設(shè)計拉彎模具型面�，F(xiàn)在，由于數(shù)控拉彎機(jī)控制精度高，零件一致性好，給拉彎成形模具回彈修正帶來了契機(jī)。為提高拉彎零件的生產(chǎn)效率，未來的航空企業(yè)將和汽車企業(yè)一樣，對拉彎模具回彈補(bǔ)償修正，使模具調(diào)試后生產(chǎn)的零件符合檢驗要求，而不需要人工修校。
(3)數(shù)字化拉彎成形。為實現(xiàn)高精度的拉彎成形，數(shù)字化拉彎成形技術(shù)成為主要的發(fā)展方向。通過拉彎工藝數(shù)模數(shù)字化設(shè)計、成形性能數(shù)字化評估、拉彎過程數(shù)值模擬、拉彎成形回彈計算、拉彎模具回彈補(bǔ)償修正、拉彎成形工藝參數(shù)計算以及相關(guān)經(jīng)驗知識有效存儲和檢索等數(shù)字化拉彎成形技術(shù)的應(yīng)用，拉彎工藝設(shè)計人員、拉彎工裝設(shè)計人員和拉彎現(xiàn)場操作人員緊密聯(lián)系起來，實現(xiàn)知識的共享和重復(fù)利用，不斷提高技術(shù)水平，降低開發(fā)成本，縮短拉彎零件的研制周期。
(4)另外，新的拉彎成形工藝方法也不斷涌現(xiàn)，為降低模具開發(fā)成本而出現(xiàn)了離散模拉彎成形技術(shù)，為降低高強(qiáng)度材料的拉彎成形力、減少回彈而出現(xiàn)了電塑性拉彎成形和加熱拉彎成形。
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