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数控拉弯机在飞机框缘类型材成形中的应用分析

作者:2016-11-25 17:34:30阅读:文章来源: 西北工业大学

  第二次世界大战中,各国致力于提高飞机的性能和产量,因而产生了不少新的工艺方法和机床设备,转台拉弯机就是这一时期的产物。20世纪50年代,拉弯机得到很大的发展,结构和性能日趋完善。美国发动朝鲜战争后,美国各主要飞机、直升机、导弹、发动机制造厂纷纷购置拉弯机。60年代,拉弯机的液压装置和控制系统得到改进,使产品质量更加稳定,操作更加方便。目前拉弯机已推广至汽车、火车、高铁、电梯、升降机、建筑、冰箱和桥梁等民用工业中。

  拉弯是指工件在弯曲压入模具型槽的同时加以切向拉力、以改变工件截面内的应力状态的一种弯曲工艺。拉弯与普通弯曲的区别在于:普通弯曲时中性层基本不变,而拉弯时中性层内移,甚至内移至内侧或移出内侧表面。当最内层截面上的应力达到或超过材料的屈服应力时,回弹明显减小,从而提高了零件的成形精度。飞机上的框缘、机身前后段和发动机短舱的长析等零件是尺寸大、相对弯曲半径大的挤压型材和板弯型材弯曲件。它们组成飞机骨架的受力零件,直接影响到飞机的气动力外形,因而形状精度要求很高,生产中普遍采用拉弯成形的方法制造这类零件。

  典型的型材拉弯成形控制方法有力控制、应变控制和位移控制。型材拉弯成形过程中常见的问题有回弹、破裂、起皱和截面畸变等,分析解决以上问题的方法有试验研究、理论解析和数值模拟等。拉弯机与拉弯模具是生产拉弯产品的关键装备,按照设备工作方式,拉弯机分为转台式拉弯机和转臂式拉弯机两类。由于数控拉弯机的精确和可重复运动控制,保证了成形零件的一致性,目前在航空工业中数控转臂式拉弯机被广泛采用。法国ACB、美国Cyril Bath和L&F Industries公司生产的转臂式数控拉弯机最大拉伸力可达到300 kN。

  本文针对L & F Industries公司的A -7B位移控制转臂式数控拉弯机,从拉弯机床结构、成形过程、工艺参数设定和成形能力方面介绍数控型材拉弯机,并以典型实例阐述国内飞机框缘类型材数控拉弯成形技术现状。

  1转臂式数控拉弯机床结构

  L & F Industries公司的A-7B数控拉弯机,是30 kN通用拉弯成形设备。

  A -7B转臂式拉弯机工作台固定不动,在台面两侧的转轴上各装一转臂,左右转臂上通过托架组件各装了一拉伸缸,拉伸缸在转臂上的位置可以调节,以适应不同的毛料长度。在拉伸缸的端头,装有液压夹钳以夹紧毛料。转臂由装在床身上的转臂缸带动转动。2个转臂既能分别转动,又可同时转动。模具装在工作台上,应使模具的对称轴线与机床的纵轴线重合。托架装置装有手动横向滑块,每个托架都可手动控制,并可独立沿垂直于转臂方向横向滑动,从而实现拉伸缸的横向移动。拉伸缸安装在托架上,可沿转臂运动。此外,在机床每一个拉伸缸拖架上安装了控制箱,以控制夹头开闭和拉伸缸的伸缩运动。液压动力单元由一套集成的泵/马达组成,用来提供必要的动力,包含一个油箱、换气装置、位视测量仪和油位开关。

  在成形前,4个缸体(左右转臂缸和左右拉伸缸)协调运动,实现模具轮廓记录,用于生成数控程序。工作时先将转臂向前展开,毛料的两端用液压夹头夹紧;然后开动拉伸缸使毛料拉伸。2个拉伸缸的拉力相同,以免发生窜动。当拉伸力达到规定的数值后,2个转臂向后转动,使毛料沿模具型面进行拉弯。待毛料全部贴模后,增大拉伸缸的压力,对毛料进行补拉,从而减小零件回弹。

  中央操作控制面板安装在机床前面,包括操作按钮、开关、指示灯、电位计和急停。自由放置的控制器上装有一个电源和警示面板、操作按键和机床各种系统的操作监控。

  2数控型材拉弯成形过程

  数控型材拉弯成形的典型步骤如下。

  2. 1成形准备

  成形准备主要是指模具安装和夹头嵌块安装。模具采用平台上的活动立柱来安装定位,必要时可在模具底部放置垫块,以保证合适的高度。

  模具应正确安装在设备上,以便分布成形零件时的载荷,这是非常重要的。

  (1)画出模具俯视图以便安装规划;

  (2)画出一条与模具前端相切、且与模具后端平行的直线。将这条直线定义为参考线,转臂的销轴中心位于该直线上;

  (3)画出与模具的两端相切(切点为A和B) ,且通过参考线的直线,这两条直线与参考线的交点为C和D;

  (4)等分线段CD,线段CD的中点定义为E点;

  (5)画一条通过E点、且与参考线垂直的直线,这是模具成形的中心线,应与设备的中心线.

