數控拉彎機在飛機框緣類(lèi)型材成形中的應用分析論文
第二次世界大戰中，各國致力于提高飛機的性能和產(chǎn)量，因而產(chǎn)生了不少新的工藝方法和機床設備，轉臺拉彎機就是這一時(shí)期的產(chǎn)物。20世紀50年代，拉彎機得到很大的發(fā)展，結構和性能日趨完善。美國發(fā)動(dòng)朝鮮戰爭后，美國各主要飛機、直升機、導彈、發(fā)動(dòng)機制造廠(chǎng)紛紛購置拉彎機。60年代，拉彎機的液壓裝置和控制系統得到改進(jìn)，使產(chǎn)品質(zhì)量更加穩定，操作更加方便。目前拉彎機已推廣至汽車(chē)、火車(chē)、高鐵、電梯、升降機、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(shí)加以切向拉力、以改變工件截面內的應力狀態(tài)的一種彎曲工藝。拉彎與普通彎曲的區別在于:普通彎曲時(shí)中性層基本不變，而拉彎時(shí)中性層內移，甚至內移至內側或移出內側表面。當最內層截面上的應力達到或超過(guò)材料的屈服應力時(shí)，回彈明顯減小，從而提高了零件的成形精度。飛機上的框緣、機身前后段和發(fā)動(dòng)機短艙的長(cháng)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。它們組成飛機骨架的受力零件，直接影響到飛機的氣動(dòng)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(lèi)零件。
典型的型材拉彎成形控制方法有力控制、應變控制和位移控制。型材拉彎成形過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題有回彈、破裂、起皺和截面畸變等，分析解決以上問(wèn)題的方法有試驗研究、理論解析和數值模擬等。拉彎機與拉彎模具是生產(chǎn)拉彎產(chǎn)品的關(guān)鍵裝備，按照設備工作方式，拉彎機分為轉臺式拉彎機和轉臂式拉彎機兩類(lèi)。由于數控拉彎機的精確和可重復運動(dòng)控制，保證了成形零件的一致性，目前在航空工業(yè)中數控轉臂式拉彎機被廣泛采用。法國ACB、美國Cyril Bath和L&F Industries公司生產(chǎn)的轉臂式數控拉彎機最大拉伸力可達到300 kN。
本文針對L & F Industries公司的A -7B位移控制轉臂式數控拉彎機，從拉彎機床結構、成形過(guò)程、工藝參數設定和成形能力方面介紹數控型材拉彎機，并以典型實(shí)例闡述國內飛機框緣類(lèi)型材數控拉彎成形技術(shù)現狀。
1轉臂式數控拉彎機床結構
L & F Industries公司的A-7B數控拉彎機，是30 kN通用拉彎成形設備。
A -7B轉臂式拉彎機工作臺固定不動(dòng)，在臺面兩側的轉軸上各裝一轉臂，左右轉臂上通過(guò)托架組件各裝了一拉伸缸，拉伸缸在轉臂上的位置可以調節，以適應不同的毛料長(cháng)度。在拉伸缸的端頭，裝有液壓夾鉗以?shī)A緊毛料。轉臂由裝在床身上的轉臂缸帶動(dòng)轉動(dòng)。2個(gè)轉臂既能分別轉動(dòng)，又可同時(shí)轉動(dòng)。模具裝在工作臺上，應使模具的對稱(chēng)軸線(xiàn)與機床的縱軸線(xiàn)重合。托架裝置裝有手動(dòng)橫向滑塊，每個(gè)托架都可手動(dòng)控制，并可獨立沿垂直于轉臂方向橫向滑動(dòng)，從而實(shí)現拉伸缸的橫向移動(dòng)。拉伸缸安裝在托架上，可沿轉臂運動(dòng)。此外，在機床每一個(gè)拉伸缸拖架上安裝了控制箱，以控制夾頭開(kāi)閉和拉伸缸的伸縮運動(dòng)。液壓動(dòng)力單元由一套集成的泵/馬達組成，用來(lái)提供必要的動(dòng)力，包含一個(gè)油箱、換氣裝置、位視測量?jì)x和油位開(kāi)關(guān)。
在成形前，4個(gè)缸體(左右轉臂缸和左右拉伸缸)協(xié)調運動(dòng)，實(shí)現模具輪廓記錄，用于生成數控程序。工作時(shí)先將轉臂向前展開(kāi)，毛料的兩端用液壓夾頭夾緊;然后開(kāi)動(dòng)拉伸缸使毛料拉伸。2個(gè)拉伸缸的拉力相同，以免發(fā)生竄動(dòng)。當拉伸力達到規定的數值后，2個(gè)轉臂向后轉動(dòng)，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)行補拉，從而減小零件回彈。
中央操作控制面板安裝在機床前面，包括操作按鈕、開(kāi)關(guān)、指示燈、電位計和急停。自由放置的控制器上裝有一個(gè)電源和警示面板、操作按鍵和機床各種系統的操作監控。
2數控型材拉彎成形過(guò)程
數控型材拉彎成形的典型步驟如下。
2. 1成形準備
成形準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(dòng)立柱來(lái)安裝定位，必要時(shí)可在模具底部放置墊塊，以保證合適的高度。
模具應正確安裝在設備上，以便分布成形零件時(shí)的載荷，這是非常重要的。
(1)畫(huà)出模具俯視圖以便安裝規劃;
(2)畫(huà)出一條與模具前端相切、且與模具后端平行的直線(xiàn)。將這條直線(xiàn)定義為參考線(xiàn)，轉臂的銷(xiāo)軸中心位于該直線(xiàn)上;
(3)畫(huà)出與模具的兩端相切(切點(diǎn)為A和B) ,且通過(guò)參考線(xiàn)的直線(xiàn)，這兩條直線(xiàn)與參考線(xiàn)的交點(diǎn)為C和D;
(4)等分線(xiàn)段CD，線(xiàn)段CD的中點(diǎn)定義為E點(diǎn);
(5)畫(huà)一條通過(guò)E點(diǎn)、且與參考線(xiàn)垂直的直線(xiàn)，這是模具成形的中心線(xiàn)，應與設備的中心線(xiàn).
