数控渐进成形技术在航空钣金件上的应用

板材成形技术在航空航天、汽车、兵器等工业中占据非常重要的地位。以飞机制造为例，据统计，板材零件数量占整架飞机零件总数量的50%，其数量在战斗机中超过1万件，轰炸机中超过4万件，大型运输机和干线客机中达6万件之多，可见，板材构件成形对飞机制造的质量、周期和成本有着相当重要的影响。然而，随着航空航天等高新产业的快速发展，在先进飞机、航天器、样机及高端武器装备的制造中，高性能、轻量化、变批量的复杂形状薄壁板材件的交货期和产品质量面临更高的要求，对现有的板材成形技术提出了新的挑战。比较有代表性的先进航空板材成形技术主要有冲压成形、喷丸成形和超塑成形，但是由于上述技术的成形特点，无法很好地满足航空钣金件的要求。目前，航空钣金件的制造依然主要采用传统的冲压成形，但是由于航空钣金件具有形状复杂、多品种、小批量的特点，每成形一个零件都需要一套甚至数套模具，而模具制造费用高昂，设计与调试周期长，导致这种成形工艺的生产成本过高，无法满足型号快速研制的需求；喷丸成形技术是伴随着飞机整体壁板的应用，在喷丸强化工艺的基础上发展起来的一种新工艺方法，是飞机制造中成形整体壁板和整体蒙皮的主要方法之一。然而，该成形方法成形机理较为复杂，影响因素较多，使其工艺参数的选择依赖于庞大的实验数据和操作经验，耗时耗资；超塑成形/扩散连接（SPF/DB）法，由于其在减轻飞行器结构重量等方面的优越性，广泛应用于航空航天飞行器的壁板、叶片、翼等重要钣金结构件中。然而，超塑成形属于热成形，成形过程中材料的内部结构被重组，使材料的机械性能有所下降。此外，该技术成形工装超大、控温难、能耗大等问题限制了该技术在航空领域的进一步发展。数控渐进成形概述板材数控渐进成形工艺作为一种新兴的柔性无模板料成形技术，开发时间及经济成本要大大低于传统冲压技术，其引入快速原型制造技术中分层制造的思想，将复杂的三维数字模型沿高度方向离散成一系列等高层，并生成各等高线层上的加工轨迹，成形工具在计算机控制下沿加工轨迹移动，使板料沿成形工具的轨迹包络面逐次成形，通过对板料进行逐次局部变形代替整体变形，最终使板料成形为目标制件。渐进成形在小批量生产中具有巨大优势，扩大了板材成形手段。同时，航空钣金件产品具有多品种、小批量的特点，和数控渐进成形的生产模式相符。板料数控渐进成形原理金属板料数控渐进成形引入快速原型制造的分层制造思想，以成形工具走等高线的方式使板料逐次变形积累而产生整体变形，其成形过程如图1所示。首先将被加工板料置于一个简易支撑模型上，板料的四周被压板紧压在托板上，托板可沿导柱自由滑动，然后将该装置固定于渐进成形设备上。成形时，成形工具由数控系统控制，先走到指定位置，并对板料压下设定下压量，按照第一层轮廓的加工轨迹要求，以走等高线的方式对板料进行塑性加工。成形第一层轮廓后，成形工具再次压下设定下压量，按照第二层轮廓的轨迹要求运动，如此反复直至整个板料成形完毕。图1金属板材渐进成形原理图在板料数控渐进成形过程中，板料产生了渐进变薄拉延变形，导致板料厚度减薄，表面积增大。一般认为渐进成形后制件的壁厚符合正弦定律，即式中，t为成形后板料厚度；t0为成形前板料厚度；θ为板料成形面与垂直方向的夹角，称为半锥角。由正弦定律可知，成形半锥角θ越小，成形后的板料厚度t越小，板料越容易破裂。当θ达到某一极限值，变形区的板材就会发生破裂，此时θ的大小可作为板料成形是否破裂的判断值，称为成形极限半锥角。板料数控渐进成形工艺流程板料数控渐进成形技术作为一种新型的板料加工技术，与传统的板料成形工艺相比，实现了无模成形，易于实现设计与制造一体化，缩短了从产品设计到制造周期，能够适应灵活的市场需求。与其他无模成形相比，采用分层逐点成形，成形极限大，能充分利用材料的成形性能制造变形程度更大的制件，并且由于是局部成形，所需成形力小，设备能耗低，属于绿色加工。与快速成形技术相比，数控渐进成形虽然借鉴了该技术中的分层制造思想，但是将快速原型制造技术与塑性成形技术有机的结合了起来，填补了快速原型制造技术难以生产薄壁类零件的空白，并且成形后的制件可直接或经少量处理后便可投入使用。