毕业论文范文——大曲率高翻边钣金零件橡皮成形起皱控制研究

西安航空职业学院毕业论文大曲率高翻边钣金零件橡皮成形起皱控制研究姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 【摘要】起皱是橡皮液压成形三大缺陷之一，多发生在大曲率高翻边的钣金零件上。现消除方法多以工人手工成形为主，继而进行橡皮液压校形，零件表面质量差，工人劳动强度大。大飞机固定前缘安装着一系列鱼头状钣金隔板件，曲率大、翻边高，成形困难，易起皱。借助于PAMSTAMP模拟软件建立有限元模型，对大曲率高翻边钣金件橡皮成形褶皱等缺陷进行数值分析，探讨侧压块模具结构与压边圈模具结构对橡皮成形消皱技术的影响效果，摸索和确定展开毛坯、模具结构、橡皮硬度等的最佳数值，并以实验加以验证，最终形成了一种可直接采用无余量展开毛坯完整机械加工凸弯边零件的橡皮成形技术，实现了大曲率、高翻边零件的无皱橡皮精确成形。 关键词：橡皮成形；铝合金 ；凸弯边；数值模拟；起皱 近些年，国内航空领域钣金成形机械化程度越来越高，液压橡皮囊成形工艺作为一种先进的柔性板料成形技术，以它操作便捷、工装成本低、表面质量高等诸多优势越来越受青睐，特别适合多品种小批量的产品生产1-2。钣金零件“凸”弯边特征又称压缩弯边3，是飞机制造中常见结构，该类零件在成形过程中弯边区毛料会因收缩变形过大而起皱。通常凸形弧度越大、翻边越高，成形中弯边区毛料收缩变形越剧烈、越容易出现褶皱、甚至死皱。在航空企业，通常将凸型曲率半径小于200mm、翻边高度大于25mm的钣弯零件界定为“大曲率、高翻边”类零件，现加工方法多以工人手工成形为主，而手工成形钣金零件不得不依赖于榔头的频繁敲击来实现，零件表面锤痕明显、工人劳动强度大、成形精度低、材料出现冷作硬化趋势，内部残余应力对飞机安全可靠性造成一定威胁。目前控制凸弯边起皱的方法很多，应用比较广泛的是侧压块方法3，此方法考虑的因素较多：侧压块的角度、侧压块与模具主体间距、侧压块模具转角半径、零件凸曲线弧度、翻边高度、初始坯料大小、材料厚度、成形压力、橡皮特性等都会影响最终成形结果，每一项零件的研究成果不具备代表性，为此一直没有一个定性结论。 数值模拟是预测板料成形缺陷非常有效的手段4，本文以PAMSTAMP软件为基础，对大飞机系列大曲率高翻边隔板零件的橡皮液压成形过程进行模拟，探讨侧压块模具结构与压边圈模具结构对橡皮成形消皱技术的影响效果，并以实验验证。1 零件分析图1为一系列大曲率、高翻边钣金结构件，该类型隔板件在大飞机固定前缘部位普遍存在，沿翼展方向分布、曲率渐进增大、结构类似“鱼头状”。 图1 隔板零件示意及装配 Fig.1 Photo of diaphragm and assemble 任选其中一项隔板件，拟合“鱼头状”外廓最大曲率约为R88mm，通过计算凸弯边成形系数可以判断弯边橡皮成形不产生皱褶的最大变形程度。图2 隔板零件外廓拟合曲率示意Fig.2 The curvature of the outer edge of diaphragmK=H/(R+H) (1) 式中K弯边系数H弯边高度，25mmR外廓曲率，88mm经计算K=22.1%，近乎凸弯边极限弯边系数Ke5的2倍，查表得，H约为无褶皱最大弯边高度的2.5倍。2 数值模拟2.1 材料参数材料为2A12-O-1.2mm，参数如表1所示。表1 2A12-O-1.2mm材料参数杨氏模量泊松比屈服强度硬化指数材料加工硬化系数 E(GPa)s (MPa) nK(GPa)730.33720.2330.3262.2 数值模拟模型借助PAM-STAMP有限元分析软件分析鱼头类零件凸弯边橡皮成形缺陷。有限元模型按工艺实际设计，包含成形模具、初始毛坯、覆盖橡皮、设备平台，如图3所示。