航空導(dǎo)管數(shù)控彎曲成型工藝參數(shù)對材料力學(xué)性能的影響

毛奕鑫

（中航飛機(jī)股份有限公司，西安 710089）

近年來，航空工業(yè)不斷發(fā)展，行業(yè)對輕量、高強(qiáng)度、高性能材料的需求日益增長。航空導(dǎo)管作為飛機(jī)傳動系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵部件，研究其制造工藝對材料力學(xué)性能的影響顯得尤為重要。數(shù)控彎曲成型作為一種精密、高效的制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空導(dǎo)管的生產(chǎn)過程。航空導(dǎo)管數(shù)控彎曲成型工藝參數(shù)的選擇直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和可靠性。通過合理調(diào)整工藝參數(shù)，可以達(dá)到更好的彎曲形狀、尺寸精度，從而有效控制材料的力學(xué)性能。因此，深入研究航空導(dǎo)管數(shù)控彎曲成型工藝參數(shù)與材料力學(xué)性能之間的關(guān)系，對于優(yōu)化制造工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義[1]。

研究旨在系統(tǒng)性地探討航空導(dǎo)管數(shù)控彎曲成型工藝參數(shù)對材料力學(xué)性能的影響，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證獲取關(guān)鍵工藝參數(shù)對導(dǎo)管材料的影響規(guī)律。通過研究為航空導(dǎo)管的精密制造提供更科學(xué)的工藝指導(dǎo)，為提高航空系統(tǒng)的整體性能提供有力支持，對推動航空工業(yè)技術(shù)水平的提升和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)步提高具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 航空導(dǎo)管數(shù)控彎曲成型工藝參數(shù)分析與計(jì)算

1.1 航空導(dǎo)管數(shù)控彎曲成型工藝參數(shù)選擇

航空導(dǎo)管數(shù)控彎曲成型是一項(xiàng)復(fù)雜的工藝，需要考慮多個參數(shù)，以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量和精度。在材料選擇過程中，首先需要確保選擇適合航空導(dǎo)管的材料。通常選用高強(qiáng)度、耐腐蝕的金屬合金材料，如不銹鋼、鋁合金等。其次，導(dǎo)管的彎曲半徑必須符合設(shè)計(jì)要求，較小的半徑可能導(dǎo)致導(dǎo)管形變或開裂。最后，確保導(dǎo)管的彎曲角度符合設(shè)計(jì)規(guī)范，避免過度變形。

航空導(dǎo)管材料的彈塑性變形公式為

式中：εe為航空導(dǎo)管在彈塑性變形階段產(chǎn)生的應(yīng)變；σs為管材屈服強(qiáng)度的極限數(shù)值；K為塑性系數(shù)；n為材料硬化指數(shù)；E為管材的彈性模量。

控制數(shù)控彎曲機(jī)床的彎曲速度，避免在彎曲過程中產(chǎn)生過多熱量，從而減少材料的硬化[2]。選擇適當(dāng)?shù)闹畏绞剑乐乖趶澢^程中導(dǎo)管振動或形變，同時(shí)引入合適的彎曲工具，確保其適應(yīng)導(dǎo)管的直徑和材料特性。在一些情況下，需要控制環(huán)境溫度，確保導(dǎo)管彎曲時(shí)材料性能穩(wěn)定，設(shè)置合適的質(zhì)量檢測步驟，從而更好地驗(yàn)證彎曲后導(dǎo)管的質(zhì)量和幾何形狀。

1.2 航空導(dǎo)管數(shù)控彎曲力矩分析

航空導(dǎo)管數(shù)控彎曲力矩分析是為了確保在彎曲過程中不僅要滿足幾何形狀的要求，還要保證材料不超出變形極限[3]。根據(jù)導(dǎo)管的幾何形狀、材料性質(zhì)以及彎曲半徑和角度確定導(dǎo)管彎曲過程中所需的力矩，了解所用材料的力學(xué)性質(zhì)，如彈性模量、屈服強(qiáng)度、延展性等，以便充分考慮材料的彈性變形和塑性變形。分析彎曲半徑和角度對力矩的影響，確保選擇的參數(shù)不超出材料的彎曲極限，進(jìn)而計(jì)算彈性變形區(qū)彎矩、外側(cè)塑性變形區(qū)彎矩、內(nèi)側(cè)塑性變形區(qū)彎矩。