2. 2數控程序模具采集
數控程序主要指拉伸缸隨著(zhù)擺臂轉動(dòng)中的位置。A -7B轉臂式數控拉彎機，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(shí)己經(jīng)確定了型材拉彎的應變中性層位置，過(guò)程為:傳感器記錄臂向前轉動(dòng)，將拉線(xiàn)連接到模具上，啟用傳感器記錄模式，控制轉臂向后轉至采集前根據模具彎曲角度而人工設定的彎曲極限。拉線(xiàn)保持繃緊，帶動(dòng)拉伸缸伸長(cháng)或縮短，與此同時(shí)，機床傳感器記錄了夾鉗軌跡控制參數，即轉臂位置角及對應的拉伸缸位置，數控程序生成后，機床便能自動(dòng)完成零件拉彎成形。
2. 3數控拉彎成形
數控拉彎成形時(shí)的具體操作如下。
(1)在零件設置頁(yè)面填寫(xiě)拉彎工藝參數，并保存程序文件，設備歸零。
(2)把零件放入夾頭，使零件恰好與模具邊線(xiàn)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(dòng)零件。夾緊完成后，根據需要可以移動(dòng)零件，實(shí)現重新排布。
(5)預拉伸。在主操作臺界面點(diǎn)“預拉伸”按鈕，可以對零件進(jìn)行預拉伸。預拉伸按鈕指示燈不停閃爍直到預拉伸完成才保持高亮，示意操作員機械已經(jīng)處于預拉伸結束狀態(tài)。
(6)循環(huán)運行。在主操作臺界面點(diǎn)“循環(huán)運行”，則開(kāi)始彎曲。擺動(dòng)機械臂開(kāi)始向正常彎曲極限位置運動(dòng)。當擺動(dòng)機械臂到達正常的彎曲極限位置時(shí)，將停止運動(dòng)，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)補拉伸。在主操作界面點(diǎn)“補拉伸”按鈕，實(shí)現零件補拉伸。
(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(huì )延遲25向外松開(kāi)，釋放零件。從夾頭移開(kāi)加工后的零件。
如果需要對零件程序進(jìn)行修改，可以在零件設置頁(yè)面或者零件編輯頁(yè)面對預拉伸、補拉伸進(jìn)行修改�？偨Y數控拉彎成形流程。
3主要成形工藝參數設定
由于零件之間的差異很大，因此在剛開(kāi)始加工一個(gè)特定零件時(shí)，沒(méi)有完整的、按部就班的方法去設置機床參數。成形速度、預拉伸量、最終補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(shí)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進(jìn)行拉彎。
4設備成形力分析能
眾所周知，成形零件時(shí)拉伸缸的拉力值不能超過(guò)最大拉力值30 t。這可通過(guò)成形材料的橫截面面積乘以其屈服強度得到。此外，設備成形能力還與成形零件時(shí)轉臂的最大彎矩有關(guān)。 需要注意的是，代表材料拉伸線(xiàn)的直線(xiàn)在轉臂樞軸中心的內側，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(xiàn)的直線(xiàn)在轉臂樞軸中心的外側，且與樞軸中心有一段距離F。對于介于二者之間的模具，會(huì )有兩種情況。在成形操作開(kāi)始時(shí)，材料的拉伸線(xiàn)在轉臂樞軸中心的內側。隨著(zhù)材料沿著(zhù)模具彎曲，F值逐漸減小，當材料的拉伸線(xiàn)越過(guò)轉臂樞軸中心點(diǎn)時(shí)，F值為0。隨著(zhù)材料的進(jìn)一步彎曲，F轉換為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(gè)簡(jiǎn)單的草圖，且繪制步驟如下:
(1)畫(huà)出一條與模具的前端相切、且與模具后端平行的直線(xiàn)，并將這條直線(xiàn)定義為參考線(xiàn);
(2)畫(huà)出與參考線(xiàn)垂直的、模具成形的中心線(xiàn);
(3)在參考線(xiàn)上畫(huà)出一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)與模具成形的中心線(xiàn)相距457.2 mm，此點(diǎn)為轉臂的樞軸中心;
(4)畫(huà)出一條與模具相切的線(xiàn)，并給出最大距離G與F，這條直線(xiàn)為材料拉伸線(xiàn);