板料数控渐进成形工艺成形过程如下：⑴产品结构设计，在计算机上利用CAD软件构建制件的三维数字模型；⑵成形工艺设计，进行成形工艺的分析、规划、制造工艺辅助装置；⑶数控程序编程，利用CAM软件（如UG、CATIA等）对三维模型进行离散切片处理，并进行路径规划，生成NC代码；⑷机床加工成形，将NC代码输入计算机，控制成形设备成形出所需要的工件形状；⑸产品质量检查并进行后续处理，形成最终产品，其工艺流程简图如图2所示。图2板料数控渐进成形工艺流程图数控渐进成形技术应用实例航空钣金结构件具有品种繁多、变形程度大、形状复杂的特点，现以一个E形件，如图3所示的成形为例（孔由机加工完成，不在本文讨论范围之内），显示数控渐进成形工艺在成形大变形、形状复杂零件时的优势，以进一步显示该技术在航空领域的应用潜能。图3E形件三维图建模首先使用三维CAD软件建立E形件的三维模型，检查模型的成形角度。所选用的材料为铝合金，其成形极限角在65°～70°之间，成形时成形角度应不大于极限值，以防止成形过程材料发生破裂。经检查零件最大成形角度为60°在下端面处，未超过极限值，可以满足成形要求。E形件的具体尺寸如表1所示：表1E形件三维尺寸图4简易支撑模具制造支撑模具针对该E形件的制造，需要预先制作简易支撑模具。代木作为一种具有一定硬度、切削性能良好的非金属材料，是作为支撑模具材料的一个良好选择。制造支撑模具的数模可以用三维软件直接对E形件的模型内偏一个板料厚度得到。然后用UG-CAM模块生成加工程序,在三轴数控机床上加工出支撑模具如图4所示。试验所采用的设备为南京航空航天大学自主研制的数控渐进成形机床如图5所示，型号为NH-SK1060，最大加工范围为1000mm×600mm×550mm，其具体技术参数如表2所示。图5南京航空航天大学自主研制的数控渐进成形机床表2NH-SK1060数控渐进成形机床的技术参数加工编程及成形零件根据数控渐进成形的“分层制造”思想，使用UG-CAM模块生成零件的加工程序，采用精加工反馈服务编码8061中的“等高线轮廓铣”进行编程，切削顺序按照“层优先”。其他加工参数如下:成形工具直径6mm，每刀进给深度0.5mm，进给速度1000mm/min，加工余量0mm。在E形件的成形过程中，除了成形工具需要按照预先输入的NC代码进行成形运动,板料还需在托架的带动下随成形工具沿着零件高度方向同步下行。在所使用的成形装备中，将托架设定为A轴，当成形工具完成一层等高线轮廓加工后沿Z轴下降一定高度，A轴同时下降相同的高度。该操作可以通过在加工程序中成形工具Z轴的运动程序代码其后加入相同的A轴Z向的运动程序实现。完成上述操作后，重新对刀，选用SAE30矿物油作为润滑剂，以减小成形过程中成形工具与板料之间的摩擦，然后进行零件的成形。数控渐进成形过程及成形后的零件分别如图6，图7所示。图6数控渐进成形过程图图7成形后的E形件该E形件的成功制造，表明数控渐进成形技术在成形变形程度大，形状复杂的零件方面的优越性，并且能充分利用材料的成形性能，制件表面质量良好。结束语板料数控渐进成形技术作为一种柔性加工工艺，它适应了航空钣金件对产品的创新设计，适合于原型制造、新产品试制和小批量、多品种高附加值产品的生产，适应了交货时间短，快速响应市场需求等要求。同时，数控渐进成形件的几何精度、表面质量和成形效率等方面的不足，仍然是限制该技术广泛工业化应用的主要因素。为了进一步开发该技术在航空钣金件上的应用潜力，笔者认为尚需从以下几个方面进行研究：⑴成形效率。数控渐进成形存在的最大问题是单次成形时间长，效率低。因此目前该技术的应用基本集中在小批量、多品种钣金件成形领域，如航空航天飞行器中的结构件、概念产品的样件、医用等领域。为了扩大该技术的应用领域和提高效率、节省成本，已有研究人员尝试采用渐进成形和拉形复合成形，并且结果表明这种方法可以改善单一渐进成形成