彈性變形區(qū)彎矩為

式中：σθ為任意角度產(chǎn)生的應(yīng)力值；rm為航空導(dǎo)管的直徑；t為彎曲時(shí)間。

外側(cè)塑性變形區(qū)彎矩為

式中：θ1為外側(cè)塑性變形區(qū)彎矩選擇的角度。

內(nèi)側(cè)塑性變形區(qū)彎矩為

式中：θ2為外側(cè)塑性變形區(qū)彎矩選擇的角度。

在分析彎曲力矩時(shí)，還要考慮彎曲過程中的速度。過快的彎曲速度可能引起過熱和過度的變形。分析彎曲過程中的支撐和夾持方式，確保導(dǎo)管在受力時(shí)不會發(fā)生不穩(wěn)定或者振動。彎曲過程中的溫度對于材料的塑性變形和彈性恢復(fù)都有影響，因此需要控制溫度。引入傳感器來監(jiān)測導(dǎo)管在彎曲過程中的變形情況，從而調(diào)整彎曲參數(shù)，保證數(shù)控彎曲機(jī)床的精度和穩(wěn)定性，確保準(zhǔn)確控制彎曲力矩[4]。使用數(shù)值模擬工具對彎曲過程進(jìn)行模擬，優(yōu)化彎曲力矩控制參數(shù)，提高彎曲過程的效率和質(zhì)量。

1.3 航空導(dǎo)管壓膜壓力確定

航空導(dǎo)管的壓膜壓力是在制造過程中需要精確控制的參數(shù)，以確保導(dǎo)管的質(zhì)量和性能。導(dǎo)管的直徑和壁厚是影響壓膜壓力的重要因素，當(dāng)直徑較大、孔壁較厚時(shí)，會影響所需的壓膜力。確定用于壓膜的材料及其硬度，以確保良好的成型效果。不同形狀和曲率的導(dǎo)管需要不同的壓膜力，因此需要考慮導(dǎo)管的實(shí)際形狀和曲率。航空導(dǎo)管壓膜壓力計(jì)算公式為

式中：L為導(dǎo)管長度；M為導(dǎo)管質(zhì)量；R為航空管半徑；θ為航空導(dǎo)管角度。

2 航空導(dǎo)管數(shù)控彎曲有限元模型

2.1 有限元模型建立

建立航空導(dǎo)管數(shù)控彎曲的有限元模型，能夠模擬導(dǎo)管在彎曲過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和變形等行為。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）軟件創(chuàng)建導(dǎo)管的三維幾何模型，確保幾何模型準(zhǔn)確反映導(dǎo)管的實(shí)際形狀，包括直徑、壁厚、彎曲半徑等。將幾何模型劃分為有限元網(wǎng)格，通常使用四邊形或三角形元素定義導(dǎo)管所使用的材料力學(xué)性質(zhì)。在有限元模型中，根據(jù)彈性模量、屈服強(qiáng)度、泊松比等參數(shù)描述材料的行為。設(shè)定模型的邊界條件，根據(jù)導(dǎo)管的固定支撐和施加的彎曲力矩確定有限元分析的結(jié)果[5]。建立的有限元模型，如圖1 所示。

圖1 有限元模型

使用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，模擬導(dǎo)管在彎曲過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)變化。分析有限元分析的結(jié)果，評估導(dǎo)管在不同彎曲條件下的性能，檢查應(yīng)力和應(yīng)變分布，確保導(dǎo)管在設(shè)計(jì)條件下不會超過材料的極限。根據(jù)有限元分析的結(jié)果進(jìn)行必要的優(yōu)化和調(diào)整，改善導(dǎo)管的設(shè)計(jì)和制造過程。