初始毛坯利用INVERS模块的坯料反算功能模拟得到。模型中成形模具、设备平台作为刚体，展开板料作为变形体，橡皮则假设为超弹性变形材料；整个橡皮成形过程中，施加压力为30MPa。图3 模拟模型 Fig.3 FEM model 2.3 首次橡皮成形模拟结果与分析一般对于高翻边零件的橡皮成形仿真计算，模拟时间会相对较长，在设计模具时应注意外形光滑流线，非工作区的过渡转角半径尽量5mm，避免橡皮长时间受压出现单元网格畸变破裂，导致计算失败。模拟结束，从隔板零件材料厚度变化云图显示，平面区域材料厚度几乎没有改变，转角区域在曲率最大处及下陷突起处材料出现少许变薄，最大变薄量不超过原材料厚度的11%，而弯边区域材料显示出五个不同层次的增厚，弯边边缘出现波浪式褶皱，材料最大增厚区发生在“鱼头状”头部1/2弯边处，最大增厚量为0.41mm，约占原材料厚度的33.3%，远远超出了文献中规定材料厚度不大于20%的变化范围6。图4 数值模拟的材料厚度变化云图Fig.4 Simulation thickness distribution 模拟结论，隔板零件直接进行橡皮成形会出现无法修复的褶皱，必须从研究模具结构入手，改变弯边材料各向受压状态，使此部分材料在橡皮液压过程中始终受到支撑，不再起皱。2.4 橡皮成形消皱技术 侧压块消皱应用广泛,但它存在一定的弊端，即就是初始毛坯必须留有足够的工艺余量，才能实现材料拉伸变形，这就带来了后续大量的手工切割、榔头修整工作，为此我们以橡皮精确成形为目标，探讨隔板件橡皮成形消皱技术。 2.4.1 侧压块模具消皱带侧压块的模具结构可以较好的控制凸弯边起皱7，其工作原理主要是利用板料与侧压块之间存在摩擦力来改变弯边材料的受力状态，使原来只受压应力的凸弯边，在受到侧压块的附加拉应力作用，削弱了压应力量值，从而起到减少皱褶出现的可能。图5 测压块模具消皱原理图Fig.5 The principle of the side pressure block mold 影响侧压块的因素很多，如图5中侧压块的角度a、侧压块与模具主体间距d、侧压块转角半径R、以及与零件相关的初始搭接余量L、凸形弧度、翻边高度、材料特性等诸多因素8，由于不定因素较多、规律难寻，导致文献中侧压块消皱技术不能量化，研究成果不具备代表性。依据图5中重要因素制定了三套侧压块模具设计方案，如表2所示，借助仿真技术预测消皱效果，从而判定各项工艺参数的准确度和实验方案的可行性。表2 侧压块防皱试验设计方案序号转角半径/R (mm)底部间距/d （mm）搭接余量/L (mm)倾斜角度/a（度）a5352055b8351055c5251060在侧压块消皱成形模拟中，初始板料搭接在侧压块上，侧压块、型胎、覆盖橡皮三者间形成一个封闭楔型空腔，随着橡皮加压，搭边部分的材料被夹紧在侧压块上，发生变形的橡皮使楔型空腔中的悬空材料承受较大拉应力，伴随着楔型空间的减小，板料渐进成形出型胎形状。模拟显示，方案a搭边余量为20mm时，板料所受摩擦力过大，限制了弯边材料向内的补给，导致板料几乎被模具较小的工作转角切断。方案b当模具楔型空腔底部间距设定为35mm时，模拟动画显示有更多的材料参与变形，等同于增大了材料的悬空区域，材料抗失稳能力变差，更易起皱。综合考虑，方案c模拟效果较好，侧压块对材料的拉伸作用明显。 （a）（b）（c）图6 不同方案厚度变化云图Fig.6 Simulation results with different methods2.4.2 压边模具消皱为了解决侧压块消皱方法无法利用展开毛坯成形的缺陷，以及对成形大曲率翻边件的结构限制，减少手工操作，借鉴拉深成形压边圈的工作原理探讨一种带压边圈的防皱模具结构。