(5)繪制出一個(gè)圓，其圓心為轉臂樞軸的中心，原材料長(cháng)度L。的1 /2加上1397 mm為該圓的半徑。該圓與材料拉伸線(xiàn)的交點(diǎn)近似于液壓傳動(dòng)缸的樞軸點(diǎn)，并將該點(diǎn)定義為0點(diǎn);
(6)再繪出一個(gè)圓，其圓心為0點(diǎn)，轉臂的中通心線(xiàn)與液壓傳動(dòng)缸軸線(xiàn)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(xiàn)，該直線(xiàn)通過(guò)參考線(xiàn)上轉口臂樞軸的中心，且與第6步中繪制的圓相切。該直線(xiàn)代表轉臂的中心線(xiàn)，轉臂的旋轉角度為轉臂中心手線(xiàn)與參考線(xiàn)之間的夾角;
(8)測量該角度，然后在草圖中標注出來(lái)。
5實(shí)例分析
5.1框類(lèi)型材數控拉彎技術(shù)
飛機主框緣條為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(shí)還肩負著(zhù)機身長(cháng)度的對接以及機身扭矩的傳遞功能。主框緣條外表面與機身理論外形配合，立筋面與球皮外形配合，單個(gè)零件需要同時(shí)保證兩個(gè)復雜雙曲率外形，且角度、外形流線(xiàn)度要求高。數控型材拉彎技術(shù)克服了Y型材零件生產(chǎn)時(shí)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;淬火后型材嚴重扭曲變形，需要反復手工校形;冷作硬化現象嚴重;回彈較大等回。該技術(shù)也推動(dòng)了國內Y型材零件由轉包到自主批量制造的轉變。
5. 2鋁鋰合金緣條型材數控拉彎技術(shù)
鋁鋰合金作為一種先進(jìn)輕量化結構材料，以其密度低、彈性模量高、比強度和比剛度高、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(lèi)零件。然而鋁鋰合金因室溫塑性差、屈強比高、各向異性明顯的特點(diǎn)使其冷加工易開(kāi)裂、成形困難。數控拉彎成形技術(shù)能成形屈強比大的彎曲零件，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，平度達到制造要求。實(shí)現了國內首次鋁鋰合金型材的拉彎成形，推動(dòng)鋁鋰合金在未來(lái)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。隨著(zhù)并行工程的應用，為縮短零件的研制周期，提高設計的可制造性，制造部門(mén)提前介入到產(chǎn)品的設計階段。這就需要拉彎成形性評估系統，以確保能夠制造出設計的零件。
(2)模具回彈補償修正。隨著(zhù)民用飛機的發(fā)展，在提高制造精度的同時(shí)，應盡量減少手工敲修量，以提高使用壽命。在過(guò)去，由于手動(dòng)控制拉彎機控制精度低，零件重復性差，工藝人員一般不修模，而是按產(chǎn)品外形設計拉彎模具型面�，F在，由于數控拉彎機控制精度高，零件一致性好，給拉彎成形模具回彈修正帶來(lái)了契機。為提高拉彎零件的生產(chǎn)效率，未來(lái)的航空企業(yè)將和汽車(chē)企業(yè)一樣，對拉彎模具回彈補償修正，使模具調試后生產(chǎn)的零件符合檢驗要求，而不需要人工修校。
(3)數字化拉彎成形。為實(shí)現高精度的拉彎成形，數字化拉彎成形技術(shù)成為主要的發(fā)展方向。通過(guò)拉彎工藝數模數字化設計、成形性能數字化評估、拉彎過(guò)程數值模擬、拉彎成形回彈計算、拉彎模具回彈補償修正、拉彎成形工藝參數計算以及相關(guān)經(jīng)驗知識有效存儲和檢索等數字化拉彎成形技術(shù)的應用，拉彎工藝設計人員、拉彎工裝設計人員和拉彎現場(chǎng)操作人員緊密聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現知識的共享和重復利用，不斷提高技術(shù)水平，降低開(kāi)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，為降低模具開(kāi)發(fā)成本而出現了離散模拉彎成形技術(shù)，為降低高強度材料的拉彎成形力、減少回彈而出現了電塑性拉彎成形和加熱拉彎成形。
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