2.2 有限元模型可靠性驗(yàn)證

比對有限元模型的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過分析實(shí)測的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)與有限元模型的對比結(jié)果，驗(yàn)證模型在模擬實(shí)際彎曲過程中的準(zhǔn)確性。進(jìn)行彎曲試驗(yàn)以模擬數(shù)控彎曲過程，記錄試驗(yàn)中的導(dǎo)管形變、應(yīng)力和位移等數(shù)據(jù)，并將其與有限元模型的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行比較。通過改變材料屬性、彎曲半徑等參數(shù)，檢查模型的響應(yīng)變化情況，并進(jìn)行敏感性分析，評估模型對不同輸入?yún)?shù)的敏感性。針對有限元網(wǎng)格密度進(jìn)行獨(dú)立性分析，逐步調(diào)整網(wǎng)格密度，觀察模型結(jié)果的變化，確保結(jié)果在足夠細(xì)密的網(wǎng)格下趨于穩(wěn)定。模擬不同彎曲條件下的導(dǎo)管行為，分析不同的彎曲角度、彎曲速度等，比較模擬結(jié)果，驗(yàn)證模型在不同條件下的適用性。

3 試驗(yàn)研究

3.1 彎曲角度和彎曲半徑對材料強(qiáng)度和硬度的影響

選擇鋁合金或不銹鋼等航空工程中常用的材料作為試驗(yàn)研究對象，確定試驗(yàn)中要考慮的彎曲角度和彎曲半徑范圍，根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)計(jì)和制備標(biāo)準(zhǔn)試樣，使用適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)設(shè)備進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。控制彎曲角度和半徑，記錄每個試樣的彎曲過程。在不同的彎曲條件下，測試試樣的強(qiáng)度和硬度，記錄抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖2 可知，彎曲角度和彎曲半徑對材料的強(qiáng)度和硬度會產(chǎn)生較為明顯的影響，當(dāng)伸長率達(dá)到臨界值后（應(yīng)力為0.5 Pa，應(yīng)變?yōu)?0.5%）材料會出現(xiàn)斷裂。較大的彎曲角度導(dǎo)致材料發(fā)生更大的彎曲變形，導(dǎo)管中會產(chǎn)生更大的應(yīng)力，對導(dǎo)管的整體形狀和性能產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其強(qiáng)度和耐久性。彎曲半徑較小的情況下，材料的應(yīng)變率較大，導(dǎo)致其在彎曲過程中發(fā)生較大形變，同樣會影響材料的強(qiáng)度和硬度。

3.2 成型速度對材料塑性變形的影響

在試驗(yàn)中設(shè)定不同的成型速度，包括慢速、中速和快速等，需要確保每組試驗(yàn)都有相應(yīng)的速度記錄。使用應(yīng)變計(jì)、拉伸計(jì)等測量設(shè)備測量應(yīng)變和應(yīng)力之間的關(guān)系，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 塑性變形試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖3 可知，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力也在不斷加大。當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界值后，應(yīng)力出現(xiàn)急速增加。高速成型會導(dǎo)致材料應(yīng)變率增加，使其出現(xiàn)不同的應(yīng)變分布，進(jìn)而影響材料的形變。局部的高應(yīng)力區(qū)域會影響導(dǎo)管的強(qiáng)度和耐久性。高速成型中的摩擦和變形也會引起溫度升高，降低表面質(zhì)量，從而出現(xiàn)瑕疵和不均勻。

實(shí)時(shí)記錄試樣在不同成型速度下的塑性變形情況，觀察并記錄試樣表面的質(zhì)量變化，包括表面平整度、裂紋、起皺等情況。通過拉伸試驗(yàn)、硬度測試對試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，從而獲取更詳細(xì)的材料變形信息。最后，統(tǒng)計(jì)和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較不同成型速度下的塑性變形情況。

4 結(jié)語

文章深入探討航空導(dǎo)管數(shù)控彎曲成型工藝參數(shù)對材料力學(xué)性能的影響，通過系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究，分析不同數(shù)控彎曲成型工藝參數(shù)對導(dǎo)管材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)控彎曲成型工藝參數(shù)對材料力學(xué)性能模型的可靠性。通過研究航空導(dǎo)管制造過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，可以更好地調(diào)整和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管在使用過程中更好的性能表現(xiàn)，這對提高航空系統(tǒng)的可靠性、降低維護(hù)成本具有重要價(jià)值。文章的研究結(jié)果為航空導(dǎo)管的精密制造提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)，可以為工程師和制造商提供參考，從而更好地優(yōu)化工藝參數(shù)，提高導(dǎo)管的制造效率和性能。