防皱压边模具如图7所示，由容框、成型模、压板、压边圈和橡皮垫块组成，容框为一长方体框架，包围着成型模，成型模的工作面与容框内壁之间围成一个“马鞍形”成型腔，压板和压边圈外形轮廓与成型腔匹配；在容框的成型空腔底部放置有可压缩的锯齿状橡皮垫块。压板与压边圈夹持着板料放置于橡皮垫块之上9。（a）（b）图7 防皱压边模具结构示意（a）上部（b）下部Fig.7 The blank holder die structure(a) The upper part (b)The lower part 采用消皱模具结构使板料翻边部分材料在橡皮液压过程中始终受到支撑，使原来只受压应力的弯边材料被较多地拉应力取代，从而不再起皱。成形过程中模具容框内橡皮被挤压，产生压缩变形，固定在其上的压板和压边圈随之下移，夹持在压板和压边圈之间的弯边材料受到刚性拉深，避免起皱和回弹。防皱压边模具在设计结构上需要注意三点：橡皮垫块总高H不得低于零件翻边高度的两倍；橡皮垫块锯齿间距DH/2，一般不得小于30mm，这样阻止压板、压边圈下行力会减小；锯齿的形状应能始终保持压边圈的的平稳下行。3 试验3.1 模具制造依据前期防皱理论研究成果，制造完成侧压块成形模具和压边消皱组合模，如图8所示。（a）（b）图8 两种防皱模具结构实照（a） 侧压块防皱模具 （b）压边圈防皱模具 Fig.8 Two kinds of anti-wrinkle die structure(a)Side pressure block mold (b)Blank holder die3.2 成形试验为了验证前期研究成果，依据模拟环境，制定了两组防皱试验方案，如表3所示。 表3 隔板零件橡皮成形防皱试验方案序号防皱方式成形压力（MPa）校形压力（MPa）工艺参数1防皱压边 模具353055邵氏硬度橡皮353037邵氏硬度橡皮2侧压块 模具3020mm搭边余量3015mm搭边余量3010mm搭边余量305mm搭边余量3.2.1 压边防皱试验 锯齿型橡皮垫块制作工艺繁琐，为此简化为多个橡皮条取代其成形。首先在容框底部均匀填放长短不一的橡皮条，保证间距30mm。如图9所示。其次安放压边圈，压边圈需与型胎平齐，压边圈上表面刷涂润滑油，减小摩擦；然后放置板料，销钉固定。如图10所示。图9 填放橡皮条的容框Fig.9 Strip of filling in the rubber 图10 压边圈与板料放置位置示意Fig.10 The location of blank holde and sheet matal 试验发现，邵氏硬度55的橡皮垫块抗压缩能力强，零件最大成形高度仅为10mm，如图11所示，即使增大液压机成形压力，也无法改变压边圈下降高度，因而橡皮硬度以及是否有开敞流动空间对此种消皱方法至关重要。图11 邵氏硬度55的橡皮防皱压边成形效果Fig.11 Forming effect of shore hardness 55邵氏硬度37的橡皮垫块柔软度明显提高，首次成形压力35MPa，成形后弯边边缘受压板和压边圈间的切向拉应力而出现反弯，再次利用型胎液压校形，校形压力30MPa，缺陷消除，零件最终成形高度为30mm，弯边光滑无褶皱，经检测，外形尺寸合格，如图12所示。图12 邵氏硬度37的橡皮防皱压边成形效果Fig.12 Forming effect of shore hardness 373.2.2 压边圈防皱试验首次试验，板料搭边余量为20mm，实验失败，较宽的搭边余量被橡皮牢牢地压实在侧压块上没有移动，板料被模具较小的工作转角切断，一分为二，与模拟方案a类似，如图13所示。