飞机内部的液压、燃油、环控、氧气等系统错综复杂地分布着各种不同规格尺寸的导管,这些导管起到压力传递、燃油和气体输送、电缆保护等作用[1]。导管作为一架飞机的重要零部件之一,其成形质量将直接影响飞机的飞行安全[2]。导管的弯曲成形是以直管材为毛坯,通过各种塑性弯曲成形工艺方法制造出符合导管设计要求的弯曲曲率的加工方法[3]。传统的导管弯曲成形多采用手动的简单机械方式进行,生产出的导管产品质量无法得到保证[4]。随着国内外对飞机导管空间几何形状设计的复杂化,以及制造精度要求的不断提高,传统的弯管工艺方法已经远远不能满足使用要求,由此出现了更加高效、高精度的数控弯曲成形技术,并逐步取代了传统的弯曲成形工艺[5]。随着有限元仿真技术在弯曲成形领域的深入应用,通过数值模拟技术分析不同弯曲成形工艺对成形质量的影响,以此来寻找最佳导管弯曲成形工艺,从而实现飞机导管的高精度制造,已经成为一种主流趋势[6]。
导管弯曲成形有限元仿真具有一定的通用性,基于通用型有限元软件的弯管成形二次开发能够为用户简化有限元分析定义和后处理过程,缩短分析时间,提高工作效率。蒋华兵等[7] 开发出了数控弯管有限元分析前处理模块,实现了弯管成形仿真有限元模型自动建立,以此降低了使用ABAQUS 软件进行导管弯曲成形仿真的难度。冯颖等[8] 基于ABAQUS 软件开发出了数控弯管专用后处理模块,实现了弯管成形过程中生产工艺参数以及成形后管材回弹和延伸率等的自动提取输出。温馨等[9] 对弯管成形前后处理进行了一定的整合,为用户提供一种针对小半径单弯头导管高效的弯管成形数值模拟插件。拥有具备较为完整功能的导管弯曲成形有限元模拟插件,能够在一定程度上降低使用难度,为其进入实际生产提供可能。
导管弯曲成形
导管弯曲成形工艺方法包括:推弯、压弯、绕弯、滚弯、拉弯以及新型的自由弯曲成形方法等。本文仅对导管绕弯和自由弯曲成形原理以及弯曲成形性能评价方法进行深入介绍。
绕弯成形工作原理如图 1 所示。该系统由弯曲模、夹紧模、压模、芯轴、防皱模和球芯等部件组成[10]。弯曲成形时,芯轴和防皱模固定不动,夹紧模和压模同时下压;之后,弯曲模和夹紧模以同一角速度ω 绕点O 运动,压模跟随管壁作直线运动,在弯曲模和夹紧模的拉力作用以及弯曲模和压模对导管的限制下成形出和弯曲模曲率一致的弯曲形状。在下一弯曲动作前,各成型模具回复至初始工位,导管沿轴线方向前进和转动达到下一成形位置,由此成形出符合要求的导管空间几何形状。
导管绕弯成形方法成形过程简单高效,是目前导管弯曲成形领域中使用最为广泛的一种弯曲成形方法。但其在成形不同半径导管时需要频繁更换弯曲模,生产时需提供大量不同规格的弯曲模具,因此提高了导管弯曲的生产成本。
针对传统导管绕弯成形过程中需频繁更换弯曲模的这一缺点,近几年,一种导管自由弯曲成形的工艺方法[11] 被提出,其成形原理如图2 所示。系统由弯曲模、导向机构、推进机构、球面轴承等组成,其中球面轴承仅在X–Y 平面内插补运动;弯曲模具随球面轴承一起运动并绕球面轴承中心点自由转动;导向机构固定,起到限制导管运动方向的作用。弯曲成形时,球面轴承在X–Y 平面内移动一段距离u,导管因此发生弯曲塑性变形,而导管在推进机构的作用下以相应的速度v 沿轴线方向进给,从而成形出特定弯曲曲率的导管。
自由弯曲成形是一种无精确成形模具的弯曲成形方法,其主要优势有:实现一种直径导管一个弯曲模具的多弯曲半径成形;通过连续变化u 值可实现导管弯曲半径的连续变化;能够成形更加复杂空间几何形状的导管[12]。
导管弯曲成形过程中易产生管壁增厚、起皱,管壁减薄、开裂,弯头部位截面畸变和回弹等多种成形缺陷,导管精确弯曲成形性能主要由以下性能指标控制。
(1)壁厚减薄率。
壁厚减薄率 ζ1 用来评价导管弯曲成形时的抗拉裂能力,其表达式为:
其中,t 是导管弯曲前壁厚;tmin 是导管弯曲成形后最小壁厚。
(2)壁厚增厚率。
壁厚增厚率ζ2 用来评价导管弯曲成形时的失稳起皱趋势,其表达式为:
其中,t 是导管弯曲前壁厚;tmax 是导管弯曲成形后最大壁厚。
(3)褶皱度。
褶皱度η 用来描述导管弯曲成形后弯头部位内侧的起皱程度,定义为:
其中,D1 为导管成形后弯头部位最大外径;D2 为导管成形后弯头部位最小外径;D 是导管弯曲前的外径。