薄壁裂縫線源成型的預(yù)反變形研究

張滿意，祝天宇

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

裂縫線源是平面陣?yán)走_(dá)天線中較為常見和重要的零件，也是天線制造中較為困難的零件。隨著平面陣天線技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對裂縫線源的成型精度提出了更高的要求，如何控制其成型后的變形量成為加工中的關(guān)鍵技術(shù)。

某雷達(dá)裂縫線源的材料為3A21鋁波導(dǎo)，長度為2 098 mm，截面尺寸為22.86 mm×10.16 mm×1.0 mm，屬于典型的薄壁細(xì)長件。初始試驗件加工時，采用單側(cè)直接銑削裂縫，銑削后的裂縫線源變形量遠(yuǎn)大于設(shè)計要求。由于該型波導(dǎo)管尺寸小、壁薄、強度低且線源裂縫的尺寸公差要求很高，線源加工完成后不宜采用以往的校形工藝。

為解決該裂縫線源成型的變形問題，本文提出利用該型薄壁鋁波導(dǎo)管強度不高、剛性差的特點，根據(jù)線源試驗件成型后的變形狀態(tài)及變形量，對薄壁波導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)先反變形處理以提高線源成型精度。

1 薄壁裂縫線源預(yù)先反變形分析

反變形法廣泛應(yīng)用于焊接技術(shù)和結(jié)構(gòu)件校形技術(shù)方面。在結(jié)構(gòu)件校形過程中，工件在校正載荷作用下發(fā)生彈塑性變形。由于彈性變形是可逆的，而塑性變形是不可逆的，所以彈塑性彎曲后有一部分變形得到回復(fù)，另一部分被殘留下來。對于發(fā)生彎曲變形的零件，通過施加滿足特定曲率關(guān)系的相應(yīng)校正載荷，對變形零件進(jìn)行精確校正。焊接技術(shù)上采用的是預(yù)先反變形法，預(yù)先模擬計算焊接受熱不均導(dǎo)致的工件變形量，以該變形量的反方向預(yù)先使工件產(chǎn)生變形，通過預(yù)先的反變形量來抵消焊接過程中的應(yīng)力變形，從而得到最終的理想形狀。[1]

裂縫線源的原材料為標(biāo)準(zhǔn)型材3A21波導(dǎo)管，通過多次拉制成形。在拉制成形過程中，四周管壁產(chǎn)生了拉應(yīng)力。在后續(xù)的釬焊焊接及銑削裂縫時，由于一窄邊上焊縫收縮拉應(yīng)力增大，而對面的窄邊上多處開縫拉應(yīng)力消除，綜合導(dǎo)致波導(dǎo)管管壁的應(yīng)力平衡被打破而產(chǎn)生橫梁式彎曲變形(如圖1)。將線源兩端放置在測量平臺上，按圖1所示位置測量。無預(yù)反變形直接銑削成型裂縫線源的變形量如圖2所示。

圖1 裂縫線源變形示意圖

分析圖1、2中裂縫線源成型后的梁式彎曲變形量。為提高其直線度，工藝設(shè)計時將薄壁鋁波導(dǎo)放置在預(yù)反變形工裝內(nèi)，利用其強度低的特性，通過施加外力使其產(chǎn)生反向橫梁式彎曲，以抵消后續(xù)工序中線源應(yīng)力失衡而產(chǎn)生的應(yīng)力變形。

2 薄壁裂縫波導(dǎo)管預(yù)反變形數(shù)值模擬

2.1 薄壁波導(dǎo)管基本力學(xué)性能參數(shù)

對于相同材料、壁厚與截面尺寸不同的型材，其力學(xué)性能具有明顯的各向異性，拉、壓狀態(tài)下力學(xué)性能存在差異；不同熱處理狀態(tài)，力學(xué)性能相差很大。但是，在同一型材不同側(cè)壁或沿型材長度方向不同位置取試樣，其力學(xué)性能差別不大。在薄壁波導(dǎo)管寬度為24.86 mm的兩壁上沿管材長度方向切割試樣,通過拉伸試驗獲得的3A21薄壁波導(dǎo)管基本力學(xué)性能參數(shù)如表1所示[2-3]。

表1 3A21薄壁波導(dǎo)管基本力學(xué)性能參數(shù)

2.2 有限元建模

薄壁裂縫波導(dǎo)管預(yù)反變形是一個復(fù)雜的彈塑性大變形過程，涉及幾何非線性、材料非線性等。本文基于ANSYS/LS-DYNA平臺建立三維有限元模型。裂縫波導(dǎo)管定義為雙線性彈塑性材料模型，采用SHELL163薄殼單元網(wǎng)格；工裝定義為剛體，采用SOLID164實體單元網(wǎng)格。

2.3 預(yù)反變形仿真結(jié)果

2.3.1 薄壁裂縫波導(dǎo)管預(yù)反變形最大彎曲狀態(tài)