图13 搭边余量20mm侧压块防皱试验效果Fig.13 Test results of 20mm allowance 二次试验，展开毛料搭边余量约为15mm，压边圈表面刷涂润滑油，此次侧压块作用明显，余量部分按预期成形步骤沿侧压块一步步弯折，使直立边直接靠实模具主体，不足之处余量局部较大，对于弧度较缓处弯边光滑无皱，而对于弧度较急处富裕的材料来不及充分收缩而形成大小不一的褶皱，如图14所示。图14 搭边余量15mm侧压块防皱试验效果Fig.14 Test results of 15mm allowance再次试验，展开毛料边缘恰好放置于侧压块的转角交线处，搭边余量为5mm，侧压块起到了一定的作用，但由于压边量较小，起初按侧压块下滑的毛料失去依托，径直收缩变形压靠于模具，弯边底部出现修复不了的褶皱，如图15所示。图15 搭边余量5mm侧压块防皱试验效果Fig.15 Test results of 5mm allowance最终试验，搭边余量约为10mm，此次试验比较成功，弯边工作部分尺寸流线，底部有一圈需要去除的裙边褶皱，由于覆盖橡皮无法进入楔形空腔，弯边贴胎效果不好，零件经切割后，手工修整后，贴胎度0.5mm，如图16所示。图16 搭边余量10mm侧压块防皱试验效果Fig.16 Test results of 10mm allowance4 结论（1）通过对凸曲率、大翻边零件橡皮消皱技术的模拟分析和探索试验，提出了一种防皱压边模具结构和橡皮成形方法，可以使用净边的展开毛坯成形，实现消皱回弹同时保证，从经济性、工艺性上优于侧压块消皱方法。（2）借助数值模拟技术，较好的掌握了凸形、高翻边零件侧压块模具结构设计，固化了隔板件侧压块模具关键尺寸，并开展试验鉴证了毛料的最佳搭边余量为10mm，有效地解决了高翻边零件起皱问题，避免了材料反复敲打出现冷作硬化现象。（3）对橡皮消皱技术有了深刻认识，橡皮柔韧性大，但超过40%的压缩量有损橡皮回复，实施防皱压边的辅助橡皮垫块邵氏硬度不得高于40,这样才能产生较大的下降空间，且锯齿型橡皮压缩量能达到相应矩形块状橡皮的一倍以上。 参考文献1 中国锻压协会航空航天钣金冲压件制造技术M北京：机械工业出版社，2013: 81-92 2 付云方，高霖，王辉橡皮囊成形的研究进展J中国制造业信息化，2009, 38(7): 59-63,66 Fu Yunfang, Gao Lin, Wang Hui. A review of research on rubber bladder forming J. Machine Design and Manufacturing Engineering, 2009, 38(7): 59-63,663 唐荣锡飞机钣金工艺M北京: 国防工业出版社，1983: 54-58 4 李泷杲主编金属板料成形有限元模拟基础M北京: 北京航空航天大学出版社， 2008: 4-10 5航空制造工程手册总编委会航空制造工程手册飞机钣金工艺M北京:航空工业出版社，1992: 442-444 6 胡正寰，夏巨谌金属塑性成形手册M北京: 化学工业出版社, 2009:11-25 7 陈磊，邱晞，李善良，等橡皮液压凸弯边成形试验与分析研究J锻压技术，2007, 32(6): 58-60 Chen Lei, Qiu Xi, Li Shanliang, et al. Experrmental study and analysis on shrink flanging in rubber fluid forming J. Forging & Stamping Technology, 2007, 32(6): 58-608 贾敏，白颖，许海燕，等钛合金板料橡皮高压冷成形起皱数值模拟与控制研究J锻压技术，2014, 39(6): 132-136 Jia Min, Bai Ying, Xu Haiyan, et al. Nu