  2. 2数控程序模具采集

  数控程序主要指拉伸缸随着摆臂转动中的位置。A -7B转臂式数控拉弯机,采用位移控制方式,与力控制不同,它在模具型面特征位置采集的同时己经确定了型材拉弯的应变中性层位置,过程为:传感器记录臂向前转动,将拉线连接到模具上,启用传感器记录模式,控制转臂向后转至采集前根据模具弯曲角度而人工设定的弯曲极限。拉线保持绷紧,带动拉伸缸伸长或缩短,与此同时,机床传感器记录了夹钳轨迹控制参数,即转臂位置角及对应的拉伸缸位置,数控程序生成后,机床便能自动完成零件拉弯成形。

  2. 3数控拉弯成形

  数控拉弯成形时的具体操作如下。

  (1)在零件设置页面填写拉弯工艺参数,并保存程序文件,设备归零。

  (2)把零件放入夹头,使零件恰好与模具边线接触。

  (3)夹紧零件。在主操作台面按下紧贴键,以适配零件夹紧力。按钮指示灯不停闪烁,直到恰好符合适配吨位才保持高亮,示意操作员适配完成。

  (4)移动零件。夹紧完成后,根据需要可以移动零件,实现重新排布。

  (5)预拉伸。在主操作台界面点预拉伸按钮,可以对零件进行预拉伸。预拉伸按钮指示灯不停闪烁直到预拉伸完成才保持高亮,示意操作员机械已经处于预拉伸结束状态。

  (6)循环运行。在主操作台界面点循环运行,则开始弯曲。摆动机械臂开始向正常弯曲极限位置运动。当摆动机械臂到达正常的弯曲极限位置时,将停止运动,循环按钮指示灯将保持高亮,示意操作员弯曲成形己完成。

  (7)补拉伸。在主操作界面点补拉伸按钮,实现零件补拉伸。

  (8)松弛。在主操作界面点松弛按钮,以释放零件。松弛指示灯不停地闪烁,直至施加在零件上的力接近0才保持高亮,示意操作员机械处于放松状态。

  (9)在主操作面板上点卸载按钮,夹头会延迟25向外松开,释放零件。从夹头移开加工后的零件。

  如果需要对零件程序进行修改,可以在零件设置页面或者零件编辑页面对预拉伸、补拉伸进行修改。总结数控拉弯成形流程。

  3主要成形工艺参数设定

  由于零件之间的差异很大,因此在刚开始加工一个特定零件时,没有完整的、按部就班的方法去设置机床参数。成形速度、预拉伸量、最终补拉伸量直接取决于以下因素:(1)用于成形的零件材料是板料还是挤压型材;(2)型材的横截面形状;(3)成形零件的轮廓形状;(4)成形零件的硬度/韧度值;(5)材料是在初始成形之后进行热处理还是在再成形的时候进行热处理。 对于铝合金挤压型材可采用如下工艺参数进行拉弯。

  4设备成形力分析能

  众所周知,成形零件时拉伸缸的拉力值不能超过最大拉力值30 t。这可通过成形材料的横截面面积乘以其屈服强度得到。此外,设备成形能力还与成形零件时转臂的最大弯矩有关。 需要注意的是,代表材料拉伸线的直线在转臂枢轴中心的内侧,且与枢轴中心有一段距离。安装在工作台上的较宽模具,需要注意的是,代表材料拉伸线的直线在转臂枢轴中心的外侧,且与枢轴中心有一段距离F。对于介于二者之间的模具,会有两种情况。在成形操作开始时,材料的拉伸线在转臂枢轴中心的内侧。随着材料沿着模具弯曲,F值逐渐减小,当材料的拉伸线越过转臂枢轴中心点时,F值为0。随着材料的进一步弯曲,F转换为G,随后G值逐渐增大到最大值。

  为了计算G与F值,绘出一个简单的草图,且绘制步骤如下:

  (1)画出一条与模具的前端相切、且与模具后端平行的直线,并将这条直线定义为参考线;
       
        (2)画出与参考线垂直的、模具成形的中心线;

  (3)在参考线上画出一个点,该点与模具成形的中心线相距457.2 mm,此点为转臂的枢轴中心;

  (4)画出一条与模具相切的线,并给出最大距离G与F,这条直线为材料拉伸线;

  (5)绘制出一个圆,其圆心为转臂枢轴的中心,原材料长度L。的1 /2加上1397 mm为该圆的半径。该圆与材料拉伸线的交点近似于液压传动缸的枢轴点,并将该点定义为0点;

  (6)再绘出一个圆,其圆心为0点,转臂的中通心线与液压传动缸轴线之间距离的值为该圆的半径。a半径值介于203-355 mm之间,取决于托架的位置;

  (7)绘制出一条直线,该直线通过参考线上转口臂枢轴的中心,且与第6步中绘制的圆相切。该直线代表转臂的中心线,转臂的旋转角度为转臂中心手线与参考线之间的夹角;

  (8)测量该角度,然后在草图中标注出来。

  5实例分析.

  5.1框类型材数控拉弯技术

  飞机主框缘条为Y型材,作为球面框的主承力件,主要用于球皮固定、平衡和传递由球皮张力产生的纵向(航向)分力,同时还肩负着机身长度的对接以及机身扭矩的传递功能。主框缘条外表面与机身理论外形配合,立筋面与球皮外形配合,单个零件需要同时保证两个复杂双曲率外形,且角度、外形流线度要求高。数控型材拉弯技术克服了Y型材零件生产时的诸多技术难题,如:变曲率变截面Y型材容易截面畸变;角度和主框缘条面的平度达不到要求;腹板面起皱,需要较大的拉伸量,致使型材截面变窄加剧;淬火后型材严重扭曲变形,需要反复手工校形;冷作硬化现象严重;回弹较大等回。该技术也推动了国内Y型材零件由转包到自主批量制造的转变。

  5. 2铝锂合金缘条型材数控拉弯技术

  铝锂合金作为一种先进轻量化结构材料,以其密度低、弹性模量高、比强度和比刚度高、疲劳性能好、耐腐蚀及焊接性能好等优异的综合性能被用于航空零件的制造,如框缘类零件。然而铝锂合金因室温塑性差、屈强比高、各向异性明显的特点使其冷加工易开裂、成形困难。数控拉弯成形技术能成形屈强比大的弯曲零件,且弯曲精度高、回弹小,解决了铝锂合金型材的拉弯成形难题。零件成形一致性良好,平度达到制造要求。实现了国内首次铝锂合金型材的拉弯成形,推动铝锂合金在未来航空制造中的使用。

  6型材拉弯成形技术发展趋势

  (1)拉弯成形性评估系统。随着并行工程的应用,为缩短零件的研制周期,提高设计的可制造性,制造部门提前介入到产品的设计阶段。这就需要拉弯成形性评估系统,以确保能够制造出设计的零件。

  (2)模具回弹补偿修正。随着民用飞机的发展,在提高制造精度的同时,应尽量减少手工敲修量,以提高使用寿命。在过去,由于手动控制拉弯机控制精度低,零件重复性差,工艺人员一般不修模,而是按产品外形设计拉弯模具型面。现在,由于数控拉弯机控制精度高,零件一致性好,给拉弯成形模具回弹修正带来了契机。为提高拉弯零件的生产效率,未来的航空企业将和汽车企业一样,对拉弯模具回弹补偿修正,使模具调试后生产的零件符合检验要求,而不需要人工修校。

  (3)数字化拉弯成形。为实现高精度的拉弯成形,数字化拉弯成形技术成为主要的发展方向。通过拉弯工艺数模数字化设计、成形性能数字化评估、拉弯过程数值模拟、拉弯成形回弹计算、拉弯模具回弹补偿修正、拉弯成形工艺参数计算以及相关经验知识有效存储和检索等数字化拉弯成形技术的应用,拉弯工艺设计人员、拉弯工装设计人员和拉弯现场操作人员紧密联系起来,实现知识的共享和重复利用,不断提高技术水平,降低开发成本,缩短拉弯零件的研制周期。

  (4)另外,新的拉弯成形工艺方法也不断涌现,为降低模具开发成本而出现了离散模拉弯成形技术,为降低高强度材料的拉弯成形力、减少回弹而出现了电塑性拉弯成形和加热拉弯成形。

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