摘要：飞机大尺寸复杂型材零件制造是大型飞机制造的关键技术之一，该类零件在成形过程中变形量较大，零件精度很难得到保证。本文针对大尺寸复杂型材零件的成形方法，通过型材拉弯成形极限研究、数值模拟方法预测回弹量、按修正后模具型面引导线数据设计拉弯模具，实现零件的精准成形。
关键词：大尺寸、拉弯成形、拉弯回弹、数值模拟、精准成形
0前言
在飞机设计中，长桁及框缘等大尺寸复杂型材零件是飞机理论外形的重要组成部分，对于蒙皮和此类大尺寸复杂型材零件组成的蒙皮壁板结构，在进行飞机结构设计时要充分考虑其强度、刚度、稳定性、重量等问题。因此，对于长桁及框缘等大尺寸复杂型材零件成形质量要求较高。此类型材零件主要选用铝合金材料，尺寸大，构型多为“L”、“Z”型且为双曲度。按文件要求，零件相对外形样板或检验模加力条件下间隙应≤0.4mm，零件制造精度要求高。目前，此类零件多采用拉弯成形，成形后零件均需通过手工修整达到零件成形精度。
拉弯成形虽已是一种成熟的型材成形工艺，但其与其它弯曲成形方法一样，卸载后零件回弹难以控制，严重影响零件成形精度[1]。国内外研究表明，应用数值模拟方法进行拉弯成形工艺研究，可有效减小和预防拉弯回弹现象[2-4]。但目前，国内航空领域型材拉弯数字化模拟仿真技术尚不成熟，通过仿真软件建立工艺数模设计工装，仍存在着反复修模过程，零件成形后回弹仍无法完全避免，且拉弯过程中可能出现拉裂、鼓面、贴胎差等问题。
本文以飞机框缘型材零件为例，通过Abaqus有限元分析软件对其拉弯成形过程进行模拟分析，通过一系列试验模拟加载过程对回弹的影响，得出合理的预拉量和补拉量，进而设计出合理的拉弯模具，并试验验证。
1.主要研究内容
传统拉弯工艺主要是靠控制拉伸力和弯曲角度来控制拉弯过程的，其控制难点在于由拉伸力这一物理量来确定加工过程的几何效果。这种控制方式的缺点是控制精度差，很难精确地控制型材的截面变化这一决定加工质量的因素。一旦对拉伸力的估计出现了偏差，则会造成回弹量大或拉弯件断裂的情况。通过开展铝合金材料性能、拉弯成形工艺方法、模具结构形式、拉弯回弹解析算法及模具引导线回弹修正算法研究、成形过程数值模拟和实验研究，提高零件的成形精度。将模具回弹补偿技术广泛应用到型材拉弯成形工艺中，显著提升了零件成形效率，达到复杂零件精确成形的目的。
2.零件分析
2.1零件结构分析
本文选取的框缘零件结构为典型L型双曲型材，零件弯曲半径为1714mm，截面尺寸由对称轴向两端呈现变角度。
2.2零件材料性能分析
零件成形状态受材料的性能影响较大，因此，分析材料性能是数值模拟零件拉弯成形过程的基础。本文选用型材材料为西南铝公司生产的2A12-O铝合金，材料的应力/应变曲线如图2所示，物理性能见表1。
.png)
2.3零件成形过程出现的问题
本文选取的框缘零件成形难度大，精度要求高。使用传统制造依据进行拉弯，零件在成形过程中表面极易产生鼓面、起皱等问题，且零件回弹现象严重，需要手工反复校形来弥补成形缺陷，严重影响零件的成形质量，且拉长生产周期。因此，采用有限元数值模拟方法进行零件精准成形的研究是很有必要的。
3.关键技术攻关试验及分析研究
3.1型材拉弯成形极限研究
型材成形极限反应材料的性能，对成形性的预测、工艺参数的制定、零件和模具的设计都具有重要参考作用，如何描述型材成形极限是关键问题之一。参考板料成形极限的描述方法，采用拉弯成形极限图的形式来描述型材的成形极限。该图将反应实际拉弯中型材在不同工况参数下的成形缺陷（截面畸变、破裂、表面质量、起皱）出现的情况。
3.2拉弯成形数值模拟技术研究
基于Abaqus有限元模拟软件，建立了型材拉弯模拟成形的等效有限元模型，采用位移控制模式对框缘零件拉弯成形回弹进行了有限元模拟。有限元软件Abaqus 中，位移控制模式的拉弯轨迹应给出夹钳在x方向、y方向的位移以及加载速度，加载速度由幅值/分析步时间确定。将拉弯过程分为预拉、弯曲两步，由于拉弯模型具有对称性，取1 /2 模型以模具的圆心为坐标原点计算夹钳的轨迹。预拉阶段，夹钳沿型材长度方向拉伸位移a，弯曲阶段，当型材紧贴模具与模具包角为α时，夹钳位移增量计算如下：
.png)
其中，L1为型材贴模具部位长度；a为预拉伸量；R为模具半径建立等效模型。回弹后的应力分布比较均匀，除了对称面局部区域比较大以外，其它区域的残余应力都比较小。所以，L 形截面型材的有限元模型建立比较合理，可以用来模拟型材拉弯的回弹过程。
4.拉弯模拟回弹验证试验
按修正后模具型面引导线数据设计拉弯模具，采用A-7B数控型材拉弯机对回弹修正结果进行验证。将使用修整后模具成形出的零件与样板进行比对，试验选取20处测试取点位置，测试位置处零件比对样板数据见表2。结果表明，框缘零件有限元模拟有效的控制了零件成形后回弹变化，显著缩短了模具设计及制造周期，大大提高了零件成形质量，提高了工人劳动效率，应用效果显著。
.png)
5.结束语
基于有限元数值模拟方法对大尺寸复杂框缘型材零件进行回弹模拟，得出模拟回弹工艺数模，从而设计出考虑回弹现象的拉弯模具。并通过拉弯试验，验证了回弹模拟的有效性，实现了大尺寸复杂型材零件的精准成形，为后续此类零件拉弯工装的设计提供了思路。
6.参考文献
[1]刁可山,周贤宾,金朝海.铝合金型材拉弯成形研究进展[J].塑性工程学报,2003,10(06).
[2]金朝海,周贤宾,刁可山,李晓星.铝合金型材拉弯成形回弹的有限元模拟[J].材料科学与工艺,2004 (04).
[3]张晓丽,李晓星,周贤宾,金淼.复杂截面铝合金型材拉弯成形有限元模拟[J].塑性工程学报, 2004 (04).
[4]杨润强,王永军等.飞机球面框型材拉弯回弹有限元模拟技术[J].工具技术,2014,48(4).29-33.
[5]刘鹏,姜风国,杨仁弟等.数值模拟技术在高铁用7050铝合金型材挤压中的应用[J].烟台大学学报,2016,29(3):231-234.