圖3為薄壁裂縫波導(dǎo)管預(yù)反變形至最大彎曲狀態(tài)且沒有卸載時的應(yīng)力分布(超過此彎曲值時，波導(dǎo)回彈變形后，預(yù)反變形模擬值將大于圖2中的變形值，線源成型后易成“S”形狀態(tài))。從圖中可以看出，薄壁裂縫波導(dǎo)管處于彈塑性變形狀態(tài)，頂部側(cè)邊的壓應(yīng)力值與底部側(cè)邊的拉應(yīng)力值均小于屈服應(yīng)力σ0.2，達(dá)到工藝要求。

圖4為最大彎曲狀態(tài)時薄壁裂縫波導(dǎo)管內(nèi)腔變化圖。從圖中可以看出，波導(dǎo)管內(nèi)腔光滑、無失穩(wěn)起皺現(xiàn)象[4]，滿足圖紙設(shè)計要求。

2.3.2 薄壁裂縫波導(dǎo)管預(yù)反變形回彈分析

薄壁裂縫波導(dǎo)管預(yù)反變形工藝技術(shù)須考慮金屬材料的彎曲回彈效應(yīng)。在波導(dǎo)管彎曲預(yù)反變形工序中，高度非線性變形過程會導(dǎo)致在波導(dǎo)坯料中產(chǎn)生大量的彈性應(yīng)變能。波導(dǎo)坯料與工裝動態(tài)接觸過程中存儲的彈性能在成形載荷消失以后釋放，使得波導(dǎo)坯料向著原有幾何構(gòu)形變形或回彈[5]。因此，在薄壁裂縫波導(dǎo)管預(yù)反變形過程中最后形狀不僅取決于工裝的輪廓形狀，也取決于波導(dǎo)坯料在塑性變形時存儲的彈性能總量。但是，在預(yù)反變形過程中存儲的彈性能總量是許多過程參數(shù)(如材料性質(zhì)、載荷)的函數(shù)[5]。用傳統(tǒng)的方法很難預(yù)測回彈變形，從而使得薄壁裂縫波導(dǎo)管預(yù)反變形工裝設(shè)計難以確定。

本文利用ANSYS/LS-DYNA顯式-隱式序列分析模擬薄壁裂縫波導(dǎo)管預(yù)反變形卸載后的回彈變形，避免了：1)彎曲量過大，應(yīng)力超過材料屈服極限時波導(dǎo)管截面尺寸發(fā)生不可逆改變，導(dǎo)致工件報廢；2)彎曲量太小，應(yīng)力達(dá)不到材料彈性極限，波導(dǎo)管的預(yù)反變形工藝不起作用。圖5為薄壁裂縫波導(dǎo)管預(yù)反變形至最大彎曲狀態(tài)卸載后的回彈變形圖，最大回彈量為23.77 mm。結(jié)合圖4、圖5可知，中心處最大預(yù)反變形為29.55-23.77=5.78 mm，可以抵消圖2中的大部分變形，滿足工藝分析、設(shè)計要求。

3 薄壁裂縫線源成型預(yù)反變形處理

將薄壁裂縫波導(dǎo)管預(yù)反變形技術(shù)應(yīng)用到某雷達(dá)薄壁裂縫線源成型的加工，驗證工藝的可行性、數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性、工裝設(shè)計的可靠性。

3.1 預(yù)反變形工裝設(shè)計

分析圖2中的變形量，依據(jù)預(yù)反變形數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)計了裂縫波導(dǎo)預(yù)反變形工裝，見圖6。圖中的曲面半徑R=21 400 mm，中心彎曲量為29.55 mm。

3.2 薄壁裂縫線源成型主要工藝過程

采用預(yù)先反變形法后薄壁裂縫線源成型的主要工藝過程如下:

(1) 原材料波導(dǎo)管通過下料獲得足夠的尺寸；

(2) 通過校彎工裝對波導(dǎo)管窄邊進(jìn)行校彎，產(chǎn)生預(yù)反變形；

(3) 在凸面窄邊實施火焰釬焊焊接；

(4) 利用專用工裝對波導(dǎo)管進(jìn)行裝夾；

(5) 數(shù)控銑進(jìn)行波導(dǎo)管裂縫銑削。

3.3 結(jié)果分析

選擇與表1相同的測量位置，其測量結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，采用預(yù)先反變形技術(shù)的裂縫線源的加工變形得到較好控制，提高了裂縫線源的加工質(zhì)量。采用該工藝方法批量生產(chǎn)的雷達(dá)裂縫線源經(jīng)暗室測試完全滿足電訊性能要求。

4 結(jié)束語

通過薄壁波導(dǎo)管預(yù)反變形技術(shù)研究，顯著減小了某雷達(dá)薄壁裂縫線源成型過程中的彎曲變形量，保證了線源的成型精度，單根線源的質(zhì)量穩(wěn)定性和整個天線面陣的平面度也得到提高。